6.5 MPa德士古水煤浆烧嘴压差失效事故分析

王金辉

(中国石化齐鲁分公司第二化肥厂， 山东淄博 255400)

中国石化齐鲁分公司第二化肥厂(以下简称齐鲁二化)煤气化装置采用美国GE公司煤气化技术，设计压力为6.5 MPa。水煤浆气化采用顶置单喷嘴气流雾化技术，烧嘴采用三通道内外混水煤浆气化工艺烧嘴，装置自运行以来首次遇到开车后烧嘴压差失效事故。

1 烧嘴工作原理

德士古烧嘴结构示意见图1。

水煤浆流经中间管与中心管形成的环隙，首先与中心管内的中心氧在烧嘴头部内腔中实现预混合，高黏度的水煤浆被初步雾化。由氧气、水、煤粉颗粒组成的混合湍流喷出中间喷头时，受到外环氧的冲击、剪切和摩擦，已被初步雾化的水煤浆又被外环隙来的氧气进一步冲散，氧气与水煤浆之间实现充分混合，给进炉后煤的气化创造了良好的条件[1]。

图1 德士古烧嘴结构示意

2 事故经过

某年6月1日16:58，气化炉更换烧嘴开车，使用的烧嘴编号为SN-A。气化炉投料后，煤浆量逐渐由25 m3/h提高至35 m3/h，烧嘴压差由0.19 MPa升至0.33 MPa，但烧嘴压差不稳定，在0.23～0.38 MPa之间波动。20:10，当气化炉负荷恒定在35 m3/h时，烧嘴压差开始下降，停车前降至装置原始开车以来的最低值(0.07 MPa)。当氧煤比恒定在450～460时，气化炉出口气温度逐渐升高，由242 ℃升至245 ℃，原料气成分出现较大变化，CO2含量升高而CO含量下降，出现明显过氧现象。运行近5 h后，21:55气化炉手动停车，作紧急停车处理。

3 影响原因分析

A、B炉气体成分对比见表1。从6月1日22:00的分析数据可看出：A炉气体成分中CO2含量升高而CO含量下降，发生明显过氧现象；在没有进行校表的情况下，6月2日2:00再次开车后压差显示正常，可以排除显示压差的仪表故障。气化炉过氧情况的发生，除了烧嘴雾化效果差外，还有可能是煤浆原料及氧煤比过高等原因。与同一时间内使用相同煤浆和氧煤比的气化炉B炉的气体成分进行比较，发现B炉在A炉压差波动期间气体成分稳定，可以排除煤浆质量和氧煤比过高的影响。

表1 A、B炉气体成分对比(体积分数) %

在使用过程中，由于烧嘴磨损变形导致其尺寸的改变也是影响压差的一个因素。停炉卸出事故烧嘴后对其尺寸进行复测，结果见表2。事故烧嘴使用前、后各部位的尺寸基本无变化，排除了在使用过程中因烧嘴磨损或者变形导致尺寸发生改变对压差的影响。

综上所述，排除了原料、仪表、工艺操作参数及使用前后烧嘴尺寸变化等方面的因素，基本可以判定此烧嘴装配尺寸方面存在问题。事故烧嘴SN-A与进口烧嘴SN-D对比见表3。

表2 SN-A烧嘴使用前、后尺寸对比

表3 事故烧嘴SN-A与进口烧嘴SN-D比对

由表3可以看出：事故烧嘴SN-A的中喷嘴缩入量、内喷嘴缩入量、环隙等3项尺寸的差别较大；中喷嘴缩入量扩大3 mm，内喷嘴缩入量扩大2.44 mm，环隙缩小0.35 mm。

烧嘴的加工装配质量会直接影响烧嘴的使用，外喷头内锥与中喷头外锥的同轴度误差较大，导致偏喷，从而使气化炉某个局部的耐火砖发生非正常冲刷和烧蚀，雾化效果也会变差。外环隙实际尺寸偏离设计尺寸太多、中喷嘴或内喷嘴缩入量误差太大等都会对工艺烧嘴的正常运行产生不良影响。

3.1 环隙

环隙缩小使环隙氧出口速度增大，导致冲击、剪切、摩擦等作用增强，对雾化效果是有利的。环隙氧的作用主要是：① 增加撞击，提高二次雾化效果，改善索太尔平均液滴直径(SMD)的分布；② 改善回流区流动，稳定燃烧火焰，保护烧嘴头和拱顶炉砖。结合齐鲁二化的2台环隙分别为4.0 mm和4.2 mm的烧嘴使用情况来看，环隙对烧嘴压差影响甚小。因此，环隙偏差0.35 mm不是造成此次烧嘴压差失效的原因。

3.2 中喷嘴缩入量

中喷嘴缩入量可能是造成烧嘴压差失效的一个影响因素，将往年2台中喷嘴缩入量存在差异的烧嘴进行压差比较。7#烧嘴和5#烧嘴同时使用于2台气化炉，氧煤比、煤浆流量等重要参数保持相同，其使用前尺寸见表4。

表4 7#烧嘴与5#烧嘴使用前尺寸

从表4可看出：7#烧嘴和5#烧嘴的尺寸差异主要为中喷嘴缩入量，7#烧嘴的中喷嘴缩入量为10.86 mm，5#烧嘴的中喷嘴缩入量为8.40 mm。

7#烧嘴与5#烧嘴的负荷、压差对比如图2所示。烧嘴使用前期因磨损而导致的尺寸改变较小，所以从7#烧嘴使用的前半段曲线可以看出，在相同的负荷下，7#烧嘴的压差比5#烧嘴的压差要低，但仍能满足使用的要求。因此，中喷嘴缩入量虽会影响烧嘴压差，但不是造成烧嘴压差失效的主要原因。

图2 7#烧嘴与5#烧嘴的负荷、压差对比

3.3 内喷嘴缩入量

内喷嘴缩入量决定了中心氧受煤浆的阻力，即中心氧出烧嘴时与炉膛内的压差决定了中心氧出烧嘴时的喷射速度[2]。将内喷嘴的氧气喷射理解为单通道喷嘴，喷嘴出口轴向速度分布见图3[3]。

考虑到氧气从内喷嘴喷出后在煤浆通道流过，煤浆本身具有一定流速且煤浆黏度大，实际曲线与图示曲线并不相符，但是轴向速度降低的趋势应该是一致的。也就是说，中喷嘴的缩入量越大，中心氧的轴向速度越低，气液两相的速度差越小，则压差越低。为了保证足够的混合效果和合理的气液两相速度差，内喷嘴的缩入量很有可能落在轴向速度陡降或者陡降之前的一段区间，那么在这段区间内，气相轴向速度受内喷嘴缩入量的影响明显。因此，内喷嘴缩入量对烧嘴压差及其雾化起着决定性的作用。

图3喷嘴出口轴向速度分布

4 结语

(1) 内喷嘴缩入量差异过大是造成此次烧嘴压差失效的主要原因。

(2) 德士古烧嘴使用前、后均需对其重要尺寸进行测量、记录，并形成档案。结合使用情况，通过纵向和横向的比较进一步探索烧嘴的使用规律。

(3) 烧嘴的加工装配质量会直接影响烧嘴的使用。在尺寸控制方面，应着重于外喷嘴内径、中喷嘴内径、中喷嘴缩入量、内喷嘴缩入量及环隙等5项尺寸。由于中喷嘴缩入量、内喷嘴缩入量及环隙等3项尺寸的误差主要产生在装配过程中，因此，提高加工装配精度是满足烧嘴正常使用的重要保证。