水煤浆气化炉工艺烧嘴问题探讨及对策研究

霍俊澎

摘 要：工艺烧嘴是德士古水煤浆气化重要组成部分，负责充分雾化、混合水煤浆，保证气化炉正常、稳定运行。基于工艺烧嘴在运行过程中出现的各种问题，对影响工艺烧嘴运行性能的主要因素进行分析，提出烧嘴维修、改造思路，优化工艺烧嘴的结构，使工艺烧嘴的使用寿命能够得到有效延长，保證气化炉长周期稳定运行。

关键词：水煤浆;气化炉;工艺烧嘴

基于对工艺烧嘴的了解，工艺烧嘴是水煤浆气化炉的重要组成部分，其使用寿命长短是制约整套气化装置长周期运行的主要因素，其工作条件非常苛刻，炉温1200～1400℃，炉压6.5MPa，烧嘴头部不仅受到气化炉内水煤浆和氧气的高速冲刷，还受到强还原性气体、液态熔渣的侵蚀及开停车过程中较大的温度和压力的波动，严重影响其使用寿命。

1 影响烧嘴使用寿命的注意因素

1.1 冷却水盘管损坏

从目前影响工艺烧嘴使用寿命的因素来看，冷却水盘管关系到整个工艺烧嘴的冷却。在运行过程中，冷却水盘管对工艺烧嘴头部进行有效降温，使整个工艺烧嘴在运行温度方面符合运行要求，而冷却水盘管如果发生损坏，使整个冷却水盘管不能按照要求对工艺烧嘴进行冷却，导致工艺烧嘴的温度过高，极易引发联锁停车，对整个气化炉运行非常不利。

1.2 煤浆喷头的物理磨蚀

工艺烧嘴在运行过程中，煤浆喷头作为重要的部件，在运行过程中物理磨损量较大，由于煤浆喷头在运行中受到震动等影响，会导致整个煤浆喷头的磨损情况加剧，并且工艺烧嘴在运行过程中会出现异常抖动，对整个煤浆喷头的磨损会带来不利影响，使煤浆喷头的物理磨损超出煤浆喷头的合理运行范围，使煤浆喷头的使用寿命受到影响，导致煤浆喷头的水煤浆烧射效果受到直接影响，影响了工艺烧嘴的正常运行。

1.3 热、化学、应力对外氧喷头的影响

在工艺烧嘴结构中，外氧喷头是重要的组成部件，主要负责外氧的供应。由于外氧喷头在运行过程中受到工艺烧嘴过热、材料的化学应力以及材料的自身应力等因素的影响，会影响外氧喷头正常工作，导致工艺烧嘴的整个使用寿命受到影响，从这一点来看，外氧喷头的工作状况对整个工艺烧嘴的正常使用产生的重要影响。

2 工艺烧嘴损坏机理分析

2.1 外氧喷头端面龟裂的原因分析

操作温度的影响。工艺烧嘴设计是在1350℃高温炉膛内工作的，热应力腐蚀是烧嘴损坏的主要形式。外氧喷头端面喷口处是机械加工应力最集中的部位，烧嘴头部各焊接部件材质不同、厚度不同，在高温环境下应力得到释放，引起放射性裂纹和疲劳开裂，随着烧嘴的长期使用，裂纹不断增大，表现为外氧喷头端面龟裂和烧嘴各处焊缝开裂，严重时外氧端面龟裂引发头部冷却水室泄露触发联锁停车事件。

2.2 冷却水盘管焊缝开裂的原因分析

①盘管焊接应力的影响。烧嘴冷却水盘管与外氧端面角焊缝是在手工氩弧焊焊接的情况下进行焊接，由于线能量及焊缝热影响区的存在，不可避免的会产生焊接应力。同时因新疆地区冬季温度过低，厂房内的环境温度较低，焊缝焊接完成后冷却速度过快，更加增大了焊接应力的产生;②烧嘴冷却水盘管振动的影响。烧嘴冷却水盘管在运行中受到震动剧烈的困扰，同时在焊接应力存在的状况下，很容易在剧烈的震动下，产生应力释放，直至疲劳破坏，由交变应力引起盘管焊缝脆性断裂;③热辐射、焊缝被侵蚀破坏。工艺烧嘴安装完成后，烧嘴冷却水盘管与气化炉安装口部通道有一定的间隙，在气化炉内流场紊乱时，盘管空隙容易发生窜气，冲刷，加上合成气中含有一定硫份，再加上炉内高温热辐射，会对焊缝造成侵蚀破坏，同时使盘管产生振动产生交变应力，极易引发焊缝撕裂。

