殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞原因分析

康思樂

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

引 言

殼牌煤氣化工藝是國內大型化工企業所采用的重要生產工藝，其中氣化爐作為核心設備具有重要作用。然而在生產過程中粉煤燒嘴因不同原因損壞不僅縮短了燒嘴的使用壽命，同時影響煤氣化工藝的正常流程。

1 殼牌煤氣化工藝的基本概述

殼牌煤氣化是化工生產方面具有代表性的生產工藝之一，殼牌煤氣化的整體作業條件是在高溫加壓下進行的，煤粉、氧氣及少量蒸汽在加壓條件下流進入氣化爐內，并能夠在既定時間內完成升溫、揮發分脫除、裂解、燃燒及轉化等一系列物理和化學過程[1]，整個流程的時間短、效率高。其工作原理是通過向氣化爐內輸送氣體造成高溫有氧環境，使發生氣化反應的碳、揮發分及部分反應產物(H2和CO等)燃燒，并最終在有氧條件終期發生轉化，生成一氧化碳、氫氣成分的煤氣。

2 粉煤燒嘴的結構

粉煤燒嘴的是煤氣化工藝的關鍵部件，其內外結構如圖1所示。為了方便更換和維修，降低損耗，粉煤燒嘴采取的是分體安裝方式，即由兩部分構成，分別為燒嘴頭和燒嘴身，其中燒嘴頭部組件位于工作前端，是粉煤燒嘴的核心結構，其前端面由高溫合金薄壁構成，該薄壁直接接觸合成氣，內表面則是螺旋狀環形冷卻腔體，借助冷卻功能有效抵御外部的高溫、高壓、高腐蝕的環境。燒嘴頭和燒嘴身共同構成了一個多層套管結構體，煤氣化工藝中的兩個原料，粉煤、氧氣及蒸汽混合氣分別通過燒嘴頭前端和上部入口進入腔體。前端入口與中心通道相連，上端入口則與環形通道相連，原來入口進入燒嘴頭內部不存在公用通道。前文提到螺旋形冷卻腔保護燒嘴進行工作，作業所需的冷卻水通過通道外圍的入口流入冷卻水專用通道并通過上端出口流出，形成自循環結構。燒嘴按符合要求在氣化爐內成對布置，通常一臺殼牌氣化爐需要在同一水平面安裝4個～6個燒嘴，為了使所有燒嘴軸線的延長線在氣化爐內形成一個內切圓，布置的所有燒嘴以氣化爐的中心為基準形成偏角[2]。

圖1 粉煤燒嘴的內外結構

3 殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞的主要特征及原因分析

國內多數煤氣化工企業使用殼牌氣化爐生產煤氣產品，根據年作業統計發現，殼牌氣化爐的粉煤燒嘴是氣化爐整體結構中損壞概率最高的構件，在作業達到一定的周期后，燒嘴頭部等部位頻繁發生損害，影響正常生產。

3.1 殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞的主要特征

粉煤燒嘴主要容易發生裂紋、燒蝕等問題，其多在生產之中發生，且頭部組件發生損壞概率高于身體組件。少數損壞發生在粉煤燒嘴安裝或更換時。燒嘴頭部組件常發生噴口裂紋，根據粉煤燒嘴的構成結構來看，噴嘴前端是高溫合金薄壁，厚度為(2.0±0.1) mm左右，受損后會在整個噴口周圍形成放射狀的均勻細小裂紋。裂紋擴大會造成冷卻水泄漏，影響正常生產。除此之外燒嘴頭部前部還會在工作中形成結渣式燒熔面貌，且損害明顯。形成燒熔面貌部分的黏結以硅為主要成分。除此之外，部分燒嘴頭部存在磕碰傷痕等機械損壞，只能通過替換進行解決。

燒嘴身體組件的損壞特征基本與燒嘴頭部保持一致，但一般不發生裂紋損傷。燒嘴身體組件接觸高溫作業環境，易發生合成氣回火燒熔，甚至整個安裝法蘭都可能造成回火燒熔損傷。燒嘴組件中含有管道組件，其外管在長時間使用后，產生腐蝕，出現坑洞或破損，導致冷卻水流出，并加速損傷面積。除此之外，燒嘴身體組件的密封面及整個法蘭存在機械性劃痕或者損壞。因此從整體來看，燒嘴損壞的主要特征可以歸納為機械損傷、工作性損傷以及結構特征損傷。

3.2 殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞的原因分析

粉煤燒嘴損壞后，降低其使用壽命，甚至造成全部損傷，需要直接更換，影響運行效率和質量。根據殼牌氣化爐煤氣化工藝流程的特點及燒嘴結構等進行分析，造成燒嘴損壞的原因主要有以下幾點。

