GE水煤浆气化炉工艺烧嘴存在问题及技术改造探讨

王云刚

（陕西咸阳化学工业有限公司，陕西 咸阳712000）

引 言

水煤浆加压气化工艺是国内目前广泛应用、规模较大、技术成熟稳定的煤气化工艺，其核心设备之一工艺烧嘴的安全、稳定、长周期运行，对整个煤化工生产企业的安全、长周期、满负荷生产运行和高效益生产起着决定性作用。

水煤浆加压气化炉工艺烧嘴的一次性连续使用寿命较短（目前6.5 MPa气化炉工艺烧嘴平均寿命为80 d），影响了单台气化炉的连续运行时间，因此，设计中均有备用炉在线长期热备，以便运行炉发生工艺烧嘴故障时及时在线倒炉，相互切换。

陕西咸阳化学工业有限公司（简称咸阳公司）甲醇项目作为国内第一批建成的首套单系列60万t/a甲醇项目，气化装置采用GE单喷嘴水煤浆加压气化激冷流程，化工生产运行过程中，出现了气化炉工艺烧嘴压差频繁波动、烧嘴头部冷却水盘管泄漏故障频率高、烧嘴外氧头部端面龟裂严重等现象，且烧嘴运行寿命起初只能维持10 d～15 d，经优化调整操作参数后，最长也只能维持在40 d左右，严重影响生产系统安全、稳定、长周期运行。现对该气化装置水煤浆加压气化炉运行过程中频繁出现的工艺烧嘴压差波动、盘管频繁泄漏等问题展开讨论，并对生产期间的烧嘴改造成效和运行操作经验进行总结，以供同行参考。

1 水煤浆加压气化炉工艺烧嘴结构

水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构见图1。

图1水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构

水煤浆气化炉工艺烧嘴为同心三套管形式，外加冷却水盘管结构，从内至外分别为中心氧管、煤浆管（煤浆喷头）以及外环氧管（外氧喷头）。烧嘴中心氧管的出口设计成缩口形式，目的是对中心氧加速，使其具有一定的出口流速（中心氧出口流速一般为150 m/s～180 m/s），同时其端面距烧嘴端面基准面有一定的缩入量，形成一个水煤浆和中心氧的预混合腔。水煤浆的出口管路也设计成缩口形式，使进入预混合腔的流速为2 m/s～4 m/s的水煤浆具备一定的速度。在预混合腔内，利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速（预混合腔出口流速一般为12 m/s～20 m/s），改善水煤浆的流变性能，保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩口比例更大一些，目的是提供更高流速的氧气（外氧的出口流速一般为160 m/s～200 m/s），对通过预混合腔的水煤浆混合物进行良好的雾化，以便在气化炉内达到良好的气化效果[1]。

2 烧嘴运行状况

2.1 气化炉运行关键参数

气化炉运行期间，煤浆质量分数61.8%～62.5%、黏度800 mPa·s～1 000 mPa·s；系统运行负荷（煤浆流量）80 m3/h，煤浆压差（煤浆泵出口管道与气化炉燃烧室压力差）0.4 MPa左右，气化炉头氧管线上下游切断阀间压力7.6 MPa，气化炉操作压力6.0 MPa，中心氧流量比例18%～20%；洗涤塔顶粗煤气有效组分（CO+H2）体积分数81%～82%，粗煤气中甲烷体积分数800×10-6～1 000×10-6；烧嘴冷却水流量28 m3/h～30 m3/h，出口温度30℃左右。

2.2 烧嘴压差波动瞬时各参数变化情况

（1）新烧嘴在线使用3 d～7 d后，煤浆压差由最初的0.4 MPa快速下降至0.2 MPa，严重时甚至出现负压差。在发生压差波动前，生产装置各项工艺指标均未发生异常波动，低压差甚至负压差现象持续一定时间后，压差又恢复正常。压差波动现象在整个烧嘴运行周期内经常发生。

（2）烧嘴压差波动瞬间，在氧气阀门开度未变情况下，氧气瞬时流量快速升高，气化炉头氧管线上下游切断阀间压力下降，氧煤比升高，气化炉燃烧室上部高温热电偶温度飞涨，瞬间由1 230℃涨至1 350℃并报警。

