四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的影响因素分析

四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的影响因素分析

王思慧朱健

兖矿集团鲁南化工有限公司山东滕州277500

摘要：工艺烧嘴是水煤浆气化装置的核心设备，是影响水煤浆气化炉长周期运行的重要因素之一，由此可见，工艺烧嘴的使用寿命严重制约了煤化工的发展。本文介绍了四喷嘴气化炉工艺炉过程烧嘴的要求，并分析了烧嘴失效的表现，并提出了延长过程燃烧器使用寿命的措施。

关键词：四喷嘴气化炉；烧嘴；使用寿命；影响因素

1工艺烧嘴的简介

工艺烧嘴的结构为同心三套管外混形式，由里至外分别为中心氧管、煤浆管、外环氧管，其工艺烧嘴结构如图1所示。为使喷嘴免受高温影响，外氧喷头的头部（向火面）采用夹层冷却，冷却水直接进入向火面冷却室以冷却向火面金属，出冷却室的冷却水沿喷嘴绕旋8周后经法兰流出炉外。3只喷头均设计成缩口形式，中心氧喷头设计成缩口的目的是提高中心氧的流速，加速后中心氧管煤浆管外氧管气化炉烧嘴与气化炉本体连接法兰的氧气再对水煤浆进行稀释和初加速，改善水煤浆的流动性能，强化雾化效果，同时牵引烧嘴的火焰，使气化反应区域在炉膛内达到一个理想的范围。水煤浆喷头设计成缩口形式的目的是使水煤浆具备一定的速度。外氧喷头的缩口比例更大，目的是提供更高流速的氧气，使水煤浆在气化炉内获得良好气化效果。工艺介质氧气体积分数≥99．6％，压力为6．0MPa；水煤浆质量分数60％左右。由于工艺烧嘴工作在高温、高冲刷、高腐蚀性的环境中，其本体及喷头部位均采用耐高温、耐腐蚀的特殊材料制作，其中喷头材质为Co50，本体及冷却盘管材质为Inconel600。3股物流射出喷嘴，水煤浆的内侧和外侧为高速流动的氧流股，且与水煤浆呈一定交汇角；氧流股通过高速剪切、振动等方式使水煤浆雾化。

2对工艺烧嘴的要求

由于气化炉中的水煤浆具有浓度高、具有一定粘度、雾化困难且不均匀等特征，工业上要求工艺烧嘴具备以下特点：第一，雾化性能，以最佳方式使水煤浆进行雾化，提高与氧气的混合效果；第二，气化反应，为气化反应创造良的条件，提高碳的转化率和有效组分的含量；第三，喷射形状，应避免因工艺烧嘴喷射状况不佳而导致过量冲刷；第四，操作弹性，保证烧嘴的流通量应具有弹性，能够维持相对优化的气化效果；第五，适应炉温，如果烧嘴材料能够适应气化炉的高温，能够简化系统工艺，提高工艺操作的安全性；第六，寿命和安全性，提高工艺烧嘴的寿命和安全性能够有效增加气化工作的有效周期，应当注意其平衡分压。

3分析工艺烧嘴损坏的原因

3.1安装拆卸烧嘴的过程复杂繁琐

在安装烧嘴时其过程过于复杂繁琐，操作失误会引起烧嘴的损坏。比如安装过程中，烧嘴与烧室不处于同一水平线上，会造成烧嘴倾斜，烧嘴的头部盘管与烧嘴室壁互相干涉，增加安装的困难性。而且烧嘴使用经过一个周期之后需要进行拆卸，其过程也十分困难，但这一操作可能引起冷却水盘管的损坏，并且经过仔细检查盘管会由于外拉作用，长度被拉长损坏而且盘管的外部会堆积大量残渣，其主要原因是气化炉停车后，在烧嘴室内堆积大量熔渣，大量残渣包住烧嘴的盘管经过冷却凝固为一体，严重影响拆卸工作，增加了盘管被拉坏的几率。

3.2烧嘴盘管损坏的原因

根据研究得出影响烧嘴稳定运行周期长短的主要原因是，烧嘴冷却水盘管的使用寿命。通常烧嘴冷却水盘管损坏的表现为，其前部弯头与喷头连接处等焊接缝的开裂，导致其冷却水的泄露，必须停车更换新的烧嘴配件，影响烧嘴稳定运行的有效周期，对气化系统的安全运行周期有限制作用。主要原因是焊接处存在应力作用，并且焊接缝处使用的是角焊的方法，由于厚度和使用材料的不同，气体、残渣具有腐蚀性，经过长期使用会产生细小的裂纹，这些裂纹会逐渐扩大最终造成开裂，这些都是造成开裂的主要原因。

