水煤漿氣化爐燒嘴國產化改造論述

張宗文(神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭014000)

水煤漿氣化爐燒嘴國產化改造論述

張宗文(神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭014000)

水煤漿氣化爐工藝燒嘴損壞頻繁是氣化爐不能長周期運行的主要原因，導致燒嘴損壞的主要因素有物理磨蝕、熱沖擊、化學影響、應力破壞等。生產公司與國內氣化燒嘴制造廠聯合攻關，改進噴頭材質、優化燒嘴結構，實現了水煤漿氣化燒嘴國產化，延長了燒嘴的使用壽命，降低了燒嘴的采購成本。

水煤漿氣化爐;工藝燒嘴;中噴頭;外噴頭冷卻水盤管

我國煤炭資源豐富，以煤炭為原料大力發展煤化工產業在我國具有戰略意義。2010年世界首套工業化煤制烯烴項目成功建成并投入商業化運行以來取得了巨大成功，帶動了全國煤制烯烴產業的蓬勃發展,同時也暴露出很多影響全廠長周期生產的問題，需要探究解決措施。

煤氣化裝置是煤化工生產的龍頭，氣化爐是煤氣化裝置的核心設備，氣化工藝的選擇決定著氣化爐型的確定。目前氣化技術分為水煤漿加壓氣化和干煤粉加壓氣化兩種工藝，國際上較為先進的水煤漿工藝以GE公司的水煤漿加壓氣化技術為代表，干煤粉氣工藝以SHELL的煤粉加壓氣化技術為代表。

美國GE公司水煤漿加壓氣化技術即是美國Texaco（德士古）氣化技術，德士古公司原來是一家石油公司，它擁有自己的油氣化技術，自20世紀五十年代開始，德士古在油氣化技術基礎上研究開發煤氣化技術。從油氣化技術應用至今，已有超過70多年的商業經驗，以煤炭為原料的氣化技術應用也有近50年的經驗。2002年10月Texaco（德士古）公司與Chevron（雪佛龍）公司整體合并，兩年后2004年6月Chevron（雪佛龍）公司將氣化業務整體出售給通用電氣（簡稱GE）公司，即產生了現在的GE水煤漿加壓氣化技術。

水煤漿氣化技術主要設備是氣化爐和工藝燒嘴。氣化爐上部為燃燒室，下部根據不同需要可分為激冷室和輻射廢熱鍋爐兩種形式。我公司氣化裝置采用的水煤漿氣化爐為燃燒室加激冷室結構。燃燒室頂部連接工藝燒嘴，燒嘴是水煤漿氣化爐的關鍵部件，制造精度要求高，材質選取尤為重要，其使用壽命影響著氣化爐的運行周期，氣化裝置原設計配套的GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用壽命平均為30天，運行周期短，頻繁檢修更換迫使氣化爐倒爐停車，嚴重影響生產長周期運行，是困擾生產公司的一大難題。本文重點介紹GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴存在的缺陷及國產化改造后燒嘴使用壽命大幅提高的經驗，以供同行業借鑒。

1 激冷式加壓氣化爐結構和工作原理

1.1 氣化爐結構

激冷式加壓氣化爐燃燒室和激冷室外殼是連成一體的。燃燒室為中空內襯耐火材料的立式圓筒形結構，上部為拱形，下部為錐形。拱形頂部為工藝燒嘴安裝口，錐形底部為合成氣和熔渣出口，去下面的激冷室。激冷室內有與燃燒室連為一體的下降管，下降管的頂部設有激冷環。

1.2 氣化爐工作原理

水煤漿和純氧劑通過工藝燒嘴噴入氣化爐的燃燒室，混合氣在燃燒室內高溫高壓下反應生成粗煤氣，然后經下降管到激冷室。激冷室內保持相當高的液位，夾帶著大量熔融渣粒的高溫氣體通過下降管直接與水溶液接觸，氣體得到冷卻，并為水汽所飽和。熔融渣粒淬冷成固態渣，從粗煤氣中分離出來，被收集在激冷室下部，由鎖斗定期排出。飽和了水蒸氣的粗煤氣沿著下降管和激冷室內壁間的環形空間上升到激冷室上部，經擋板除沫后由側面氣體出口管送至洗滌塔進一步冷卻除塵。激冷環噴出的水沿下降管下流形成降水膜，降水膜可避免來自燃燒室的高溫氣體中夾帶的熔融渣粒附著在下降管壁上。粗煤氣中夾帶的渣粒約有95%從鎖斗排出。

