多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝燒嘴維修創新技術

辛爭秋，趙 恒，郭 瑩，唐 強，楊海軍

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100076)

工藝燒嘴是多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的關鍵設備之一，主要用于水煤漿與氧氣的高度混合、霧化。工藝燒嘴通常工作在高溫高壓的苛刻條件下，在約1 300 ℃以上的高溫爐膛內，承受著爐內火焰和物料的沖刷；正常情況下，工藝燒嘴一般在使用一段時間后需要維修。在保證工藝燒嘴的產品質量前提下，其使用壽命是工藝燒嘴的重要性能，是影響水煤漿加壓氣化工藝系統長周期運行的一個主要因素。由于工藝燒嘴維修頻繁、價格昂貴，可通過創新維修技術來提高工藝燒嘴的使用壽命，使工藝燒嘴性能提升，延長水煤漿加壓氣化工藝系統的運行周期，必將推動煤化工技術的發展。因此，對工藝燒嘴制造、維修進行性能改進研究是很有意義的。

1 多噴嘴對置式氣化工藝技術優勢

自首套多噴嘴對置式水煤漿氣化爐投入工業化應用以來，經過研發人員及應用單位技術人員的攻關及改進，其技術水平得到不斷提升，裝置的運行周期不斷延長，運行指標不斷優化。與同類技術相比，顯示出了突出的技術優勢，其主要表現在：①規模大型化，特別是在1 500 t以上的氣化爐投資和運行方面優勢明顯，伊煤集團煤制油項目單爐日投煤量達3 000 t；②有效氣體成分高，一般φ(CO+H2)可達84%，碳轉化率高，渣中可燃物含量低(其質量分數<5%)；③氣化爐負荷調節范圍大，可達50%～120%；④廢水排放少，環保性能好，基本消除了水煤氣帶灰現象；⑤黑水余熱回收更高效；⑥工藝燒嘴的使用壽命更長，多家企業工藝燒嘴平均使用壽命超過70 d，部分企業創新工藝燒嘴使用壽命平均達100 d左右，上海焦化4號裝置的工藝燒嘴無維修累計使用周期最長可達194 d。

2 多噴嘴對置式氣化工藝的推廣應用

多噴嘴對置式氣化工藝明顯的技術優勢和良好的工業應用效果，使其得到了國內有關部門和用戶的支持和認可，在眾多煤氣化工藝中脫穎而出，得到了廣泛的技術推廣應用。截止到2016年9月，該技術已在國內外推廣應用46家、128臺(套)氣化爐，其中投入運行60臺氣化爐。

先進成熟的氣化工藝保證了氣化裝置運行的穩定及指標的優良，目前多套裝置運行負荷達到或超過設計值，安徽華誼、神華寧煤、未來能源、江蘇華昌等氣化裝置在投入運行后半年左右便通過了裝置性能考核驗收，各套裝置考核指標優良，特別是煤耗、氧耗、合成氣有效成分、碳轉化率等主要指標均明顯優于設計值。江蘇靈谷化工氣化裝置在雙爐1開1備(氣化爐冷備)的狀況下，保持了裝置連續穩定運行的狀態，裝置投產至今因氣化原因造成的系統停車僅1次(非燒嘴原因)。2011—2015年生產裝置全年累計運行分別達357，352，355，343，354 d。該技術得到了業內的一致認可，在國內外得到廣泛的推廣應用，裝置建設規模也不斷擴大。

3 工藝燒嘴的使用狀況及損壞原因分析

3.1 工藝燒嘴的使用狀況

工藝燒嘴的工藝原理是將水煤漿與氣化劑(純氧)通過工藝燒嘴噴入高溫氣化爐內進行快速氣化反應而得到產物合成氣。工藝燒嘴為三流道內外混合霧化形式，外流道和內流道輸送高壓氧氣，中流道輸送高壓水煤漿。

區別于德士古工藝燒嘴預混式設計形式，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝燒嘴具有其獨特的設計特點：多噴嘴對置式氣化工藝燒嘴采用預膜、外混式三通道噴嘴(見圖1)，3股物流射出噴嘴，煤漿的內外兩側均為高速流動的氧氣，氧氣通過高速剪切、振動等方式使煤漿實現初級霧化，初級霧化的物料再相互撞擊形成二次霧化，在氣化爐內完成氣化反應過程。

