提高氣化爐燒嘴使用壽命的實踐

周運動，張 濤，張宇翠

（1.兗礦新疆煤化工有限公司，新疆 烏魯木齊830000；2.洛陽利爾耐火材料有限公司，河南 洛陽471023）

四噴嘴氣化爐作為兗礦新疆煤化工有限公司氣化裝置的主要反應(yīng)容器，其以純氧和水煤漿為原料，通過三通道預(yù)膜式燒嘴， 在高速流動氧氣的作用下完成煤漿的良好霧化，同時使煤漿和氧氣充分混合，并向爐內(nèi)噴射，使之在1 400 ℃高溫及6.5 MPa 高壓下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成以CO 和H2為有效成分的煤氣，作為合成氨生產(chǎn)的原料氣。

氣化燒嘴是煤氣化爐的核心設(shè)備，但在生產(chǎn)實踐中，氣化燒嘴常因外氧噴頭龜裂、煤漿環(huán)隙變大、冷卻水管燒壞等原因被迫更換，平均使用壽命較短，成為制約氣化爐安全穩(wěn)定長周期運行的關(guān)鍵[1]。為提高氣化燒嘴的使用壽命，我們開展了一系列分析及研究工作。

1 影響氣化燒嘴使用壽命的因素分析

影響氣化爐燒嘴使用壽命的因素主要有以下幾方面。

1.1 惡劣的工作環(huán)境

氣化爐燒嘴使用過程中， 長時間處于高溫（1 350～1 450 ℃）、高壓（最高達(dá)8.5 MPa）、純氧、熔渣腐蝕、高溫火焰（火焰局部溫度高達(dá)2 000 ℃）的強烈輻射及氧氣、 水煤漿/灰渣的高速沖刷磨損等，使用環(huán)境苛刻，導(dǎo)致燒嘴外氧噴頭龜裂、煤漿環(huán)隙變大、冷卻水管燒壞等問題，無法繼續(xù)使用。

1.2 工藝操作問題

氣化爐運行過程中，煤種頻繁變化、選煤配煤不合理、操作溫度及壓力的大幅波動、超負(fù)荷運行等，將加速燒嘴的損毀。

1.3 燒嘴設(shè)計及質(zhì)量問題

燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材不合理，產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，冷卻水管焊縫多或焊接質(zhì)量有問題導(dǎo)致開焊、冷卻水進(jìn)出分布不合理等，均會導(dǎo)致燒嘴使用壽命縮短[1]。

2 提高氣化燒嘴使用壽命的措施

針對上述燒嘴使用壽命的影響因素， 我公司制定了相應(yīng)的解決方案，并逐一驗證，以期提高燒嘴的在線壽命。

2.1 燒嘴頭部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

燒嘴頭部直接接觸物料，受到高溫、灰渣及高速氣流的沖刷等，工作環(huán)境最為苛刻。在燒嘴頭部設(shè)置保護(hù)套，使燒嘴室形成相對封閉的空間，可有效防止氣化爐內(nèi)煤灰渣進(jìn)入， 一方面可減輕燒嘴腐蝕及沖刷，便于燒嘴的拆裝[2]；另一方面，可延長燒嘴的使用壽命。 氧化鋁空心球澆注料強度適中， 導(dǎo)熱系數(shù)低（≤0.9 W/（m·K）），隔熱效果好，在高溫、高還原氣氛下長期使用理化性能穩(wěn)定，具有優(yōu)良的高溫性能。將該澆注料包裹在燒嘴頭部， 對燒嘴外噴頭及冷卻水盤管形成保護(hù)，有效隔離合成氣及煤灰渣，避免燒嘴過早龜裂破壞[3]。 在生產(chǎn)實踐中，我公司對澆注料的包裹位置、材料增強技術(shù)、澆注及養(yǎng)護(hù)方法等進(jìn)行了一系列探索。

2.1.1 包裹位置探索

我公司氣化爐用工藝燒嘴盤管共8 環(huán)， 使用中分別包裹1~8 環(huán)進(jìn)行使用效果對比， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）包裹3 環(huán)（見圖1）時燒嘴的使用性能可達(dá)到最佳狀態(tài)，即燒嘴冷卻效果好、冷卻循環(huán)水壓力波動小；（2）包裹的環(huán)數(shù)過少（＜3 環(huán)）時，燒嘴壽命無明顯延長；（3）包裹的環(huán)數(shù)過多時，因澆注料蓄熱-導(dǎo)熱作用，冷卻盤管內(nèi)部易生成氣泡，導(dǎo)致循環(huán)水壓力波動。

圖1 燒嘴頭部澆注料包裹效果圖

2.1.2 澆注料增強

使用過程中，燒嘴頭部包裹的澆注料在熱應(yīng)力、機(jī)械沖刷、重力等作用下易出現(xiàn)龜裂、侵蝕，甚至整體從燒嘴上剝離、脫落，從而失去對燒嘴的保護(hù)。 為防止?jié)沧⒘蟿冸x、脫落，我公司在燒嘴頭部設(shè)置環(huán)繞噴頭及冷卻水管的鐵絲網(wǎng)， 然后進(jìn)行澆注料保護(hù)套的施工。 鐵絲網(wǎng)在澆注料與燒嘴間起到了“加固增強”作用，提高了兩者的整體性，可有效防止?jié)沧⒘蟿冸x及脫落，在實際使用中取得了良好效果。圖2 為鐵絲網(wǎng)布置及使用40 d 后的燒嘴。

