氣化爐燒嘴燒蝕分析及應(yīng)對(duì)措施

文/張穎 馬小剛

對(duì)氣化爐燒嘴燒蝕情況進(jìn)行分析，為氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供支持和解決方案——水煤漿氣化爐運(yùn)行過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)燒嘴燒蝕情況，嚴(yán)重影響氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行，本文從實(shí)際運(yùn)行工況出發(fā)，詳細(xì)進(jìn)行了氣化爐燒嘴燒蝕分析并提出應(yīng)對(duì)措施，希望能為相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供必要的支持。

燒嘴的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行，隨著運(yùn)行工況的改變、煤種的多元化、燒嘴多次修復(fù)等一系列相關(guān)因素的共同影響，近年來(lái)燒嘴燒蝕問(wèn)題尤為突出，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性角度出發(fā)，確實(shí)需要從根源分析燒嘴燒蝕原因，并探尋燒嘴長(zhǎng)周期運(yùn)行方案。

燒嘴相關(guān)工藝介紹

燒嘴結(jié)構(gòu)

工藝燒嘴是水煤漿氣化的關(guān)鍵設(shè)備之一，其霧化特性的好壞將直接影響合成氣的主要成分組成和碳的轉(zhuǎn)化率狀況。因?yàn)楣に嚐斓氖褂闷谙抟矔?huì)直接影響著氣化爐能否實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，所以要求燒嘴應(yīng)該符合以下關(guān)鍵特性：霧化良好，并具有適當(dāng)?shù)撵F化角度。工藝燒嘴為三流道結(jié)構(gòu)，它是由3根同心的噴管組裝成的，氧氣走中心管道及外環(huán)隙，煤漿走內(nèi)環(huán)隙。燒嘴運(yùn)行工況處于高溫下，所以為保護(hù)頭部管道，在燒嘴端處設(shè)置冷盤管和水夾套，同時(shí)利用通入的降溫后的脫鹽水來(lái)冷卻管道，減少、抑制高溫燃蝕。

燒嘴冷卻水流程、指標(biāo)及相關(guān)聯(lián)鎖

1.燒嘴冷卻水流程簡(jiǎn)介

在水煤漿氣化工藝中，為延長(zhǎng)工藝燒嘴的使用壽命，有一套專門針對(duì)燒嘴頭部進(jìn)行冷卻的燒嘴冷卻水系統(tǒng)。來(lái)自管網(wǎng)系統(tǒng)的除鹽水首先送入氣化裝置的脫鹽水儲(chǔ)槽，經(jīng)過(guò)水泵增壓后，除鹽水被送入脫鹽水換熱器，然后冷卻后的脫鹽水分4路分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工藝燒嘴的冷卻盤管，單燒嘴冷卻水流速：12 m3/h。出燒嘴冷卻盤管的除鹽水，分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的燒嘴冷卻回水分離罐中，燒嘴冷卻回水分離罐不間斷通入低壓氮，作為CO分析的載氣，最后燒嘴冷卻回水分離罐的載氣經(jīng)過(guò)放空管排入大氣。在每個(gè)放空管上分別安裝CO監(jiān)測(cè)器，一旦冷卻盤管燒穿，氣化爐內(nèi)的合成氣則泄漏進(jìn)入冷卻水后，放空管上的CO監(jiān)測(cè)器會(huì)發(fā)出報(bào)警，從而能及早提醒操作人員采取相應(yīng)的處置措施，燒嘴冷卻回水分離罐的除鹽水依靠重力作用流回到燒嘴冷卻水槽內(nèi)。

為了保證燒嘴冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行，燒嘴冷卻水系統(tǒng)有獨(dú)立的聯(lián)鎖設(shè)置，聯(lián)鎖依據(jù)為燒嘴冷卻水總管壓力，當(dāng)其低于壓力整定值2.0 MPa時(shí)，燒嘴冷卻水備用泵自起動(dòng)；壓力低于整定值1.5 MPa時(shí)，事故燒嘴冷卻水泵起動(dòng)；當(dāng)壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，事故燒嘴冷卻水罐出口閥打開(kāi)向燒嘴提供冷卻水，同時(shí)事故燒嘴冷卻水槽液位低100 mm或燒嘴冷卻水進(jìn)口流速低于6 m3/h會(huì)引發(fā)氣化爐聯(lián)鎖停車。

2.燒嘴冷卻水流程主要指標(biāo)

正常運(yùn)行時(shí)燒嘴冷卻水指標(biāo)主要為進(jìn)出口流速、入口壓力、出口溫度以及一氧化碳含量；燒嘴冷卻水進(jìn)口、出口流速：11～13 m3/h ；燒嘴冷卻水入口壓力：2.6 MPa；燒嘴冷卻水回水溫度：27℃（冬季）；燒嘴冷卻水回水一氧化碳含量：0 ppm；

