多喷嘴对置式水煤浆气化工艺烧嘴维修创新技术

辛争秋，赵 恒，郭 莹，唐 强，杨海军

(北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076)

工艺烧嘴是多喷嘴对置式水煤浆气化技术的关键设备之一，主要用于水煤浆与氧气的高度混合、雾化。工艺烧嘴通常工作在高温高压的苛刻条件下，在约1 300 ℃以上的高温炉膛内，承受着炉内火焰和物料的冲刷；正常情况下，工艺烧嘴一般在使用一段时间后需要维修。在保证工艺烧嘴的产品质量前提下，其使用寿命是工艺烧嘴的重要性能，是影响水煤浆加压气化工艺系统长周期运行的一个主要因素。由于工艺烧嘴维修频繁、价格昂贵，可通过创新维修技术来提高工艺烧嘴的使用寿命，使工艺烧嘴性能提升，延长水煤浆加压气化工艺系统的运行周期，必将推动煤化工技术的发展。因此，对工艺烧嘴制造、维修进行性能改进研究是很有意义的。

1 多喷嘴对置式气化工艺技术优势

自首套多喷嘴对置式水煤浆气化炉投入工业化应用以来，经过研发人员及应用单位技术人员的攻关及改进，其技术水平得到不断提升，装置的运行周期不断延长，运行指标不断优化。与同类技术相比，显示出了突出的技术优势，其主要表现在：①规模大型化，特别是在1 500 t以上的气化炉投资和运行方面优势明显，伊煤集团煤制油项目单炉日投煤量达3 000 t；②有效气体成分高，一般φ(CO+H2)可达84%，碳转化率高，渣中可燃物含量低(其质量分数<5%)；③气化炉负荷调节范围大，可达50%～120%；④废水排放少，环保性能好，基本消除了水煤气带灰现象；⑤黑水余热回收更高效；⑥工艺烧嘴的使用寿命更长，多家企业工艺烧嘴平均使用寿命超过70 d，部分企业创新工艺烧嘴使用寿命平均达100 d左右，上海焦化4号装置的工艺烧嘴无维修累计使用周期最长可达194 d。

2 多喷嘴对置式气化工艺的推广应用

多喷嘴对置式气化工艺明显的技术优势和良好的工业应用效果，使其得到了国内有关部门和用户的支持和认可，在众多煤气化工艺中脱颖而出，得到了广泛的技术推广应用。截止到2016年9月，该技术已在国内外推广应用46家、128台(套)气化炉，其中投入运行60台气化炉。

先进成熟的气化工艺保证了气化装置运行的稳定及指标的优良，目前多套装置运行负荷达到或超过设计值，安徽华谊、神华宁煤、未来能源、江苏华昌等气化装置在投入运行后半年左右便通过了装置性能考核验收，各套装置考核指标优良，特别是煤耗、氧耗、合成气有效成分、碳转化率等主要指标均明显优于设计值。江苏灵谷化工气化装置在双炉1开1备(气化炉冷备)的状况下，保持了装置连续稳定运行的状态，装置投产至今因气化原因造成的系统停车仅1次(非烧嘴原因)。2011—2015年生产装置全年累计运行分别达357，352，355，343，354 d。该技术得到了业内的一致认可，在国内外得到广泛的推广应用，装置建设规模也不断扩大。

3 工艺烧嘴的使用状况及损坏原因分析

3.1 工艺烧嘴的使用状况

工艺烧嘴的工艺原理是将水煤浆与气化剂(纯氧)通过工艺烧嘴喷入高温气化炉内进行快速气化反应而得到产物合成气。工艺烧嘴为三流道内外混合雾化形式，外流道和内流道输送高压氧气，中流道输送高压水煤浆。

区别于德士古工艺烧嘴预混式设计形式，多喷嘴对置式水煤浆气化工艺烧嘴具有其独特的设计特点：多喷嘴对置式气化工艺烧嘴采用预膜、外混式三通道喷嘴(见图1)，3股物流射出喷嘴，煤浆的内外两侧均为高速流动的氧气，氧气通过高速剪切、振动等方式使煤浆实现初级雾化，初级雾化的物料再相互撞击形成二次雾化，在气化炉内完成气化反应过程。