3.3外喷头表面龟裂

在烧嘴的正常使用中，随着时间的推移，在烧嘴外喷扣边缘会出现密集性的径向放射裂纹和及不规则的龟裂，当龟裂面积超过断面壁厚的50％时，则需要更换新的配件。喷头的材质为Co50在选取材料时一定要进行严格审查，因为其表面长期受到高温热辐射影响，使用寿命受到其影响。

4应对策略

4.1冷却水质合格，严控工艺指标

烧嘴罩吸收了煤烧嘴处大部分热量，水夹套则是保护煤烧嘴头不因过热而被烧损的重要部件。冷却水采用脱盐水，须保障水质合格，在水夹套内避免结垢和堵塞发生，以防冷却水回路中压降过高。正常运行中，气化炉压力高于烧嘴冷却水系统压力，一旦烧嘴冷却水盘管出现问题，气化炉中的合成气便会迅速进入冷却水检测系统中，此时烧嘴冷却水系统会迅速出现进口流量降低，进口压力增高，出口温度升高，CO检测系统报警。我公司在正常生产中，对烧嘴冷却水系统的安全逻辑采取烧嘴冷却水进出口电磁阀投自动连锁、CO检测报警、烧嘴冷却水流量、烧嘴冷却水出口温度和进口压力均进入连锁的“三选二”作为冷却水系统安全运行的保障。

4.2开工停工吹扫，氮气正流保护

冷却水在升温阶段，要有氮气对煤烧嘴进行吹扫，确保有正流。一对煤烧嘴停车后，XV1306既烧嘴的小流量氮气保护系统及时启动，起到惰性保护和即时冷却的作用。所有烧嘴在开工、停工时都会依照顺控程序进行氮气吹扫。在制造、维修、保养活动中，确保氧气通道清洁，尤其是在煤烧嘴安装过程中必须确保氧气管线清洁，氧线阀门回装要进行脱脂处理。在煤烧嘴开工、闲置、非正常操作、停工等过程中，要有足够氮气吹扫量避免灰尘进入氧通道，确保氧气清洁。

4.3加强配煤研究，保证煤质稳定

不同煤矿的煤质相差很大，同一煤矿不同作业面的煤质也有较大差异。配煤是保障煤质稳定的重要手段，合格且稳定的煤质是装置长周期运行的基础，正常煤质控制指标为：原煤水分≤8％，灰分12％～25％，灰熔点（FT）1250～1550℃，炉渣黏度25～40Pa•s，挥发分＜35％，哈氏可磨指数（HGI）＞65。煤质改变需及时调整工况，否则可能导致炉温过高，进而影响烧嘴周围温度，影响烧嘴安全。此外，工艺中所用煤粉属于A类粒子，粒度过粗或者过细均不利于煤粉密相输送，一般要求煤粉粒度5～90μｍ占比大于90％；煤粉水分含量偏高时不容易产生静电，速度计也就无法接受足够的电压信号，一般要求煤粉水含量＜2％。可见，粉煤粒径和水分含量对粉线速度和密度测量影响较大，生产中要求煤粉粒径、水分指标合格。

4.4精确定位安装，安全拆卸输运

在煤烧嘴安装过程中，我公司已经有专利技术来进行安装，只是仍有较小可能造成烧嘴损坏，比如运输过程，或者安装过程人为操作不当，所以仍要加强烧嘴的运输和安装的管控。

结束语

影响煤烧嘴使用寿命的因素有很多，包括煤质控制、煤负荷调整、氧煤比设置、烧嘴冷却水工况、氮气吹扫和保护、安装输运等。为此，本文针对性地提出了数条应对策略，防止煤烧嘴因机械损伤。

参考文献：

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[2]郑忠利，贾勇，龚双喜，等.水煤浆气化工艺烧嘴使用寿命的分析与探讨[J].氮肥技术，2017，34（5）.

[3]邱友志.水煤浆气化炉工艺烧嘴加工技术研究[J].航天制造技术，2018（6）.