裂解焦油氣化裝置燒嘴的改造與應用

高曉宇

（中國石油 大慶石化公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714）

裂解焦油氣化裝置燒嘴的改造與應用

高曉宇

（中國石油 大慶石化公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714）

針對裂解焦油氣化裝置燒嘴易燒損、壽命短（30 d）的問題，分析燒損產生的原因，在此基礎上提出改造措施。改造措施包括：縮小噴頭直徑、減小壁厚與縮進量、更換燒嘴冷卻水盤管材質、改善燒嘴頭部冷卻室結構。對改造前后燒嘴的性能進行冷態模擬，模擬結果表明，改造后燒嘴的性能好于改造前燒嘴的性能。在氣化裝置上應用改造后的燒嘴，取得了良好效果：單次使用壽命達到103 d，碳洗塔出口干氣中一氧化碳與氫氣總含量（φ）達到88%～89%，氣化爐頂部法蘭最高溫度降低至260 ℃，燒嘴冷卻水盤管完好無損，耐火磚減薄速率降低。

裂解焦油；氣化裝置；燒嘴；合成氣

中國石油大慶石化公司化工二廠合成氣裝置是200 kt/a丁辛醇改擴建項目的重要組成部分，設計以裂解焦油為原料，采用美國GE公司的激冷工藝流程，生產高質量的羰基合成原料氣，是國內首套以裂解焦油為氣化原料生產合成氣的裝置［1］。

裂解焦油氣化裝置的核心設備是燒嘴，燒嘴的結構直接影響裝置的長周期運行與企業的經濟效益。初期使用的燒嘴，在生產運行過程中頻繁地出現燒損問題。如何延長燒嘴的使用壽命，當時成為急需解決的難題。

與燒嘴相關的文獻大多數是有關水煤漿工藝燒嘴技術改造的［2-16］，而涉及焦油氣化裝置所使用的工藝燒嘴技術改造的卻鮮見報道。因此，解決焦油氣化裝置工藝燒嘴的燒損問題，對于新燒嘴的設計研發以及延長焦油氣化裝置的運行周期具有重要指導意義。

本工作在分析裂解焦油氣化裝置燒嘴易燒損原因的基礎上，對燒嘴提出改造措施，并對改造前后的燒嘴進行冷態模擬，分析了改造后燒嘴的應用效果。

1 燒嘴工作原理與燒損原因分析

1.1 燒嘴工作原理

圖1為典型的三流道內外混燒嘴的總體結構圖。3種規格的套管構成了氧氣和焦油的3個獨立流道。氧氣既是參加反應的主要元素之一，又是焦油與水混合物的霧化劑，氧氣分為中心氧與外環氧兩部分，分別按照圖2所示的流道到達燒嘴頭部。

圖1 燒嘴輪廓示意圖Fig.1 Outline drawing of burner.

圖2 燒嘴頭部示意圖Fig.2 Drawing of burner head.

自中間環管進入的焦油和水的混合物在燒嘴頭部與氧氣以一定的交叉角相互撞擊，在高速氧氣流的沖擊、碰撞、攜帶作用下，焦油和水混合物與氧氣發生湍混，焦油與氧氣、水的質點除了有向前的運動外，還產生了徑向位移，高黏度的焦油與水混合物被充分地霧化。霧化后，油滴被氧氣隔開，油滴與氧氣在爐膛內充分接觸，給入爐的焦油創造了良好的工藝條件。中心氧量一般是總氧量（φ）的15%～20%，中心氧能夠提高氧氣和焦油的返混程度，提高一氧化碳的轉化率。

1.2 燒嘴燒損情況與原因分析

1.2.1 燒嘴損壞情況

2012年開車至今，燒嘴使用壽命最長的為30 d，最短的只有3 d，由于頻繁的更換燒嘴，極大的制約了裝置的長周期運行。每次停車檢查都發現燒嘴頭部有一定的破損，圖3為一些具有代表性的燒嘴燒損后的圖片。

從圖3可看出，燒嘴冷卻水夾套已經大部分被燒損，中噴嘴和中心管也發生了向內部回燒的現象。很明顯燒嘴在運行過程中，燃燒火焰已經縮回到燒嘴頭部通道，導致燒嘴頭部嚴重破壞。除燒嘴頭部被燒損外，燒嘴表面粘有一層黃綠色物質，經分析得知該物質為硫化鎳。由于硫化鎳的生成，降低了金屬的機械強度。

圖3 燒損后的燒嘴Fig.3 Damaged burner after burning.

