淺談水煤漿氣化爐燒嘴的改進措施

孫嘉璐

【摘 要】對德士古水煤漿氣化爐工藝燒嘴的材質、制作工藝和生產運行的實際情況進行調研，簡述了水煤漿氣化工藝燒嘴的結構特點、工作原理、影響燒嘴使用壽命的原因等，提出了燒嘴修復與工藝操作等方面對燒嘴進行改進的措施。

【關鍵詞】氣化爐；燒嘴結構；燒嘴修復：改進

引言：

水煤漿加壓氣化技術由于高效、潔凈，在我國備受關注并大量推廣。但工藝燒嘴的一次性連續使用壽命較短，影響了單臺氣化爐的連續運行時間，制約了裝置的長周期運行，并影響經濟效益。本文對多原料漿氣化工藝燒嘴的結構形式、工作原理、影響燒嘴使用的原因、燒嘴修復的改進、技術改進等問題進行分析，提出了相應的改進措施。

一、工藝燒嘴的結構形式

目前普遍采用的氣化爐工藝燒嘴頭部結構如圖所示。燒嘴的設計需要考慮的因素有以下。

（一）結構形式

為同心三套管。燒嘴中心氧管的出口設計成縮口形式，目的是對中心氧進行加速，同時其端面相對于燒嘴斷面基準面有一定的縮入量，這樣形成一個水煤漿和中心氧的預混合腔，水煤漿的出口管路也設計成縮口形式，使進入預混合腔的水煤漿具備一定的速度。在預混合腔內，利用中心氧對水煤漿進行稀釋和初加速，改善水煤漿的流變性能，其目的是為了保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮入量更大一些，目的是提供更高流速的氧氣，使通過預混腔的水煤漿混合物進行良好的霧化，以便在氣化爐內達到良好的氣化效果。

（二）流通通道

無論是中心氧、還是水煤漿及外氧的流通面積，均需要滿足各自介質的流量要求。在供應壓力允許的情況下，力爭達到良好的混合和霧化效果。但是，中心氧的比例有一定的限制，一般為總氧量的12%～16%，其余均作為外氧。中心氧量不能太小，不然達不到對煤漿的稀釋和加速作用。中心氧量也不能太大，一方面造成中心管出口處的磨損加重，降低燒嘴的連續使用壽命；另一方面，會使整個燒嘴出口的火焰變得細長，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，而且，會使火焰直沖爐底，影響爐底激冷環的工作。

（三）流速

中心氧的出口流速一般為100～120 m/s，煤漿出口流速一般為2～4 m/s，預混合腔出口平均流速一般為12～20 m/s，外氧的出口流速一般為160～200 m/s。

二、影響燒嘴使用壽命的主要因素探討

水煤漿氣化爐工藝燒嘴的損壞方式主要有種：冷卻水盤管損壞；中噴頭物理磨蝕；熱、化學、應力使外噴頭受損。

（一）冷卻水盤管損壞

冷卻水盤管的作用是保護燒嘴（處于高溫工藝氣體的本體部分），冷卻水盤管的外部環境惡劣。損壞方式一般有以下幾種。

（1）冷卻水盤管和外噴頭焊接處熱應力損壞。兩個零件之間的連接為角焊縫焊接，壁厚差別較大，使用材料也不同，又處于燒嘴的端部，在使用過程中，容易產生裂紋形式的損壞。

（2）冷卻水溫度的影響。如果冷卻水盤管內的冷卻水溫度控制不當，會造成盤管表面低溫腐蝕，一般將冷卻水溫度控制在170℃以上比較合適，但實際工藝設計中，冷卻水的工作溫度一般在50℃以下，這樣盤管表面就存在低溫腐蝕。

（3）燒嘴制作工藝的影響。冷卻水盤管在彎制過程中，要控制好加熱溫度和彎制速度，控制管材的變形量和減薄量，保證盤管成型后的整體強度和剛度。

（4）燒嘴在使用中的影響。在正常運行過程中，由于工藝燒嘴端面處存在較強的氣體回流，工藝燒嘴與氣化爐內壁之間的空隙處經常會出現積渣，這些積渣在燒嘴拔出時也會造成盤管的損壞，增加盤管的壁厚等級可以有效減輕這一損壞。