图1 多喷嘴对置式水煤浆气化工艺烧嘴头部示意

由于多喷嘴气化工艺烧嘴合理的预膜式结构设计，使得水煤浆在烧嘴内部特别是煤浆喷头出口的流速远低于德士古工艺，可使工艺烧嘴的正常磨损、侵蚀情况降至最小，工艺烧嘴具有更长的运行寿命和更好的稳定性。

3.2 工艺烧嘴损坏原因分析

工艺烧嘴处在气化炉内1 300 ℃的高温高压环境中，不仅受到气化炉内固体、液体和气体的高速冲刷，还受到强氧化性气氛、液态熔渣的侵蚀，加上气化炉开停车时烧嘴头部较大的温度和压力波动，导致喷口内、外表面的冲刷腐蚀磨损严重。综上因素，水煤浆工艺烧嘴在使用一段时间后，将出现下面几种常见的失效形式。

3.2.1 冷却水盘管损坏

冷却水盘管的作用是保护处于高温工艺气体环境中的外喷头。冷却水盘管的工作环境非常苛刻，其主要损坏形式是冷却水盘管(镍基材料)与外喷头(钴基材料)连接焊缝区域的开裂泄漏(见图2)。该处的焊接形式有V形对接焊缝焊接和插接角焊。该2种焊接形式均为钴基高温合金UMCo50与镍基高温合金Inconel 600的异种材料焊接，由于2种材料之间焊接性能较差，故焊接难度很大。对接焊接时，材料管壁较薄(约3 mm)；角接焊接时，壁厚差别较大，均不利于焊接强度。工艺烧嘴在恶劣的工况下运行时，该焊缝区域内容易产生裂纹缺陷，进而导致焊缝泄漏。

图2 工艺烧嘴典型失效位置示意

3.2.2 中喷头、内喷头物理磨损

为了达到良好的雾化效果，流经工艺烧嘴的介质流速必须达到工艺要求，较高的水煤浆流速将造成中喷头内型面与内喷头外型面磨损。随着设备运行时间的延长，中喷头出口区域壁厚逐渐减薄，运行一段时间后，中喷头内型面和内喷头外型面磨损减薄、偏心，造成工艺烧嘴喷口流速下降、雾化效果变差、气化炉内温度场恶化，需停车对工艺烧嘴的喷头进行修复或更换。

3.2.3 外喷头端面龟裂

影响工艺烧嘴使用寿命的另一种损坏形式是外喷头端面沿径向放射状裂纹及不规则龟裂。外喷头端部环形通道为冷却水腔，通过冷却水对外喷头受热端部进行冷却，外喷头冷却水腔外壁面受到炉内物料冲刷腐蚀以及高温热流、热辐射的影响，在外喷头出口处出现径向放射状裂纹，裂纹随着运行时间的延长逐步扩大、加深；当裂纹发展成贯穿性裂纹时，冷却水腔端面发生泄漏，导致气化炉急停。

针对裂纹产生的原因进行分析，其主要影响因素如下：①由于外喷头端面处在炉内高温(1 300 ℃)的工艺气体环境中，金属材料在此高温条件下长期工作，受到高速煤浆、氧气及高温工艺气体回流的不断冲刷，使材料在冶炼和锻造过程中的所有缺陷逐渐暴露出来，形成不规则的龟裂。②由于外喷头出口处的氧气浓度较高，故金属材料在高温氧化环境中将发生氧化反应和渗碳效应，使金属材料的成分和性能发生变化；另外，煤中含有的硫也会使金属表面发生高温硫化腐蚀。③径向放射状裂纹的源头是外喷头的孔口。该尖角是零件机械加工后应力集中的部位，在高温环境下，应力的释放是造成放射性裂纹的根源，也是外喷头破坏的最主要因素。

