水煤漿氣化爐工藝燒嘴泄漏原因淺析

孟祥進，魏 靜，曹昆朋

（河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南新鄉 453000）

新疆心連心能源化工有限公司采用的是多噴嘴對置式水煤漿氣化爐工藝，燒嘴采用預膜式燒嘴。2021年3月至6月以來續三次發生泄漏，造成氣化提前倒爐。經查閱相關文獻以及向行業專家咨詢，將工藝及設備方面造成燒嘴泄漏的原因進行分析。

1 工藝方面原因分析

1.1 原料煤的煤質

1.1.1 原料煤的硫含量高

水煤漿中含有的多種腐蝕元素特別是硫經高溫分解后與噴頭合金材料中鎳發生化學反應產生硫化鎳，導致材料出現晶間腐蝕，產生微孔、微紋等缺陷，隨著時間的延長，晶間微小缺陷不斷擴大，最終形成穿孔和裂紋[1]。當煤中的硫含量升高時，爐內H2S氣體濃度升高，對工藝燒嘴頭部的腐蝕加劇，縮短燒嘴壽命。經查2020年11月至2021年6月氣化入爐煤的硫含量（如表1所示），雖然氣化入爐煤硫含量差別較大，但是2020年11月至2021年1月混煤硫含量相對較高，燒嘴運行狀況良好。2021年4月使用的混煤硫含量相對較低，燒嘴卻發生了泄漏。因此，原料煤硫含量高低與燒嘴泄漏無直接關系。

1.1.2 原料煤的灰分、灰熔點高

隨著灰分升高，煤中的有效成分隨之越低，發熱量降低。再者，煤種灰分增高，相同產氣量下，需要使用的煤漿量會更多，煤漿流量大則會增加管道與燒嘴的磨損；煤的灰熔點通常指煤灰熔融性分析中的流動溫度，其高低與煤灰的化學組成密切相關，當入爐煤的灰熔點升高時，需要加氧操作，保證在氣化爐溫度在灰熔點之上50～100℃，保證液態排渣，氧煤比升高，氣化爐溫度隨之升高，工藝燒嘴端部環境變惡劣，燒嘴壽命縮短。

由表1可以看出，1月至2月，氣化入爐煤灰分與灰熔點偶有超標。3月以來，氣化入爐煤灰分灰熔點整體較穩定，因此，可以排除原料煤灰分高及灰熔點高這一影響因素。

表1 2020年11月至2021年6月氣化入爐煤的煤質

1.1.3 原料煤的黏溫特性

原料煤的黏溫特性差，氣化爐操作彈性較小，爐溫出現小幅波動就會造成燒嘴壓差、渣口壓差波動。操作爐溫偏低，流動的渣的黏度增大后，會在爐壁表面及燒嘴口處積聚，導致燒嘴口煤漿及氧氣噴出受到影響，出現偏噴或形成回火，高溫火焰撞擊燒嘴，加快燒嘴損壞。操作爐溫偏高，液態渣的黏度減小后，爐壁表面及燒嘴口不會掛渣，沒有渣膜的保護，燒嘴完全暴露在高溫環境中，同樣會加快燒嘴端損壞。

查看2020年11月至2021年6月取樣分析的混煤煤灰黏溫特性，A∶B（水洗）∶C=5∶3∶2、A∶D∶C=5∶3∶2、F（ 水 洗 精煤）∶A∶C=5∶3∶2混煤黏溫特性測定顯示熔渣溫度區間較窄，且在此期間燒嘴壓差波動較大，爐況不穩定。因此，煤黏溫特性差是造成燒嘴泄漏的主要原因。

1.2 水煤漿的質量

1.2.1 煤漿濃度高

當水煤漿濃度升高時，其固含量隨之升高，會加劇工藝燒嘴煤漿通道的磨損與沖刷。水煤漿通道磨損較輕時，工藝燒嘴的霧化效果變差。水煤漿通道磨損較重時，可能因燒嘴偏噴導致燒嘴損壞。查2021年煤漿濃度整體較穩定，平均值在61%左右，最高控制在62.5%。因此，水煤漿濃度高不是造成燒嘴泄漏的原因。

1.2.2 煤漿粒度、黏度

合格的水煤漿必須有合理的粒度分布，從而保證高濃度的水煤漿黏度指標。我廠煤漿粒度的工藝指標為：8目：100%；14目：98%～100%；40目：90%～ 95%；200目：45%～58%；325目：30%～40%。當煤漿粒度分布中14 目及20目的比例較高時，粗顆粒較多，煤漿黏度偏低，雖然黏度低利于水煤漿的輸送，但粗顆粒多，磨損會造成高壓煤漿泵的單向閥密封性效果變差。高壓煤漿泵是柱塞式隔膜泵，若進出口單向閥出現泄漏，會直接導致泵出口壓力下降，從而引起嘴壓差波動的現象。因煤漿黏度低，煤漿通道有大顆粒積累后，煤漿通道減小，流速增加，故磨損速率增加。同時由于煤顆粒堵塞，造成燒嘴偏噴，如果噴射角度偏移，物料混合不充分，破壞氣化流場分布，導致局部溫度偏高，最終導致燒嘴損壞。與此對應，當煤漿粒度分布中 200 目及 325 目比例過高時，水煤漿中顆粒相對較細，煤粉顆粒間的摩擦力增加，相同濃度下煤漿的黏度偏高，煤漿流動性下降。高黏度的水煤漿其表面張力較大，不利于煤漿流股被氧氣流股剪切，導致霧化效果變差。還會造成高壓煤漿泵打量異常，引起燒嘴壓差低現象。