圖1 多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝燒嘴頭部示意

由于多噴嘴氣化工藝燒嘴合理的預膜式結構設計，使得水煤漿在燒嘴內部特別是煤漿噴頭出口的流速遠低于德士古工藝，可使工藝燒嘴的正常磨損、侵蝕情況降至最小，工藝燒嘴具有更長的運行壽命和更好的穩定性。

3.2 工藝燒嘴損壞原因分析

工藝燒嘴處在氣化爐內1 300 ℃的高溫高壓環境中，不僅受到氣化爐內固體、液體和氣體的高速沖刷，還受到強氧化性氣氛、液態熔渣的侵蝕，加上氣化爐開停車時燒嘴頭部較大的溫度和壓力波動，導致噴口內、外表面的沖刷腐蝕磨損嚴重。綜上因素，水煤漿工藝燒嘴在使用一段時間后，將出現下面幾種常見的失效形式。

3.2.1 冷卻水盤管損壞

冷卻水盤管的作用是保護處于高溫工藝氣體環境中的外噴頭。冷卻水盤管的工作環境非?？量?，其主要損壞形式是冷卻水盤管(鎳基材料)與外噴頭(鈷基材料)連接焊縫區域的開裂泄漏(見圖2)。該處的焊接形式有V形對接焊縫焊接和插接角焊。該2種焊接形式均為鈷基高溫合金UMCo50與鎳基高溫合金Inconel 600的異種材料焊接，由于2種材料之間焊接性能較差，故焊接難度很大。對接焊接時，材料管壁較薄(約3 mm)；角接焊接時，壁厚差別較大，均不利于焊接強度。工藝燒嘴在惡劣的工況下運行時，該焊縫區域內容易產生裂紋缺陷，進而導致焊縫泄漏。

圖2 工藝燒嘴典型失效位置示意

3.2.2 中噴頭、內噴頭物理磨損

為了達到良好的霧化效果，流經工藝燒嘴的介質流速必須達到工藝要求，較高的水煤漿流速將造成中噴頭內型面與內噴頭外型面磨損。隨著設備運行時間的延長，中噴頭出口區域壁厚逐漸減薄，運行一段時間后，中噴頭內型面和內噴頭外型面磨損減薄、偏心，造成工藝燒嘴噴口流速下降、霧化效果變差、氣化爐內溫度場惡化，需停車對工藝燒嘴的噴頭進行修復或更換。

3.2.3 外噴頭端面龜裂

影響工藝燒嘴使用壽命的另一種損壞形式是外噴頭端面沿徑向放射狀裂紋及不規則龜裂。外噴頭端部環形通道為冷卻水腔，通過冷卻水對外噴頭受熱端部進行冷卻，外噴頭冷卻水腔外壁面受到爐內物料沖刷腐蝕以及高溫熱流、熱輻射的影響，在外噴頭出口處出現徑向放射狀裂紋，裂紋隨著運行時間的延長逐步擴大、加深；當裂紋發展成貫穿性裂紋時，冷卻水腔端面發生泄漏，導致氣化爐急停。

針對裂紋產生的原因進行分析，其主要影響因素如下：①由于外噴頭端面處在爐內高溫(1 300 ℃)的工藝氣體環境中，金屬材料在此高溫條件下長期工作，受到高速煤漿、氧氣及高溫工藝氣體回流的不斷沖刷，使材料在冶煉和鍛造過程中的所有缺陷逐漸暴露出來，形成不規則的龜裂。②由于外噴頭出口處的氧氣濃度較高，故金屬材料在高溫氧化環境中將發生氧化反應和滲碳效應，使金屬材料的成分和性能發生變化；另外，煤中含有的硫也會使金屬表面發生高溫硫化腐蝕。③徑向放射狀裂紋的源頭是外噴頭的孔口。該尖角是零件機械加工后應力集中的部位，在高溫環境下，應力的釋放是造成放射性裂紋的根源，也是外噴頭破壞的最主要因素。