2 氣化爐工藝燒嘴結構和工作原理

2.1 氣化爐燒嘴結構

水煤漿氣化爐燒嘴為三流式噴嘴，由3個同心套管組成。中心管走中心氧，為內噴頭；內環隙走水煤漿，為中噴頭；外環隙走主氧，為外噴頭。最外側設置了冷卻水盤管。內噴頭端面與中噴頭端面留有一段間距，形成一個預混合腔。三個噴頭出口均設計成縮徑口，其作用是使流經噴嘴的氣化氧劑和水煤漿節流加速，水煤漿霧化效果良好。燒嘴頭部典型結構見附圖1。

圖1 水煤漿氣化爐燒嘴頭部典型結構

2.2 氣化爐燒嘴工作原理

水煤漿氣化技術是以水煤漿為原料，以純氧為氣化劑，在氣化爐內高溫高壓條件下進行氣化反應，制得H2+CO為主要成分的粗合成氣工藝技術。

燒嘴是氣化爐中水煤漿和氧劑的進料口，氣化原料煤經粉碎、加水、制漿后，由煤漿泵加壓送至氣化爐燒嘴的內環隙；純氧由空分裝置經外管網送至氣化裝置的氣化爐燒嘴，自中心管和外環隙兩路供給，中心管供給的氧氣為中心氧，外環隙供給的氧氣為主氧。

中心氧經內噴頭節流加速后與內環隙供給的水煤漿在預混合腔內進行充分混合，改善水煤漿的流變性能，保證水煤漿從中套管噴出后的霧化效果。外套管出口大幅縮徑，目的是使外環隙供給的主氧獲得更高的流速，有助于水煤漿霧化良好，均勻噴出后在氣化爐內高溫高壓下氣化反應生成粗煤氣。工藝燒嘴必須如下性能：

（1）具有良好的霧化及混合效果，以獲得較高的碳轉化率；

（2）具有良好的噴射角度和火焰長度，以防損壞氣化爐耐火磚；

（3）具有一定的操作彈性，以滿足氣化爐負荷變化的需求；

（4）具有較長的使用壽命，以保證氣化運行的連續性。

工藝燒嘴的設計要考慮煤漿流量、煤漿濃度、氧氣的流量、氣化操作壓力和操作溫度、冷卻水流量等因素。

無論是中心氧、水煤漿還是主氧，流體的流通面積均需要滿足其流量要求，在流體操作壓力許可的情況下力爭達到良好的混合和霧化效果。中心氧的比例有一定的限制，一般為總氧量的10%～18%，其余均作為主氧量。中心氧量需嚴格控制，流量偏低會導致氧氣與水煤漿混合不充分。流量偏高，一方面會使預混合腔內的混合物流過高造成內噴頭磨損加重，降低燒嘴的連續使用壽命；另一方面，中心氧流量增大時必然使燒嘴出口物料的軸向速度分量增大，徑向速度分量減小，其結果是使整個燒嘴出口的火焰變得細長，無法與氣化爐的內部型面匹配，造成較大直徑的煤粉顆粒在氣化爐內停留時間變短，爐渣中的含碳量增加，引起氣化效率降低，同時會使火焰直沖爐底，影響爐底激冷環的工作以及爐磚的使用壽命。

3 水煤漿氣化爐工藝燒嘴常出現主要的問題

（1）輸送水煤漿的中噴頭內腔磨損嚴重，造成氣化爐與燒嘴壓差波動，致使工藝操作難以控制，導致有效合成氣轉化率低。

（2）輸送主氧的外噴頭端面龜裂現象嚴重,存在安全風險。

（3）燒嘴環隙公差控制大于±0.38毫米,影響煤漿壓差和霧化效果。

（4）燒嘴入爐深度設計不合理，導致投料氣化時氣化爐拱頂溫度過高。

（5）燒嘴霧化角設計存在缺陷，導致爐磚局部嚴重燒蝕,同時引起灰渣的殘碳增高。

（6）燒嘴的外盤管與外噴頭焊接處經常產生裂紋,存在安全風險。

（7）燒嘴頭部形狀設計不合理,容易造成端面開裂。

（8）燒嘴冷卻水外盤管開裂。

4 燒嘴常見問題的原因分析及改進措施

4.1 中噴頭內腔磨損

中噴頭內腔磨損屬物理磨損，是水煤漿氣化爐工藝燒嘴的致命弱點，也是制約水煤漿氣化爐及氣化裝置連續運行的主要因素之一。中噴頭是水煤漿和氧氣在預混合腔內混合后噴入氣化爐的出口，為使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣化，必須將中心氧流速提高，帶動水煤漿高速噴入氣化爐，達到霧化狀態。中噴頭內腔磨損正是由于水煤漿中含有大量的煤粉固體顆粒高速流動沖刷造成的。