1) 粉煤燒嘴自身的結構因素

根據粉煤燒嘴發生損壞的特征來判斷，燒嘴頭部組件易發生裂紋損傷，且損傷基本均勻。造成此種形式損傷的原因來源于噴口特殊的尖角結構，并且基于自冷卻循環通道的形成，前端面的薄壁厚度最薄時可達1 mm。當薄壁厚度減小時，材料本身的力學結構發生變化，因此其抗高溫輻射及粉煤原料的直接沖刷能力下降。整個工作過程中，反復沖擊及負荷變化，造成材料本身的結構形成力學疲勞期，尤其是受力集中的情況下，直接造成沖擊點產生裂紋。而燒嘴噴口直接接觸高溫、高壓、高腐蝕混合氣體，因此其需要采用高溫合金材料經過嚴格的抗拉、強度試驗生產制成噴嘴。但是基于高溫金屬合金材料本身的條件來看，這種硬度高、塑性大的材料在高精度尺寸和粗糙度的雙重條件壓力下，容易造成生產質量欠缺，薄壁厚度不均勻下，使其力學承受能力不一致，形成損傷后裂紋持續累積會極大縮短燒嘴的使用壽命。發生此種情況下，必須要停車檢修進行燒嘴的更換。

2) 粉煤燒嘴安裝因素

根據殼牌氣化爐的生產需求，需要將4個～6個粉煤燒嘴安裝到氣化爐的平面上。其安裝要求包括以下幾個關鍵點。一是要求所有的粉煤燒嘴處于同一水平面，并成對安裝，形成對稱性要求；二是粉煤燒嘴應以氣化爐的中線為對稱，形成偏角從而構成一個內切圓，對偏角的設計值有要求。根據上述兩項條件進行燒嘴安裝時，存在偏差，則從整體上改變了粉煤燒嘴相互之間的力學結構和內部的燃燒位置。在這種情況下就會發生粉煤燒嘴的燒嘴罩燒損，而無法對燒嘴形成保護，從而降低了燒嘴的工作壽命。氧氣蒸汽混合氣損壞時，就會造成通道內氧氣流通不暢，產生氣體集中燃燒，進而使局部位置發生超高溫現象，造成損壞。

3) 粉煤燒嘴的工作環境、參數等因素

用于生產煤氣的粉煤、氧氣、混合氣等通過入口進入粉煤燒嘴內部，不同原料的工藝參數對煤氣化的整體作業流程產生影響。

根據煤氣化的生產工藝需求來看。粉煤燒嘴中氧煤比例一般在0.72～0.85。煤或氧氣的量值發生變化時，就會造成該比值發生波動，當波動浮動頻率過高時，燒嘴罩及整個燒嘴的溫度場就會發生相應的變化。上文提出的材料結構及工藝會對燒嘴的材料造成頻繁的異常沖擊或者燃燒，使得材料疲勞，加速老化速度，從而發生燒嘴前端裂紋等現象。煤燒嘴氧煤比為0.72～0.85，煤線或氧線的波動導致氧煤比發生變化。這種波動頻率較高會引起燒嘴罩和燒嘴周圍溫度場頻繁變化，引起材料熱疲勞導致材料性能快速退化，從而導致燒嘴裂紋產生[3]。

另外，粉煤中含有SiO2、Fe2O3等化學物質的成分不同，進而造成渣粘度存在差異。當氣化溫度未能按照標準達到氣化臨界溫度時，就會影響渣流動性，若由于渣體不能夠順暢流動，并產生高粘度附著在燒嘴頭部時，就會造成集中燃燒發生點腐蝕和坑洞等問題。另外一方面粉煤和混合蒸汽體在有氧條件下發生燃燒反應，會產生部分高溫氣體回流，當此部分氣體回流流轉于燒嘴罩及燒嘴頭部的環隙使，就會導致結構的外管產生腐蝕滲漏。

4 結語

粉煤燒嘴作為殼牌煤氣化生產工藝的關鍵組成部分，其損傷不僅影響工作壽命，還對整個工藝流程和生產質量造成影響。根據燒嘴的損壞特征和生產工藝的工作原理等進行分析可以發現，造成粉煤燒嘴損壞的主要原因包括燒嘴自身結構原因、安裝原因及生產工藝參數、運行狀態等，需要生產企業根據情況及時更換燒嘴或者調整作業參數等，來提升燒嘴的使用壽命。

參考文獻：

[1] 滕發利.殼牌氣化爐運行中的常見問題[J].化工設計通訊,2017,43(5):170-171.

[2] 原棟,劉文杰.殼牌粉煤燒嘴的安裝方法和影響安裝精度的因素[J].化學工程與裝備,2017(4):140-142.

[3] 王庚,石云.淺析殼牌粉煤氣化爐燒嘴罩的常見問題[J].純堿工業,2016(1):39-41.