（3）烧嘴压差波动瞬间，洗涤塔塔顶粗煤气中甲烷体积分数由800×10-6～1 000×10-6快速下降至500×10-6～600×10-6，甚至更低；粗煤气中二氧化碳体积分数由原来的18%左右涨至20%左右，一氧化碳体积分数随之快速下降1～2个百分点。

（4）烧嘴压差经多次波动后，烧嘴头部冷却水盘管进出口流量开始偶发上下跳动现象，同时冷却水回水分离罐顶CO报警（CO体积分数超过8×10-6），系统被迫停炉、更换烧嘴。

2.3 工艺烧嘴存在问题

（1）烧嘴下线检查中，发现烧嘴头部端面龟裂严重，裂纹布局呈放射状，且龟裂裂纹数量及深度随烧嘴在炉内运行时间的延长而增多、增长。烧嘴压差波动越频繁，持续时间越长，烧嘴端面烧蚀坑点数量及深度也越明显，冷却水盘管角焊缝处损伤也越明显。

（2）烧嘴在炉内高温环境下使用一定时间后，其外氧喷口向内有不同程度内收缩。

（3）中心氧喷嘴头部缩径冲刷磨损严重，内壁呈“刀刃”状；中心氧头部定位块冲刷磨损厉害，中心氧管晃动，且与煤浆喷头有轴向同心度偏离现象。

（4）煤浆喷头冲刷磨损严重，内径尺寸明显增大，且煤浆喷嘴出口断面内壁呈“刀刃”状，煤浆喷头内侧斜面磨损严重。

（5）烧嘴拆卸作业中，多次发生因炉颈与烧嘴盘管空腔内炉渣结焦较多而造成炉口吊装烧嘴的电动葫芦过载、频繁跳闸现象。

（6）烧嘴运行周期短，普遍只有15 d～30 d，与行业平均寿命80 d相差甚远。

2.4 烧嘴压差波动期间工艺操作

（1）一旦突发烧嘴压差波动，可通过迅速减小烧嘴总氧量的方法来控制烧嘴压差下降趋势，一般来说一次减小总氧量5%时，对控制烧嘴压差下降效果非常明显。

（2）在烧嘴压差波动期间，增大中心氧流量比例对缓解烧嘴压差波动也有效果，但不明显。

（3）在通过减少总氧量来稳定烧嘴压差波动时，氧煤比降低，需严格监控渣口压差、粗煤气中CO组分变化，同时通过锁斗排渣情况、捞渣机电流大小及渣量、渣样变化情况，来综合判断气化炉运行工况，确保系统运行稳定。

（4）由于烧嘴压差波动下降，引起煤浆雾化效果变差，气化炉黑水水质变差，为有效改善系统水质，可通过加大气化炉激冷水量、加大气化炉及洗涤塔排黑水量等方式，来控制整个系统水中离子的平衡，达到稳定生产的目的。

（5）在烧嘴压差未恢复至正常情况下，不建议恢复总氧量参数，在烧嘴压差正常后，可通过缓慢、少量、多次的方式逐步恢复总氧量至原操作数值。

3 烧嘴设计参数对比

为查明烧嘴故障原因，调研了业内同规模水煤浆气化装置的操作参数和烧嘴关键参数，并与咸阳公司气化装置相关数据进行了对比，结果见表1、表2。

由表1可以看出，3家公司气化装置系统负荷、氧煤比、煤浆浓度及有效气组分差异不大，氧气压差和烧嘴压差数值存在明显差异。

表1同规模水煤浆气化装置工艺运行参数对比

表2同规模水煤浆气化装置工艺烧嘴参数对比

由表2可以看出，不论是气化炉燃烧室长度，还是工艺烧嘴设计参数，咸阳公司与2家公司之间存在着很大的差异，具体如下：

（1）燃烧室长度：咸阳公司气化炉燃烧室长度为9 100 mm，较公司1（8 317 mm）和公司2（8 322 mm）分别长783 mm和778 mm。

（2）烧嘴长度：咸阳公司烧嘴长度1 085 mm，较公司1与公司2（两者烧嘴长度基本相同）长约175 mm。

（3）烧嘴冷态安装尺寸：咸阳公司烧嘴在冷态时伸出143.1 mm，公司1、公司2烧嘴在冷态下分别缩进29.4 mm、25.8 mm。正常情况下，在1 200℃时，耐火砖、气化炉筒体受热抬高约为50 mm，由此可以推测公司1、公司2烧嘴头部在热态时伸出量分别为20.6 mm、24.2 mm，而此时咸阳公司烧嘴伸出量则会更大，为193.1 mm。