針對這一問題，生產公司聯合國內科研院所和水煤漿氣化燒嘴制造廠，多次采集水煤漿組分分析數據，控制合理流速，研究解決方案，最終從優化中噴頭材質著手，通過多次試驗，采用中噴頭內襯金屬陶瓷或堆焊耐磨合金熱處理工藝解決了中噴頭內腔磨損嚴重問題，堆焊的耐磨合金還可以重復堆焊一到兩次，降低了制造成本。采用這兩種方法生產的氣化工藝燒嘴，運行一個周期后磨損量只有0.3毫米左右。

4.2 外噴頭端面龜裂

外噴頭端面龜裂即外噴頭端面出現徑向放射性裂紋及不規則裂紋。引起這一問題原因如下：

（1）熱沖擊影響：由于外噴頭端面直接接觸氣化爐內高溫工藝氣體（1200～1500℃），端面金屬材料在這樣的高溫條件下長期工作并受到高速煤漿、氧氣及回流工藝氣體的沖刷，端面材料在冶煉和鍛造過程中的所有缺陷都會逐漸暴露出來，這樣就會形成不規則龜裂。

（2）化學影響：由于外噴頭斷面處氧氣濃度較高，金屬材料在高溫氧化環境中，會發生氧化反應。高溫工況下，金屬材料也會發生滲碳現象，使金屬材料的成分和性能發生變化。另外，煤中的硫，也會使金屬表面發生高溫硫化腐蝕，形成放射性裂紋。

針對這一問題，生產公司聯合燒嘴造廠共同研究攻關，認定外噴頭套管材質選取不合理是問題的主要原因。對外套管材質進行替換，改用英美進口耐高溫合金鋼制造外噴頭，龜裂改善效果顯著，改進前外噴頭徑向有20-40毫米不等的放射性裂紋,材質改進后微裂紋只有1-3毫米左右。

4.3 燒嘴環隙公差過大

外環隙是外環氧的氣流通道，是燒嘴的關鍵的尺寸。原設計制造圖中該尺寸公差為±0.38mm,生產運行表明該公差數值偏大。經過摸索確定外氧環隙公差為±0.10mm是合理值。按照這一公差嚴格控制，效果顯著。

4.4 燒嘴入爐深度不合理

通過調整燒嘴入爐深度消除了氣化爐拱頂爐壁超溫現象。

4.5 燒嘴霧化角度設計存在缺陷

燒嘴霧化角度是燒嘴設計的核心數據,影響到水煤漿在氣化爐內反應的轉化率。角度過小，水煤漿中的顆粒在氧氣噴射的作用下和在重力加速度的驅動下不會完全反應，導致灰渣的摻碳量高達到30%左右，同時會導致錐底爐磚損壞加速；角度過大，則會導致局部爐磚氣體沖刷嚴重。合理調整了燒嘴的霧化角，使得灰渣的含碳量只有18%-20%左右節約了大量的資源。

4.6 外噴頭與冷卻水盤管焊縫處產生裂紋

燒嘴外噴頭與冷卻水盤管焊縫處產生裂紋的原因是,外噴頭材質為鈷基合金，冷卻水盤管材質為鎳基合金，兩者焊接屬異種鋼焊接，金屬材料均有熱漲冷縮的特性，且溫度變化對金屬材料的線性變量影響很大，燒嘴外噴頭置于氣化爐內1300℃的高溫熱輻射之中，燒嘴冷卻水盤管通入大量冷卻水，兩者溫差極大，由于不同材料的線性膨脹系數不同，從而導致外噴頭冷卻水進出口短管與冷卻水盤管焊接口不能同步漲縮，經應力模擬計算，此焊縫處為應力集中區。外噴頭長期處于熱應力和線性膨脹力的作用下，加上爐內氣體的長期腐蝕，最薄弱的短接管與外噴頭焊縫處便會最先開裂，導致冷卻水泄露。冷卻水一旦泄露，爐內的高壓粗煤氣極易竄入冷卻水盤管，阻段冷卻水循環系統供水，爐內高溫很快會燒蝕盤管和外噴頭端面。