3.2.4 堆焊層失效

工藝燒嘴價格昂貴(每臺售價幾十萬元)，而使用壽命一般只有幾十天，為了降低工藝燒嘴的維修成本，通常對外噴頭端面、中噴頭內型面、內噴頭外型面堆焊維修后再次使用。目前常用的堆焊用焊材是鈷基高溫合金UMCo50焊絲，堆焊基材為UMCo50。

堆焊修復步驟如下：去除噴頭本體的燒蝕裂紋層，對清理后的基體著色探傷，再進行堆焊修復，最后精加工至圖紙要求尺寸。與UMCo50鍛件材料相比，堆焊層的金相組織疏松，機械性能相對較低；另外，堆焊層中存在微小氣孔與夾雜的風險成為材料失效的原因，會影響工藝燒嘴運行的安全穩定性。

4 工藝燒嘴的創新維修技術

針對上述工藝燒嘴常見的損壞形式，在工藝燒嘴常規修復工序的基礎上，北京航天石化技術裝備工程有限公司近10年來持續進行了系統的燒嘴創新維修研究工作，成立了材料、工藝、焊接等多個研究小組，與國內先進的航天特種材料及焊接工藝等多家兄弟軍工研究單位合作，共同致力于燒嘴的創新維修技術項目研究。從2009年至今，獲得航天科技集團公司、中石化集團公司等多個燒嘴創新維修技術研究項目的資助和支持，研究成果豐碩，且在多家生產企業獲得了良好的運行實踐業績。創新維修研究工作主要圍繞以下幾點展開。

4.1 表面處理技術

工藝噴嘴噴頭表面采用了航天新穎、前沿的復合處理技術，在燒嘴材料表面結合高性能航天特殊新材料，以降低純氧燒嘴頭部的受損速率，實現極好的表面耐磨損、耐腐蝕、耐沖擊、耐疲勞、抗高溫氧化和減摩等多種性能。新型噴頭已在上海焦化4號裝置、昆山寶鹽氣體有限公司、安徽華誼化工等多家企業得到應用，高效緩解外噴頭龜裂及中、內噴頭磨損，噴頭正常使用在3個周期以上，磨損量很小。改進后的上海焦化4號裝置工藝燒嘴最長使用周期達194 d，大部分裝置穩定在3個月左右。

4.2 焊接工藝研究

開展包括鈷基、鎳基高溫合金異種材料對接焊工藝研究、鈷基高溫合金堆焊工藝研究等多個焊接研究課題。選取調整不同的焊接、堆焊工藝參數，根據正交試驗法制作堆焊試樣，對其做無損檢測、理化性能檢測、金相分析、硬度試驗以及腐蝕測試。比較分析結果，修正堆焊工藝流程，通過試樣檢測的反復對比，達到優化堆焊工藝流程、提升堆焊效率和合格率以及提高堆焊層可靠性的目標。

4.3 結構創新

從2010年開始采用工藝燒嘴噴頭一體化加工成型工藝，冷卻水通道結構優化設計，將冷卻水管處異種材料的焊接的角焊縫改為對接焊縫，有效增強了該處焊縫的強度，降低了工藝燒嘴的損壞風險。目前，北京航天石化技術裝備工程有限公司新制工藝燒嘴噴頭普遍采用一體化加工成型燒嘴噴頭，該項結構創新技術已基本解決冷卻水盤管焊縫燒蝕裂紋泄漏問題。

5 結語

北京航天石化技術裝備工程有限公司在工藝燒嘴的維修改造和創新維修方面積累了大量的理論設計基礎和豐富的實踐經驗，每年完成燒嘴改造及維修任務500臺次以上。目前與上海焦化、安徽華誼、華昌、昆山寶鹽、神華寧煤、神華包頭、茂名石化、九江石化、南化、中海油華鶴、中煤榆林、豐喜、天業等40多家企業簽訂長期維修以及技改服務合同，憑借短周期快速維修、完善的質量控制體系、24 h快速服務響應機制、專業物流專車運輸等一系列優質服務，贏得了廣泛的市場占有率，并不斷將最新改進延壽創新技術應用于維修技改市場，可提升產品性能，為用戶增加經濟效益。