（4）烧嘴中外喷头环隙：3家公司相差较大。

（5）烧嘴煤浆喷头深度：3家公司相差不大。

（6）烧嘴压差：公司1与公司2的基本相同，咸阳公司的最低。

（7）中心氧流量比例：烧嘴正常运行时，咸阳公司烧嘴中心氧流量比例较公司1高54.2%～62.5%，较公司2高23.3%～30.0%。

（8）烧嘴使用寿命：咸阳公司烧嘴使用寿命约为其他2家公司烧嘴使用寿命的1/2。

4 烧嘴故障原因分析

4.1 烧嘴头部龟裂

（1）由表2可以看出，在气化炉拱顶炉颈高度相同情况下，咸阳公司气化炉工艺烧嘴长度明显比其他两家公司长，且在冷态下烧嘴头部已经深入炉内100 mm以上，明显高于业内一致认可的“冷态下烧嘴在炉内应内缩20 mm～30 mm”。烧嘴过度深入炉膛，易造成烧嘴头部大面积暴露在高温、高还原介质中，同时也易出现烧嘴冷却水盘管局部过热，导致烧嘴头部在气化炉内发生热腐蚀，期间炉内少量的硫元素会穿透氧化膜，产生很大的生长应力，使金属变得疏松多孔，导致金属不断吸收炉内的硫元素，生成Ni3S2，此化合物又与金属内部的镍元素形成低熔点共晶，呈薄膜状分布于晶界，并使金属产生脆性[2]。随着烧嘴使用时间的增加，金属内部的镍元素不断析出，金属的韧性、抗腐蚀能力及疲劳强度都下降，最终形成烧嘴头部端面处呈放射性龟裂，且龟裂程度及深度随着烧嘴使用周期的延长而增大加深。

（2）咸阳公司烧嘴在线运行期间，频繁发生烧嘴压差波动现象，有时甚至会长时间处于负压差状态。在烧嘴压差瞬间下降过程中，出烧嘴的煤浆因压差波动而雾化效果变差，加之在烧嘴压差波动过程中氧气流量瞬间增大，造成烧嘴头部过氧燃烧，炉温瞬间飞涨。局部过氧燃烧造成烧嘴端面被舔舐，出现大小深浅不一的坑点，更加剧了烧嘴头部龟裂裂纹的深度，同时也使得烧嘴冷却水角焊缝发生断裂，可燃气体倒窜入冷却水内，引起烧嘴冷却水出口处在线CO报警，严重时因冷却水泄漏量的突然增大，出现烧嘴冷却水流量快速下降，出水温度上涨而触发烧嘴冷却水系统三选二联锁，致气化炉停车。

4.2 烧嘴中外喷头口收缩规律及其对压差波动的影响

对比烧嘴头部各参数与烧嘴在线运行天数后发现，随着烧嘴在炉内运行时间的延长，工艺烧嘴外氧喷头端面产生裂纹的数量和深度以及外氧喷口四周向内收缩的幅度逐渐增大，导致中外喷头之间的环隙减小。经初步测算，外氧环隙减小量约0.05 mm/d，且外氧环隙的减小在烧嘴投用的第1个星期较快，之后有减慢的趋势。另外，在整个正常运行时段内，烧嘴各流道介质（总氧、中心氧、煤浆）的流量、煤质、煤浆浓度及黏度基本相同，变化极小。据此通过计算，得出在烧嘴使用过程中，因外氧头部受炉内高温热辐射影响，外氧喷口处金属蠕变，发生收缩，使得外氧环隙相对减小，外环氧气出口流速不断增大，烧嘴使用10 d左右，外环氧气出口流速增加约20%（约40 m/s），带动煤浆出烧嘴流速增大，使煤浆在出烧嘴处压差减小，引起烧嘴压差波动。