3.燒嘴冷卻水相關(guān)聯(lián)鎖

燒嘴冷卻水聯(lián)鎖1：出口溫度高（60℃），入口壓力高（2.8 MPa），入口流速低（6 m3/h），三選二，則燒嘴冷卻水進(jìn)、出口閥關(guān)，停車；燒嘴冷卻水聯(lián)鎖2：燒嘴冷卻水入口流速低（6 m3/h），則燒嘴冷卻水進(jìn)、出口閥關(guān)，停車；燒嘴冷卻水聯(lián)鎖3：燒嘴冷卻水出口流速高（18 m3/h），則燒嘴冷卻水進(jìn)、出口閥關(guān)，停車；燒嘴冷卻水聯(lián)鎖3：燒嘴冷卻水入口－出口流速差（6 m3/h）、燒嘴冷卻水出口－入口流速差（6 m3/h）；則燒嘴冷卻水進(jìn)、出口閥關(guān)。以上聯(lián)鎖觸發(fā)均可引起對(duì)應(yīng)單對(duì)燒嘴停車。

燒嘴燒蝕現(xiàn)象

氣化爐運(yùn)行52天，出現(xiàn)單對(duì)燒嘴不明原因跳車，檢查中控室SIS畫面如圖1所示，發(fā)現(xiàn)該對(duì)燒嘴冷卻水進(jìn)出口閥門關(guān)閉，燒嘴跳車前燒嘴進(jìn)口流速13 m3/h、出口流速13 m3/h、出口溫度28℃，燒嘴冷卻水系統(tǒng)指標(biāo)均正常無(wú)波動(dòng)。跳車前氣化爐壓力5.78 MPa、氧氣壓差1.09 MPa、氧氣流速9 810 m3/h、中心氧流速1 800 m3/h、煤漿流速19.8 m3/h、 煤漿壓力5.84 MPa、燒嘴壓差0.24 MPa等各項(xiàng)指標(biāo)均平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)。

圖1 中控室SIS畫面出現(xiàn)單對(duì)燒嘴不明原因跳車現(xiàn)象

泄漏前30 min燒嘴冷卻水回水CO報(bào)警曲線，如圖2所示， 事故發(fā)生前回水CO報(bào)警無(wú)明顯變化，事故發(fā)生瞬間CO報(bào)警并滿量程。

圖2 燒嘴冷卻水回水CO報(bào)警曲線

氣化爐運(yùn)行周期內(nèi)負(fù)荷偏低，轉(zhuǎn)速基本在770～980 r/min調(diào)整。煤種變化較大，共更換配煤12次，煤漿灰分偏高，平均值為9.36%，最高值為11.47%，最低值為7.76%，控制值為≤8%，煤漿灰熔點(diǎn)也逐漸升高，平均值為1 130℃，最高值為1 220℃，最低值為1 090℃。

燒蝕判斷

根據(jù)以上信息，同時(shí)考慮到燒嘴運(yùn)行周期較短且長(zhǎng)時(shí)間處于正常負(fù)荷的68%～86%負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，初步判斷燒嘴無(wú)問(wèn)題，懷疑閥門誤動(dòng)作導(dǎo)致。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)為避免燒嘴燒壞，遂立即再次投用燒嘴冷卻水系統(tǒng)，13:45燒嘴冷卻水進(jìn)口、出口閥門全部打開(kāi)。開(kāi)閥后控制室監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)燒嘴冷卻水進(jìn)口流速0 m3/h，出口流速由20 m3/h降至0 m3/h，操作人員立即關(guān)閉燒嘴冷卻水進(jìn)出口閥，該對(duì)燒嘴停車并緊急拍停氣化爐另外一對(duì)燒嘴，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該燒嘴已燒穿。

復(fù)盤分析

燒嘴泄漏前各工藝運(yùn)行穩(wěn)定，燒嘴壓差相對(duì)穩(wěn)定無(wú)明顯波動(dòng)。燒嘴泄漏前半小時(shí)氧氣流速、煤漿流速無(wú)明顯波動(dòng)：燒嘴冷卻水流量曲線、壓差曲線、冷卻水溫度平穩(wěn)無(wú)明顯波動(dòng)。燒嘴端面運(yùn)行52天燒損情況與其他1#、3#、4#三臺(tái)情況基本一致。初步判斷該燒嘴屬于燒嘴端面上部瞬間爆開(kāi)，出現(xiàn)大面積泄漏，觸發(fā)燒嘴冷卻水聯(lián)鎖跳車。如圖3所示，燒嘴端面上部出現(xiàn)沖刷狀空洞，其他部位燒蝕正常，無(wú)明顯燒蝕。燒嘴盤管燒蝕嚴(yán)重，斷口呈爆破狀。燒嘴室靠近盤管前部彎頭焊縫處上方耐火磚燒蝕嚴(yán)重。結(jié)合相關(guān)工藝數(shù)據(jù)和燒蝕情況分析，其原因可能有以下幾點(diǎn)。