（二）中噴頭的物理磨蝕

物理磨損是水煤漿氣化爐工藝燒嘴的致命弱點，也是影響水煤漿氣化爐連續運行和整個工藝連續運行的主要因素之一。一般情況下，水煤漿氣化爐工藝燒嘴連續運行40～90天（與使用的煤種、氣化爐壓力等有關），就需要停爐檢修和更換。為了使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣化，必須用一定量的氧氣對水煤漿進行霧化，為了達到良好的霧化效果，氣體流速必須達到一定值。也就是說，預混合腔內的混合物（水煤漿、氧氣）流速必須達到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固體顆粒，造成中噴頭內腔磨損。

為了增加中噴頭內腔的抗磨損能力，選用抗磨性能良好的材料是目前唯一可行的方法，當然還要考慮抗氧化性能。普遍采用的材料是Inconel600和UMCo-50，但連續工作的時間也只有40～90天（與使用的煤種、氣化壓力等有關）。

（三）外噴頭端面出現徑向放射性裂紋及不規則龜裂

水煤漿氣化爐工藝燒嘴另外一種損壞形式，是外噴頭端面出現徑向放射性裂紋及不規則龜裂因素主要有以下幾個方面。

（1）熱沖擊影響。由于外噴頭的端面向著爐內高溫工藝氣體，一般為1200～1400℃，金屬材料在這樣的高溫條件下長期工作，并受到高速煤漿、氧及回流的工藝氣體沖刷，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。由于外噴頭處的氧氣濃度較高，金屬材料在高溫的氧化環境中，會發生氧化反應。高溫情況下，金屬材料也會發生一定的滲碳，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。

（3）應力影響。徑向放射性裂紋的源頭是外噴頭的孔口，這是零件機械加工后的應力集中部位，在高溫條件下，應力釋放是形成放射性裂紋的根源，也是外噴頭損壞的最主要因素。

三、燒嘴修復的注意事項

更換下的工藝燒嘴需要進行修復，工藝燒嘴的修復好壞決定著下一周期燒嘴使用的時間長短，因此工藝燒嘴的修復工作十分重要。

（一）修復焊料的選擇。選用耐磨性、耐熱沖擊性和抗S腐蝕性較好的材料，采用Inconel600、UM Co-50等材料。利用熱噴涂技術將特種耐熱、耐腐蝕的合金粉末噴涂到外噴頭的端面，可以起到良好的防熱、防腐作用，大大延長外噴頭的使用壽命。通過選擇特種合金粉末和改良熱噴涂工藝，能夠取得令人滿意的效果。

（二）修復方法。燒嘴內管燒蝕后，應進行堆焊修復。由于內管噴頭形狀不規則，管壁很薄且不均勻，直接在噴頭上堆焊效果不會太好且影響內管內壁原有質量。焊后應進行緩冷或將工件立即放入干燥和熱的砂箱或草灰中緩冷，以避免裂縫。因此修復堆焊后，可選用石棉板或采取其他保溫措施緩冷防裂。

四、技術改進建議

（1）盡量減少煤漿中的鐵屑、制出合格煤漿。在供煤處增加除鐵器，增加煤斗下料口的長度，使煤通過稱重給料機的厚度減小，埋在煤里的鐵屑更容易除去。及時除去除鐵器的鐵屑、經常清理大小煤漿泵進出口死角處的鐵屑及雜質。

（2）燒嘴入爐至投料的時間應盡可能的短，燒嘴冷卻水的量要完全控制好，不要出現斷水、水量少及水量大幅度波動。尤其是在停爐時，軟硬管切換更要注意水量，燒嘴吊裝時要小心，不要磕碰燒嘴的頭部。

（3）燒嘴冷卻水盤管使用耐高溫防火材料進行包果，避免盤管與高溫氣體的直接接觸，減少因為盤管泄漏對燒嘴的損傷。

（4）提高操作人員的操作水平與責任心。

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