圖2 燒嘴頭部鐵絲網(wǎng)分布及使用效果實物圖

2.1.3 澆注模具設(shè)計及養(yǎng)護(hù)

為方便氧化鋁空心球澆注料施工， 我公司設(shè)計制作了專用澆注模具。 澆注時，燒嘴橫臥水平放置，對燒嘴出料口粘貼膠帶進(jìn)行保護(hù)。 模具分上下兩個部分， 調(diào)整好下部模具與燒嘴的相對位置后固定模具，先進(jìn)行燒嘴下部澆注料的澆注；再放置并固定模具的上半部分，然后進(jìn)行燒嘴上部澆注料的澆注，最后對縫隙進(jìn)行填充即完成澆注。

燒嘴保護(hù)套澆注完成后一般要在5 ℃以上環(huán)境下靜置24 h，使?jié)沧⒘蠋Ｗ匀火B(yǎng)護(hù)。 24 h 后，澆注料具備一定強度后脫模，自然風(fēng)干后備用。

2.2 燒嘴冷卻水進(jìn)出口位置調(diào)整

生產(chǎn)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，燒嘴冷卻水進(jìn)出口位置也會影響燒嘴的使用壽命。 我公司燒嘴冷卻水進(jìn)口和出口在同一水平面上，即循環(huán)水流向為平進(jìn)平出，使用過程中發(fā)現(xiàn)盤管中的氣泡不能及時排除易造成管路內(nèi)壓力波動，影響冷卻效果。 對此，我公司將冷卻水進(jìn)口和出口位置進(jìn)行了調(diào)整， 將其改為垂直分布，下端為進(jìn)水口，上端為出水口，即循環(huán)水的流向改為低進(jìn)高出（見圖3）。 調(diào)整后，管中氣泡可從上端及時排除，降低了管路內(nèi)的壓力波動，提高了換熱效果，從而延長了燒嘴的使用壽命。

2.3 減少燒嘴焊縫數(shù)量

我公司燒嘴冷卻水盤管上有兩道焊縫（見圖4），由于夾渣、氣泡等焊接質(zhì)量問題，在使用中曾出現(xiàn)過焊縫開裂事故， 影響了燒嘴使用壽命及氣化爐的安全運行。 對此，我公司取消了該焊縫，將冷卻水管直接與燒嘴噴頭處冷卻水夾套焊接， 維修時將冷卻水盤管整體更換，以消除燒嘴使用中的安全隱患，取得了良好的使用效果。

圖3 調(diào)整后燒嘴冷卻水進(jìn)出口位置示意圖

圖4 燒嘴冷卻水管焊縫位置示意圖及調(diào)整后盤水管結(jié)構(gòu)實物圖

2.4 加強燒嘴質(zhì)量及裝配質(zhì)量管控

燒嘴的頭部材料為耐高溫、 高壓及抗腐蝕的特殊鋼材， 使用前嚴(yán)格檢查材質(zhì)成分是否符合設(shè)計要求。 燒嘴生產(chǎn)或檢修時對燒嘴冷卻水盤管等部件嚴(yán)格檢查，包括材料性能尺寸、表面質(zhì)量等，禁止不合格產(chǎn)品安裝到設(shè)備上，制造商要提供產(chǎn)品質(zhì)量證明、材質(zhì)證明、檢驗報告、無損檢測報告等，從細(xì)節(jié)上嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，從而確保燒嘴的長周期安全運行[4]。

2.5 穩(wěn)定工藝操作條件

穩(wěn)定的工藝操作條件是保證燒嘴正常使用的關(guān)鍵，操作不規(guī)范會加快燒嘴的磨損。 對此，我公司對操作人員進(jìn)行了嚴(yán)格培訓(xùn)并不定時抽檢， 確保操作工藝參數(shù)合理、調(diào)控精細(xì)。 在原料選擇方面，我公司盡量選用黏溫特性好的煤種，以適當(dāng)降低操作溫度。對于不同批次的原料進(jìn)行預(yù)檢， 盡量保證原料的質(zhì)量均一穩(wěn)定。在設(shè)備開車過程中負(fù)荷增加平穩(wěn)，避免超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，保證氣化爐內(nèi)的溫度和壓力保持平穩(wěn)，有效地提升了燒嘴的使用壽命。

3 提高氣化爐燒嘴使用壽命改進(jìn)措施的效果

經(jīng)過上述措施的控制和優(yōu)化改進(jìn)， 我公司氣化爐燒嘴的使用壽命得到了大幅延長， 燒嘴使用壽命由20～30 d 提高到目前的80 d 左右。 燒嘴的長周期平穩(wěn)運行可減少開停車次數(shù)， 減少對爐磚的異常沖蝕， 延長氣化爐爐磚的使用壽命并提高企業(yè)的整體效益。

4 結(jié)語

氣化爐燒嘴的使用壽命與其工作環(huán)境（如高溫、高壓、熔渣腐蝕、高速氣體及水煤漿/灰渣的沖刷等）相關(guān)，還與煤種穩(wěn)定性、操作溫度及壓力、冷卻水管焊縫數(shù)量、 焊接質(zhì)量、 冷卻水進(jìn)出口位置及燒嘴結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等密切相關(guān)。采取在燒嘴頭部設(shè)置加強筋及澆注保護(hù)套、調(diào)整冷卻水進(jìn)出口位置、減少冷卻水盤管焊縫數(shù)量、加強燒嘴/裝配質(zhì)量管控及穩(wěn)定工藝操作條件等措施，可顯著提高燒嘴的使用壽命。