德士古水煤漿氣化噴嘴耐磨技術的開發與應用

孫淑杰

(兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277527)

噴嘴是德士古水煤漿氣化爐的關鍵部件，它的霧化性能以及與氣化爐共同作用形成的流場對氣化反應結果、噴嘴自身壽命以及氣化爐耐火磚壽命起著至關重要的影響。但是，噴嘴所處的高溫、高速物流沖刷的工作環境，使其較易受損；另一方面，噴嘴一般采用INCONEL600和YRS188等耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕、耐磨損的Ni基特殊鋼材制作，價格比較昂貴，多數是從美國進口(每套進口價約80萬元人民幣)。因此，延長噴嘴使用壽命是提高氣化爐運行周期、增加效益的有效途徑之一。兗礦魯南化肥廠水煤漿氣化裝置使用的噴嘴，最長使用時間達到208 d，達到國際領先水平。

1 新型噴嘴的開發

為了解決兗礦魯南化肥廠德士古水煤漿氣化爐噴嘴易磨損(原壽命僅2～3月)、嚴重影響氣化裝置的長周期穩定運行的問題，華東理工大學與兗礦魯南化肥廠合作，針對工業噴嘴的結構特點，開展了耐磨噴嘴的開發研究工作。經共同努力，研制出的新型耐磨噴嘴獲得國家專利授權。該噴嘴的前部為錐形體，錐形體前部連有鑲嵌內襯套的支撐托體；該內襯套的前端口為噴嘴口，內襯套為非金屬材料制成的錐形管，非金屬材料為耐高溫、耐磨損、耐沖刷材料。

本研究采用激光熔覆技術制備了Co基合金/納米Y2O3復合材料熔覆層，采用了一種耐磨性能高、高溫使用壽命長的水煤漿氣化爐噴嘴外氧噴頭端面新材料及激光焊接技術，使水煤漿噴嘴的整體壽命得到明顯提高；分析了熔覆層的組成和耐磨性能，為水煤漿氣化爐噴嘴外氧噴頭端面新材料及工藝的開發提供了理論依據和指導。該技術還可廣泛用于煤炭、石油等化工行業關鍵設備的噴嘴部件制造中。

經過現場運行的考核，改善后的外氧噴頭頭部端面比改善前的質量大大提高，前后對比如圖1和圖2所示。

圖1 未改善前運行80多天的外氧噴頭頭部端面狀況

圖2 改善后運行197天的外氧噴頭頭部端面狀況

2 新型噴嘴在裝置中的應用

該噴嘴于2006年8月29日在B爐上首次使用，至2007年1月27日更換退出，累計運行151 d，期間開停車5次(4次連投)。噴嘴在使用期間自身未發生異常，創國內外噴嘴運行的最高紀錄，具體運行數據見表1。第二套噴嘴在2009年9月4日至2010年9月7日期間運行208 d，再創國內外噴嘴運行的最高紀錄，見表2。

3 運行工況分析

原噴嘴運行超過60 d后，產量明顯降低，噸氨耗煤明顯升高，詳見表3。

新型耐磨噴嘴運行到120 d后，從統計的各項工藝指標看，并沒有出現原噴嘴使用到后期經常出現的產氣量降低、渣口壓差降低、比氧耗升高、渣中可燃物升高等現象。新噴嘴在運行了120 d后，渣口壓差僅降低了0.03 MPa，證明新型水煤漿噴嘴并沒有出現較為嚴重的磨損。從表4的運行數據可以看出，新型耐磨噴嘴使用到120 d后，產量并沒有大的波動，消耗也并未因噴嘴使用到后期而升高。

表1 第一套新型燒嘴運行記錄

表2 第二套耐磨噴嘴工業運行記錄

表3 原噴嘴運行記錄

4 耐磨噴嘴技術經濟評價

表5給出了原噴嘴與耐磨噴嘴在工業裝置上的使用壽命、運行數據、消耗指標等比較。可以看到，耐磨噴嘴的平均使用壽命大幅度延長。

在平均工藝指標方面，耐磨噴嘴比原噴嘴碳轉化率提高約1%、比氧耗下降5.4%、噸氨耗煤下降0.6%、合成氨(醇折氨)產量提高1.7%。

表4 耐磨噴嘴運行記錄

表5 兩種噴嘴經濟運行指標對比

5 結 語

新型噴嘴自2006年8月29日投運后，最長連續運行時間達208 d，期間合成氣成分、渣中可燃物、產量、消耗等各項主要指標均優于設計指標；霧化效果穩定周期大于普通噴嘴，使用壽命比普通噴嘴提高2倍。新型耐磨噴嘴的成功應用，延長了德士古氣化爐的運行周期，節約了大量的檢修及開停車費用。新型耐磨噴嘴的成功應用，是煤氣化技術的又一次重大突破。