1.2.2 工藝燒嘴損壞的原因分析

裂解焦油是裂解原料經過高溫裂解、冷卻分離所得的副產物，主要由碳、氫兩種元素組成。在常溫下為黑褐色黏稠可燃性液體，密度比水大，閃點一般介于80～100 ℃，其中，重芳烴含量高。在氣化反應過程中，由于采用純氧高溫氣化，因此焦油經燒嘴噴出后，受到高溫煙氣的輻射和對流換熱，很容易達到閃點而燃燒。焦油中的芳烴類物質、膠質等容易分解產生焦碳和氣體，在焦油離開燒嘴頭部后噴射速度不高的情況下極易結焦，生成的焦炭滲入金屬中，形成碳和金屬的固體溶液。這種滲碳現象使金屬合金失去原有的抗氧化安定性而易受侵蝕，導致噴嘴的機械性能降低。另外，噴嘴材質中的鐵、鎳、鉻及其氧化物對結焦有催化作用，尤其是鐵、鎳及其氧化物對結焦有很強的催化作用，能導致結焦加快。一旦燒嘴頭部結焦，不僅容易引起燒嘴頭部出現焦油偏噴現象，導致火焰變形；也容易導致火焰黑區的長度逐漸縮短，直到火焰貼近燒嘴頭部燃燒，最終將燒嘴燒壞。

焦油中的硫會對燒嘴的使用壽命產生一定的影響，目前工業上使用的燒嘴主要材質為Inconel600，該材質的高溫抗氧化性能良好，但在高溫下材質中的鎳會與硫產生硫化鎳，導致材質腐蝕。燒嘴頭部的黃色物質證明了這一點。

2 燒嘴結構的改造

2.1 燒嘴改造的措施

依據燒嘴損壞的原因，新燒嘴在原結構的基礎上進行以下改造：1）縮小焦油通道尺寸，提高焦油在通道內的流速，從而提高焦油和中心氧混合后的出口速度；2）調整中心氧通道和焦油通道的位置與縮進量，合理設計焦油和中心氧的預混空間，并使其與主氧在燒嘴端面外部均勻混合；3）減小焦油和外部環形氧通道之間的夾層在出口處的壁厚；4）優化燒嘴頭部的冷卻室內部結構，提高對流傳熱效果；5）將燒嘴冷卻水盤管的材質由Inconel 600改為UMCo50，提高金屬的抗壓性能。改造前后的燒嘴頭部結構見圖4和表1。

圖4 改造前后的燒嘴頭部結構Fig.4 Burner spray nozzle structures before and after revamping.

表1 改造前后的燒嘴頭部結構尺寸Table 1 Structure size of the burner spray nozzle before and after revamping

2.2 燒嘴改造后的模擬計算結果

采用Gambit和Fluent等軟件，以Realizable k-ε雙方程模型對燒嘴改造前后的效果進行模擬計算，對氣化過程進行定量分析，分析結果見圖5～8。

圖 5為改造前后冷態時燒嘴的速度分布。從圖5可看出，改造后燒嘴由于焦油流速提高，平移并縮小焦油和中心氧在燒嘴頭部內的混合空間，使得焦油從燒嘴頭部噴出后仍保持較高流速。這樣有助于將火焰推離燒嘴頭部端面，減少燃燒結焦的可能性。

圖 6為改造前后冷態時燒嘴的焦油組分分布。從圖6可看出，改造前的燒嘴，焦油和外部環形氧通道之間的夾層在出口處有焦油存在，這是由于高速環形氧和中間低速的焦油形成的回流區造成的；改造后的燒嘴，焦油和環形氧在燒嘴頭部端面外部混合，這樣有利于保護燒嘴。

圖5 改造前后冷態時燒嘴的速度分布Fig. 5 Velocity distribution in the burner at cooling state before and after revamping.

圖6 改造前后冷態時燒嘴的焦油組分分布Fig.6 Cracking tar composition distribution in burner before and after revamping.

圖 7 為改造前后燒嘴頭部局部區域的溫度分布。

從圖7可看出，改造前的燒嘴，在頭部混合室內和燒嘴端面會形成高溫火焰區，從而造成燒嘴的燒損；改造后的燒嘴，使火焰外推，避免在燒嘴頭部混合室和燒嘴端面形成高溫區。

圖7 改造前后燒嘴頭部局部區域的溫度分布Fig.7 Temperature distribution in the local area of burner spray nozzle before and after revamping.