經過數值模擬和試驗研究，發現鈷基-鎳基異種鋼焊接時，常規的鈷基-鎳基焊接工藝及焊材選取不盡合理，因此對焊材及焊接工藝重新進行了焊接評定，目前已基本消除焊縫開裂現象。

4.7 燒嘴頭部形狀設計缺陷

針對外噴頭端面龜裂情況，生產公司與國內燒嘴制造廠對冷卻水腔進行了數值分析。結果表明，GE工藝燒嘴頭部冷卻水腔為V形結構,冷卻水在尖角處速度遠低于腔內平均流速，甚至形成速度“空洞”，達不到沖刷冷卻外噴頭端面的目的，且此處緊貼外噴頭，冷卻水極易氣化，從而進一步堵塞尖角處的冷卻水，外噴頭端面的熱量無法及時被冷卻水帶走，在長時間的高溫作用下，尖角材料最容易發生晶相失效，從而產生龜裂。

將燒嘴頭部形狀改為圓柱狀、內部流道改變為環形平面流道，大大改善了冷卻效果,改進后燒嘴出入口溫差也有明顯的變化。

4.8 燒嘴冷卻水外盤管開裂

通過分析研究，燒嘴冷卻水外盤管開裂主要原因如下：

（1）盤管材質為inconel600，夾套材質為UMCo50，焊接兩種

材料的焊絲選用的為Co50焊絲，盤管在維修過程中一般不進行更換，所以切割口多次焊接易造成材料金相及焊接性能發生變化。

（2）無論是一體式夾套還是普通夾套，盤管和夾套頭部焊接時，存在一定的弧度和角度，且為角焊縫焊接形式，焊接強度遠低于對接焊縫，形成了薄弱點。

（3）焊接后的部件，中心有一定的偏離，未嚴格對中，在焊縫處形成了較大的應力，在惡劣的工況下極易造成損壞。

針對以上三點，生產公司與燒嘴制造商大膽改進，將原有的夾套邊緣的圓弧改為直角，盤管直接與直角面焊接，減少了焊接難度和應力點，同時在焊縫外側再增加一層盤管進行保護，二者間填充耐火氈，這雙層保護材料直接減少了焊縫在高溫氣體下的侵蝕，不再產生裂紋，延長了燒嘴的使用壽命。并且要求制造廠家在每次檢修時一定要更換頭部的圓弧彎管避免多次焊接后材料發生變化產生裂紋。

5 結語

水煤漿氣化工藝燒嘴的改造是當前國內外研究的共同課題,每次更換燒嘴都需要停爐（或倒爐），使氣化爐生產線長周期運行受到限制，停爐或倒爐一次經濟損失平均高達百萬元，氣化爐燒嘴使用壽命短，成為制約水煤漿加壓氣化裝置長周期運行的瓶徑。氣化爐工藝燒嘴能夠安全、穩定、長周期運行；能夠降低因更換工藝燒嘴帶來的操作安全風險；能夠降低因更換工藝燒嘴帶來生產波動；能夠提高氣化爐向火面爐磚的使用壽命是生產公司的迫切需求。

通過以上對燒嘴損壞主要原因的分析，從物理磨蝕、熱沖擊、化學影響、應力破壞等方面采取了有效的改進措施，使水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用壽命得以大幅提高，實現了水煤漿氣化燒嘴國產化的愿望。

通過與國內氣化燒嘴制造廠的共同攻關，改進后的燒嘴加工精度高，主體材料選取更適合生產工況、選材合理，外噴頭與冷卻水盤管異種鋼焊接材料進一步優化、焊接工藝精湛。因消除進口燒嘴的諸多缺陷，目前燒嘴壽命由原來的30天延長到現在的70天。同時由于國內制造供貨，目前燒嘴成本比原來進口降低了2-3倍，燒嘴技術改造取得了顯著效果，延長了氣化爐生產運行周期，值得國內大范圍推廣。

[1]劉孝弟化肥工業《水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關問題探討》.

[2]王朋朋西北大學碩士論文《激冷式氣化爐強度分析方法、焊接工藝研究及存在問題分析》.

張宗文（1965-），男，漢族，黑龍江省牡丹市生人，化工設備工程師，神華包頭煤化工有限責任公司供銷中心。