2.3 煤浆喷头的冲刷与烧蚀原因分析

①工艺操作条件的影响。在气化炉低负荷或者中心氧比例较小的运行过程中，由于烧嘴头部出口的煤浆流速、氧气流速较慢，致使气化炉内部燃烧火焰较短，烧嘴头部的热辐射较大，极易引发烧嘴烧毁;②工艺介质的影响。德士古水煤浆气化的首要工序是水煤浆的制备，一般情况下，水煤浆气化对温度条件及原料煤的灰分要求较为苛刻，要求灰熔点要控制在1270℃以下，灰分控制在9%左右，只有满足这些工艺生产条件，才能产出优质的粗煤气。针对新疆的煤质，通过生产现场的跟踪记录得出以下结论：高灰熔点的煤生产使用的烧嘴寿命低于低灰熔点煤使用的烧嘴，高灰熔点的煤为原料时，烧嘴煤浆喷头明显出现快速变薄、压差波动的现象;拆检烧嘴发现，煤浆喷头明显出现烧蚀，煤浆喷头内侧明显出现环状波纹冲刷。

3 提高工艺烧嘴寿命的途径

3.1 选择合适稳定的煤种

煤的灰分含量、灰熔点及煤中硫含量对工艺烧嘴的使用寿命有较大的影响，煤中灰分含量高直接导致煤浆喷头的加剧冲刷;煤灰熔点高直接制约气化炉的操作温度，炉温高对烧嘴头部的热辐射较大;硫含量高直接影响烧嘴喷头的焊缝及端面，使得端面快速产生裂纹。

3.2 做好烧嘴的维修质量与改造

根据冷却水盘管的特点与实际情况，维修方面从以下方面入手：①杜绝强力组对盘管与烧嘴头部的焊接;②采取小线能量、控制焊接层间温度的焊接方法;③焊接过程中锤击消除焊接应力、安排有经验的氩弧焊工操作;④采取焊接完成后缓冷的保温措施，减小冷却速度，同时对焊接完成后的整套冷却水盘管进行加温，消除盘管冷弯应力;⑤加强焊接人员对工艺卡执行的力度，加强工作责任心的培养。

基于冷却水盘管在运行过程中出现的问题，从以下方面提出技术改造：①对外氧喷头内径减小，外径增大，进一步增大外氧喷头水室腔的体积，增大水室腔的换热面积，有利于换热的进行，防止腔内水流过快，产生激冷，从而在盘管焊缝处产生温度应力，对盘管焊缝产生破坏;流速过快，也会产生对盘管的高频低幅震动，对焊缝也会产生疲劳破坏。同时外氧喷头内径减小，外环氧气通道面积基本保持不变，但外环氧的剪切角发生较大变化，氧气烧射的阻力增大，在气化炉压力与负荷不变的条件下，内外氧流速会增大，中心氧比例会升高，有助于拉长烧嘴喷头前黑区长度;②增大中心氧喷头的缩进量，有利于预混式气化，中心氧、外环氧与煤浆在烧嘴头内部产生内混、交叉、剪切，在高速的氧流股的带动下，煤浆烧射效果更好，提高雾化效果;③烧嘴头部的保护，利用模具对冷却水盘管浇筑耐火材料，将盘管与烧嘴头部保护起来，一是防止热辐射;二是将烧嘴安装通道间的空间缝隙尽量减少，防止合成气流的窜气，对盘管的腐蚀、冲刷;三是减少盘管运行过程中，由于外氧、煤浆、冷却水共同高速进入烧嘴腔而产生的共振。

3.3 煤浆喷头材质的提升

对煤浆喷头内部增加比UMCO50还要耐磨的耐磨、耐腐蚀、耐高温合金，提高煤浆喷头的耐磨损性能，保证烧嘴运行状况不随着运行时间的延长而发生明显的改变，保证工艺各项指标参数的稳定性，保证雾化效果的长期稳定性。

3.4 优化操作与管理

选择合适的工艺条件对工艺烧嘴长周期运行非常有意义，包括合适的操作温度、控制合适的氧煤比、选择恰当的操作负荷、减少气化炉开停车次数和保持炉况的稳定。

4 结论

通过对水煤浆气化炉工艺烧嘴的了解，在工艺烧嘴运行过程中，工艺烧嘴直接影响水煤浆气化炉的运行质量，使气化炉在运行过程中面临着停运的风险。在工艺烧嘴维修和运行过程中，应当按照工艺烧嘴的具体情况，做好工艺烧嘴结构部件的优化和调整，使工艺烧嘴在运行过程中能够得到有力的支持，保证工艺烧嘴在运行质量方面满足运行要求，保证气化炉长周期稳定运行。

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