3 改造后燒嘴的應用效果

3.1 設備運行狀況分析

2013年3月至今，改造后燒嘴在氣化裝置上使用的壽命最短為60 d，最長為103 d，與改造前燒嘴的使用壽命最長時間30 d相比，改造后燒嘴運行時間明顯延長。應用改造后燒嘴時，每次停車對燒嘴頭部進行檢查，在中心氧、外環氧、焦油噴頭處有0.2～0.5 cm的燒損，這與改造前燒嘴頭部的燒損1.0～1.5 cm相比，燒損程度得到了有效改善（見圖8）。燒嘴頭部水倉以及冷卻水盤管連續運行103 d無任何損傷，說明燒嘴冷卻水盤管改造后所采用的金屬材料能夠完全滿足生產需求，解決了改造前的燒嘴冷卻水管路燒穿的問題。

圖8 新燒嘴運行103 d后的圖片Fig.8 Images of the new burner after running 103 days.

使用改造后燒嘴時，整個爐體金屬外表面溫度分布均勻，基本上為280 ℃；氣化爐頂部法蘭表面溫度由應用改造前燒嘴時出現的最高溫度380 ℃降至260 ℃。

改造前燒嘴長時間運行后燒嘴頭部燒損嚴重，焦油可產生偏流，對氣化爐內局部耐火磚產生嚴重的沖刷與火焰舔舐，使得這一部位的耐火磚變薄，壽命縮短。使用改造后燒嘴時，由于燒嘴頭部結構的改進，焦油不會產生偏流，氣流對耐火磚的沖刷是均勻的。通過測算得出爐磚的減薄速率由原來的5.4 μm/h降至3.8 μm/h，耐火磚的壽命得到延長。改造后燒嘴的壽命延長，使得氣化爐開停車次數減少，這也減少了耐火磚的熱振，能很好地起到延長耐火磚使用壽命的效果。

表2 改造后燒嘴在不同階段的運行數據Table 2 Operating data of new structured burner in different stages

3.2 改造后燒嘴的使用效果分析

改造后燒嘴在不同階段的運行數據見表2。

從表2可看出，在不同的運行時期，關鍵工藝指標，如干氣組成（有效氣含量（H2+CO）、二氧化碳含量）、比氧耗、比油耗和有效氣產量等均較穩定，沒有出現改造前燒嘴運行到后期出現的有效氣產量降低、比氧耗和比油耗升高的問題；隨燒嘴運行時間的延長，改造后燒嘴壓差減小，燒嘴壓差的變化對其使用壽命以及性能的影響是可以接受的，能夠滿足焦油氣化裝置長周期運行的需求。從改造后燒嘴的使用壽命上看，可以確定燒嘴的結構改造方案是成功的。

4 結論

1）在裂解焦油氣化裝置的燒嘴燒損原因分析的基礎上，提出燒嘴改造方案：調整燒嘴頭部的間隙、縮進量、頭部冷卻室結構，更換燒嘴冷卻水管的金屬材質。

2）與改造前燒嘴相比，改造后燒嘴使用壽命延長至103 d，減少了氣化爐開停車次數。

3）使用改造后的燒嘴在其運行期間（103 d），氣化裝置的關鍵工藝指標（干氣組成、比氧耗、比油耗和有效氣產量）均較穩定。

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（編輯 李治泉）

Revamping and Application of Burner of Cracking Tar Gasification Installation

Gao Xiaoyu
（ PetroChina No.2 Chemical Plant of Petrochina Daqing Petrochemical Company， Daqing Helongjiang 163714， China ）

Aimed at easily burnt burner of cracking tar gasifcation installation and its service life(30 d)，some revamp measures were proposed，namely reducing spray nozzle diameter，decreasing wall thickness and retraction，changing cooling coil material quality，and improving cooling chamber structure of the burner head. Cold model experiments were carried out for the performances of the burner before and after the revamping，and the results showed that the revamping improved the performance of the burner evidently. After the revamping， the single service life of the burner reached 103 d，the total contents of both CO and hydrogen in dry gas at the outlet of carbon scrubber reached 88%-89%(φ)，temperature at the top of the gasifer lowered to 260 ℃，the burner cooling coil was not damaged，and the rate of refractory brick thinning was decreased.

cracking tar；gasifcation installation；burner；synthesis gas

1000 - 8144（2014）10 - 1196 - 05

TQ 026.4

A

2014 - 04 - 14；［修改稿日期］ 2014 - 06 - 23。

高曉宇（1980—），男，遼寧省沈陽市人，碩士，工程師，電話 13936825053，電郵 gaoxiaoyu_2006@126.com。