水煤漿氣化爐工藝燒嘴損壞問題分析與改進

劉立國

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154111）

0 引言

氣化爐是水煤漿加壓氣化裝置的核心設備，而與氣化爐匹配的工藝燒嘴則是關系到氣化爐能否長周期穩定運行的關鍵因素之一。工藝燒嘴的作用是將前端輸送來的水煤漿、中心氧和外環氧通過燒嘴的噴頭同時噴射進氣化爐燃燒室內進行燃燒，進而產生粗煤氣。這是水煤漿氣化工藝原料匯集反應所經過的第一道關卡，一旦出現問題將會導致整套工藝系統停車，進而造成重大經濟損失，甚至出現安全事故，因此需要對工藝燒嘴進行定期檢查更換。本文對氣化爐工藝燒嘴損壞的相關問題進行闡述和分析，提出相應的解決對策。

1 問題的提出

中海石油華鶴煤化有限公司3052 大顆粒尿素項目配備3套氣化爐系統，2015 年4 月開車投料運行，采用GE 三流式工藝燒嘴。工藝條件：煤漿濃度60%～65%；氧氣濃度99.6%；氣化溫度1387 ℃；氣化爐設計壓力7.15 MPa；氣化爐操作壓力6.5 MPa。

運行1 年以后，2016 年2 月，C#氣化爐因工藝燒嘴冷卻水盤管及外噴頭端面損壞，導致聯鎖停車，更換一件噴頭或冷卻水盤管的費用都在10 萬元以上。在后續備爐檢修期間檢查均發現工藝燒嘴的中噴頭（煤漿噴頭）磨損嚴重、形成刃狀，內徑尺寸變化較大，外噴頭端面沖蝕、龜裂嚴重等現象，為防止燒嘴損壞引起聯鎖停車，容易引發設備損壞及安全事故，需頻繁停車更換燒嘴，燒嘴的使用壽命在40～60 d，大大增加了企業生產成本。

2 問題分析

2.1 工藝燒的嘴噴頭結構及工作原理[1]

2.1.1 工藝燒嘴噴頭結構

德士古工藝燒嘴是氣化裝置的關鍵設備，一般為三流道外混式結構，中心管和外環隙走氧氣，內環隙走煤漿，噴頭外側為冷卻水盤管。工藝燒嘴噴頭結構如圖1 所示。

圖1 噴頭示意

2.1.2 工作原理[2]

德士古三流式工藝燒嘴有3 個流道，開車投料時3 層介質按照比例同時噴入事先升溫到1200 ℃的氣化爐燃燒室中，爆燃后投料成功。在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化，以便于在氣化爐內發生充分的氣化反應。由于燒嘴插入氣化爐燃燒室中，承受1200 ℃到1400 ℃的高溫，為防止損壞，在燒嘴外側設置了冷卻盤管，在燒嘴頭部設置了水夾套，有一套單獨的系統向燒嘴提供2.0 MPa 冷卻水。為防止外噴頭水夾套或冷卻水盤管損壞，爐內高壓易燃易爆的粗煤氣反竄入冷卻水系統，還設置了復雜的安全停車聯鎖系統。

2.2 分析[3]

（1）中噴頭沖蝕磨損。由于水煤漿在高速中心氧的作用下從中噴頭噴出，其中含有大量的煤粉和石灰石等固體顆粒，所以，物理磨損是中噴頭沖蝕損壞的主要原因。

（2）外噴頭損壞。最常見的形式為噴嘴周邊呈環狀、放射龜裂，嚴重情況會出現裂開或孔洞。原因分析：①熱沖擊作用。外噴頭端面朝向1400 ℃的爐內，在高速煤漿、氧氣以及回流的工藝氣體沖刷作用下，金屬材料的制造缺陷會顯現且不斷擴大；②化學因素的影響。噴頭處的氧濃度高，高溫下金屬材料會發生氧化反應，性能發生改變。此外，煤炭中富含的硫也會使噴頭表面產生硫化腐蝕反應；③應力作用的影響。由于外噴頭的V 形結構，導致其厚度變化較大，應力集中，龜裂就是從噴頭的口部開始的。加之冷卻效果不佳，熱量不能及時帶走，材料發生晶相失效等諸多因素導致了外噴頭的損壞。

（3）冷卻水盤管。冷卻水盤管損壞形式主要表現為焊縫裂紋、燒蝕孔洞、沖蝕減薄等。焊縫裂紋主要由于燒嘴入爐段與冷卻水盤管的線性膨脹程度不一樣，產生應力所致。燒蝕孔洞主要原因是水量低或斷水時長時間高溫灼燒造成的。工藝氣回流沖刷及硫化氫的腐蝕是冷卻水盤管減薄的主要因素。另外在停車拔燒嘴時，由于工藝燒嘴與氣化爐內壁之間的空隙處經常會出現回流產生的積渣，也容易造成盤管的損壞。

3 改造措施

針對以上分析，與北京航天石化技術裝備工程有限公司進行技術交流，并依托其技術優勢對工藝燒嘴的易損部位進行了技術改進，主要有以下3 點。

（1）中噴頭（煤漿噴頭）改進。中噴頭材料為Inconel600，針對水煤漿的物理磨損，在原設計的尺寸結構保持不變前提下，在噴頭內壁噴涂了一層1 mm 厚的針對水煤漿的抗耐磨硬質合金材料，大大提高了噴頭的抗磨性能，如圖2 所示。改造前后中噴頭使用后的對比情況如圖3 所示。運行82 天的耐磨燒嘴，從中噴外觀上看，沒有形成刃狀，實際測量中噴內徑Φ32.65 mm，標準值Φ32.5 mm，幾乎為原始狀態。

（2）外噴頭改進。首先，外噴頭在原Inconel600 基材不變情況下，冷卻水流道的結構由原來的V 形改為環形，改善了冷卻效果及減小厚度變化產生的應力；其次，噴頭端面由原來的橢圓形改為平面，在向火端面噴涂耐熱、耐腐蝕的陶瓷層，用以延長使用壽命。原始外噴頭與改造后的外噴頭如圖4 所示。使用后的對比效果如圖5 所示。

圖2 改后的中噴頭

圖3 中噴頭改造前后使用情況對比

圖4 外噴頭改進前后外管對比

圖5 兩種形式使用后效果對比

從外噴端面上的龜裂來看，改進后的耐磨燒嘴比普通燒嘴要強很多。從測量數據來看，外噴內徑Φ44.7 mm，標準值Φ44 mm，磨損程度輕，磨損量很小，效果很好。

（3）冷卻水盤管。冷卻水盤管的材料選擇上選用高溫性能穩定且耐腐蝕的材料，目前最好的是Inconel625 材料。針對焊縫開裂問題，將接管角焊縫改為對接焊縫，以減小應力影響；另將冷卻水盤管厚度適當增加，以增強抗工藝氣回流沖刷和硫化氫的腐蝕性能。

4 結束語

目前中海石油華鶴煤化有限公司6 臺工藝燒嘴均已改造完成，燒嘴的運行周期由原來的平均45 天到改造后運行86 天沒有出現問題，安全穩定。通過近兩年的實際運行來看，氣化爐更換燒嘴次數減少近半，每年節約因更換燒嘴開停車的成本消耗上千萬元。每臺燒嘴的改造費用僅十幾萬元，小投入換來了大效益，為公司生產運行安、穩、長、滿、優提供了有力保證，達到了改造目的。可見，本次對氣化爐工藝燒嘴的改造行之有效。