3.2.4 堆焊层失效

工艺烧嘴价格昂贵(每台售价几十万元)，而使用寿命一般只有几十天，为了降低工艺烧嘴的维修成本，通常对外喷头端面、中喷头内型面、内喷头外型面堆焊维修后再次使用。目前常用的堆焊用焊材是钴基高温合金UMCo50焊丝，堆焊基材为UMCo50。

堆焊修复步骤如下：去除喷头本体的烧蚀裂纹层，对清理后的基体着色探伤，再进行堆焊修复，最后精加工至图纸要求尺寸。与UMCo50锻件材料相比，堆焊层的金相组织疏松，机械性能相对较低；另外，堆焊层中存在微小气孔与夹杂的风险成为材料失效的原因，会影响工艺烧嘴运行的安全稳定性。

4 工艺烧嘴的创新维修技术

针对上述工艺烧嘴常见的损坏形式，在工艺烧嘴常规修复工序的基础上，北京航天石化技术装备工程有限公司近10年来持续进行了系统的烧嘴创新维修研究工作，成立了材料、工艺、焊接等多个研究小组，与国内先进的航天特种材料及焊接工艺等多家兄弟军工研究单位合作，共同致力于烧嘴的创新维修技术项目研究。从2009年至今，获得航天科技集团公司、中石化集团公司等多个烧嘴创新维修技术研究项目的资助和支持，研究成果丰硕，且在多家生产企业获得了良好的运行实践业绩。创新维修研究工作主要围绕以下几点展开。

4.1 表面处理技术

工艺喷嘴喷头表面采用了航天新颖、前沿的复合处理技术，在烧嘴材料表面结合高性能航天特殊新材料，以降低纯氧烧嘴头部的受损速率，实现极好的表面耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、耐疲劳、抗高温氧化和减摩等多种性能。新型喷头已在上海焦化4号装置、昆山宝盐气体有限公司、安徽华谊化工等多家企业得到应用，高效缓解外喷头龟裂及中、内喷头磨损，喷头正常使用在3个周期以上，磨损量很小。改进后的上海焦化4号装置工艺烧嘴最长使用周期达194 d，大部分装置稳定在3个月左右。

4.2 焊接工艺研究

开展包括钴基、镍基高温合金异种材料对接焊工艺研究、钴基高温合金堆焊工艺研究等多个焊接研究课题。选取调整不同的焊接、堆焊工艺参数，根据正交试验法制作堆焊试样，对其做无损检测、理化性能检测、金相分析、硬度试验以及腐蚀测试。比较分析结果，修正堆焊工艺流程，通过试样检测的反复对比，达到优化堆焊工艺流程、提升堆焊效率和合格率以及提高堆焊层可靠性的目标。

4.3 结构创新

从2010年开始采用工艺烧嘴喷头一体化加工成型工艺，冷却水通道结构优化设计，将冷却水管处异种材料的焊接的角焊缝改为对接焊缝，有效增强了该处焊缝的强度，降低了工艺烧嘴的损坏风险。目前，北京航天石化技术装备工程有限公司新制工艺烧嘴喷头普遍采用一体化加工成型烧嘴喷头，该项结构创新技术已基本解决冷却水盘管焊缝烧蚀裂纹泄漏问题。

5 结语

北京航天石化技术装备工程有限公司在工艺烧嘴的维修改造和创新维修方面积累了大量的理论设计基础和丰富的实践经验，每年完成烧嘴改造及维修任务500台次以上。目前与上海焦化、安徽华谊、华昌、昆山宝盐、神华宁煤、神华包头、茂名石化、九江石化、南化、中海油华鹤、中煤榆林、丰喜、天业等40多家企业签订长期维修以及技改服务合同，凭借短周期快速维修、完善的质量控制体系、24 h快速服务响应机制、专业物流专车运输等一系列优质服务，赢得了广泛的市场占有率，并不断将最新改进延寿创新技术应用于维修技改市场，可提升产品性能，为用户增加经济效益。