圖3 燒嘴燒穿實(shí)況

1.氣化爐內(nèi)局部流場(chǎng)紊亂等原因?qū)е虏糠秩墼钦Ｂ湓诨厮軓濐^附近，該熔渣溫度非常高，而該區(qū)域又是富氧環(huán)境，熔渣富氧燒蝕，致使盤管前擋板和回水管（或外氧端蓋）在瞬間內(nèi)被燒壞或擊穿，冷卻水大量泄漏，觸發(fā)聯(lián)鎖條件，氣化爐跳車、冷卻水進(jìn)出口閥聯(lián)鎖關(guān)閉。

2.煤質(zhì)變差，熔渣滴落到燒嘴盤管或端蓋處，致使燒嘴盤管或端蓋受熱不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力破壞。

3.燒嘴噴頭端蓋由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在運(yùn)行中受熱膨脹量不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致燒嘴損壞。

4.從其他3臺(tái)燒嘴盤管擋板檢查圖片也能看出擋板有明顯擊穿孔洞或燒損現(xiàn)象，如圖4所示，1#燒嘴盤管前部擋板擊穿不規(guī)則孔洞；3#燒嘴擋板缺失 1/3 的大小；4#燒嘴擋板上部幾乎全部燒損。

圖4 3臺(tái)燒嘴盤管擋板燒穿情況

應(yīng)對(duì)措施

1.煤場(chǎng)增加監(jiān)控，嚴(yán)格按照下發(fā)方案配比進(jìn)行配煤，確保配煤均勻，化驗(yàn)室增加煤漿灰熔點(diǎn)分析頻次監(jiān)控配煤均勻度。

2.氣化裝置關(guān)注入廠煤灰熔點(diǎn)數(shù)據(jù)，針對(duì)灰熔點(diǎn)偏高煤種，入爐前提前調(diào)整氣化爐操作爐溫。

3.設(shè)備部與原料裝置共同考察增加原料煤除雜裝置，減少原料煤中雜物。

4.對(duì)燒嘴質(zhì)量驗(yàn)收層層把關(guān)，建立燒嘴驗(yàn)收臺(tái)賬，提高氣化爐燒嘴本身質(zhì)量。

5.氣化裝置通過(guò)合成氣出工段閥自主控制氣化爐壓力在6.45±0.05 MPa，制定系統(tǒng)負(fù)荷壓力對(duì)照表，從而穩(wěn)定氣化爐操作壓力。

結(jié)論

1.氣化爐因市場(chǎng)因素采用多煤種摻燒，粘溫特性波動(dòng)、灰分偏高，燒嘴端面渣膜厚度波動(dòng)，燒嘴端面掛渣導(dǎo)致外環(huán)氧偏流造成富氧環(huán)境下火焰偏噴，是燒嘴頭部燒蝕損壞的主要原因。

2.該燒嘴室M1喇叭口爐磚磨損量增加，燒嘴上部回旋流場(chǎng)影響及夾帶灰渣量增加，對(duì)燒嘴端部冷卻水盤管燒蝕也有一定影響。

3.根據(jù)目前燒嘴尺寸及運(yùn)行參數(shù)，請(qǐng)燒嘴修復(fù)廠家進(jìn)行燒嘴出口流體CFD仿真模擬和強(qiáng)度ANSYS分析，對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)一步優(yōu)化。

4.燒嘴端面冷卻水夾套結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，受熱膨脹不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力是導(dǎo)致端面龜裂的主要原因，今后考慮優(yōu)化端面結(jié)構(gòu)或?qū)⒈P管水冷改為夾套水冷。

5.根據(jù)目前燒嘴端面上部冷卻水盤管損壞問(wèn)題，可考慮更改冷卻水盤管進(jìn)燒嘴水冷夾套的方向，并制作保護(hù)燒嘴頭部和盤管的澆注料專用模具。

6.工藝燒嘴維修要嚴(yán)格規(guī)范焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

7.工藝燒嘴中心長(zhǎng)期受煤漿沖刷磨損減薄，而造成運(yùn)行過(guò)程中擺動(dòng)，影響流體穩(wěn)定性，對(duì)燒嘴穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響。

8.燒蝕燒嘴故障前氧量波動(dòng)，還要繼續(xù)進(jìn)行原因分析。

9.需要不斷學(xué)習(xí)和擴(kuò)大認(rèn)知范圍，加強(qiáng)對(duì)同類型行業(yè)的考察交流，并逐步學(xué)習(xí)、熟練各種設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件、力學(xué)計(jì)算軟件的應(yīng)用。