4.3 烧嘴煤浆喷头磨损严重

（1）由于烧嘴中外喷嘴口受热内缩变小，引起烧嘴外环氧气出口流速增大，形成文式管效应，烧嘴煤浆腔体内平衡被打破，形成微负压，出烧嘴煤浆流速增大，加速了煤浆喷头口内侧及环隙的冲刷磨损，而烧嘴压差的频繁波动，使得烧嘴头部火焰缩短，局部过氧燃烧，更加加剧了烧嘴头部的烧蚀冲刷损坏，煤浆喷头处金属材质变脆脱落，最终引起煤浆喷头尺寸变大。

（2）行业目前在用烧嘴氧气压差普遍为1.2 MPa，而咸阳公司烧嘴氧气压差为1.6 MPa，远高于同行业；加之咸阳公司烧嘴中心氧流量比例在18.5%～19.5%，高于行业平均值15%，这些参数的差异，使得出烧嘴预混合腔的水煤浆流速增大，加剧了烧嘴煤浆喷头的磨损。

5 烧嘴参数优化改造

烧嘴压差频繁波动，主要原因是烧嘴设计参数不合理，为此，咸阳公司在通过大量调研和论证后，对现有烧嘴参数进行了优化调整。

5.1 提高烧嘴煤浆压差至0.6 MPa

煤浆压差是煤气化主要控制工艺指标之一。煤浆与中心氧气的混合流速决定了煤浆压差和烧嘴喷射黑区的长度，也影响了喷嘴的雾化效果，此外，煤浆喷头的磨损和预混流速也有很大的关系。通过计算，并结合实际运行经验，将煤浆口径由Φ50 mm缩小至Φ48 mm，并在烧嘴煤浆喷头内壁增加硬质合金耐磨材料；将煤浆喷头深度由7.0 mm缩小至6.0 mm；将中心氧喷头深度由100.0 mm缩短至75.0 mm、中心氧口径由Φ21.0 mm增大至Φ22.0 mm，使工艺烧嘴在运行中形成合适的喷射黑区，达到优化工艺指标、延长烧嘴运行周期的要求。

5.2 降低烧嘴氧气压差至1.1 MPa～1.2 MPa

工艺烧嘴氧气压差影响氧气流速，如果氧气流速不合适，烧嘴在炉内所处位置的热返流就会增大，引起烧嘴头部温度过高，导致外氧喷头龟裂。同时氧气流速决定烧嘴雾化效果，影响煤气化有效气体含量、残渣含碳量等工艺指标。通过计算，将外氧口径由Φ68.5 mm缩至Φ67.0 mm，将中外喷头环隙由4.2 mm增至4.8 mm，使之与煤浆流速更好匹配，达到稳定烧嘴压差、延长运行周期的目的。

5.3 缩短烧嘴长度至935 mm

工艺烧嘴在气化炉内所处的空间位置不同，导致烧嘴头部四周的环境温度也不同；环境温度过高，容易造成外氧喷头头部龟裂或冷却水盘管泄漏等现象。将烧嘴长度由原来的1 085 mm缩短至935 mm，最大限度地减小烧嘴头部在炉内的伸出量。

5.4 烧嘴盘管角焊缝处增加保护设施

工艺烧嘴外部冷却水盘管在气化炉内除受到高温热辐射外，还受炉内煤气中硫元素腐蚀，冷却水盘管与烧嘴外氧喷头头部水夹套处角焊缝在炉内受到煤气返流冲刷、过氧烧蚀，易发生断裂[3]，为消除此隐患，在烧嘴维修过程中，在角焊缝外侧焊接一段保护套管，达到保护角焊缝的目的。

通过以上参数优化改造，烧嘴运行寿命大大提高，由10 d～15 d延长至最长62 d，平均56 d以上，烧嘴压差频繁波动现象得到根除，改造后至今未发生因烧嘴压差波动、盘管破裂等原因造成的停车事故；同时，运行期间气化炉有效气体积分数达81.5%～82.0%，为咸阳公司的安全稳定运行创造了良好条件。

6 结 语

工艺烧嘴作为整个煤气化装置的核心设备，其运行周期的长短直接关系到生产系统是否能长周期稳定运行和企业的运营成本。烧嘴运行寿命除受工艺操作、系统工况影响外，更多时候取决于其设计参数的合理性，因此，需通过实践操作和技术交流，摸索最佳工艺操作参数；通过优化烧嘴设计参数，使之与操作工况及气化炉型相匹配，延长烧嘴使用寿命，减少不必要的系统波动，实现企业的持续、安全、稳定运行和长久发展。