1.3 高壓煤漿泵的運行問題

燒嘴壓差指的是高壓煤漿泵出口壓力與氣化爐壓力的差值，若高壓煤漿泵進出口單向閥卡澀或者發生泄漏都會導致泵出口壓力下降，從而引起氣化爐嘴壓差波動。查看DCS運行參數，當燒嘴壓差波動時，氣化爐的壓力基本是穩定的，而高壓煤漿泵出口壓力是同步降低的。那么燒嘴壓差出現波動時，就需要對高壓煤漿泵運行情況進行分析。在燒嘴壓差波動期間，現場觀察高壓煤漿泵運行正常，同時，查看煤漿流量曲線，煤漿管線3只流量計示數幾乎沒有波動，煤漿流量沒有降低，表明高壓煤漿泵自身運行狀況是正常的，故排除高壓煤漿泵運行異常是導致上半年燒嘴頻繁泄漏的原因。

1.4 氧煤比、氣化爐溫

為保證氣化爐順利排渣，總控結合渣口壓差及現場撈渣機渣樣情況調整操作氧煤比，正常運行工況下，氣化爐操作溫度一般在1 200～1 400℃，燒嘴端部長期暴露在這種高溫熱輻射的嚴苛工況中。當操作氧煤比升高，氣化爐溫度升高，工藝燒嘴頭部環境變惡劣，爐溫升高造成燒嘴頭部外表面熱負荷升高從而引起燒嘴產生熱應力裂紋，裂紋在氣化爐內產生的 H2S等腐蝕性氣體的侵蝕下逐步擴大，造成燒嘴頭部出現龜裂而泄漏。

氣化爐內生成CO2、CO反應的熱化學方程式 如下：

由方程式可以看出，1mol碳生成 CO2放出的熱量是395.2kJ，生成一氧化碳放出的熱量是110.5kJ。轉化為 CO2比一氧化碳多放出284.7kJ的熱量。

查合成氣成分分析數據，2020年10至12月，合成氣中CO2含量平均值為17.54%（體積分數，下同）； 2021年3月至5月，合成氣中CO2含量平均值為19.49%。2021年CO2含量比2020年 高1.95%，以氣化爐產110 000m3/h有效氣計算，可多生成 2 145m3/h CO2，根據計算得知，多生產的CO2多放出27 291 294kJ（2 145×1 000÷22.4×285）熱量。因此，氣化爐氧煤比高、操作爐溫高，是造成燒嘴燒蝕泄漏的又一原因。

1.5 中心氧比例

工藝燒嘴中心氧的作用主要是增大煤漿的動能，使煤漿獲得較大的加速度，然后與高速外環氧氣流碰撞以實現切割霧化，改善工藝燒嘴噴出流體的流量密度分布，若工藝燒嘴中心氧比例不合適，煤漿霧化效果差，會出現局部過氧，易導致工藝燒嘴燒蝕和龜裂。實際操作中，工藝燒嘴中心氧流量占總氧氣流量的比例均存在一個最佳值，一般為15%～20%（體積分數），工藝燒嘴的霧化效果呈下降趨勢，可適當增加中心氧氣比例來提高工藝燒嘴的霧化效果。同時要求操作人員應根據爐溫、爐況及出渣中的殘碳含量等情況及時進行調整，以使工藝燒嘴達到最佳的工作狀態[2]。

查四只燒嘴中心氧比例平均值均在15.2%左右，且A1/B4中心氧比例低于其他三只燒嘴，認為與4月B4燒嘴、6月A1燒嘴泄漏存在一定關系。故認為中心氧比例偏低，霧化效果差，是造成A1、B4燒嘴先發生泄漏的一項因素。

1.6 氣化爐運行負荷、燒嘴冷卻水流量、氣化爐壓力影響

對比2021年3月前后的氣化爐運行工況，氣化爐運行負荷、燒嘴冷卻水流量、氣化爐壓力均無較大變化，因此，可排除上述三種因素造成的上半年燒嘴 泄漏。

2 設備方面原因分析

2.1 燒嘴冷卻水盤管折彎部位扁度影響

從拔出燒嘴外環氧端面龜裂情況看，外環氧燒嘴端面上半部分要明顯比下半部分龜裂嚴重，中心部分比外緣龜裂嚴重，因冷卻水為下進上出以及外氧噴頭中心較薄且無冷卻水，因此確認冷卻水量對燒嘴端面龜裂影響較大。

冷卻水盤管接近外氧噴頭的上下兩處折彎為90°，折彎的扁度直接影響盤管的通流面積，對冷卻水流量影響較大，冷卻水盤管φ21.3mm* 2.77mm，經過90°折彎后變寬，規范要求管子折彎后扁度不超過管子直徑的10%（即≤23.43mm），最近三次使用的燒嘴彎頭部位檢測尺寸都在22.80～24.00mm，存在部分超標的情況，這也可能會對燒嘴冷卻水流量造成影響。

2.2 冷卻水盤管彎頭進入外環氧水室角度

從燒嘴燒蝕嚴重的端面龜裂的情況看，一般都存在左右兩側燒蝕不一致的情況，基本上可以判定為燒嘴水室左右兩側的過水量不均勻造成的，如圖1所示。

圖1 冷卻水進水示意圖

冷卻水通過彎頭從水室下部進入水室，在進口處分為A/B兩股流并列在水室內流動并在出口處匯總，若進口管進入水室的角度未按照圖中所示與垂直中心線重合，而是存在一定的偏斜進入水室，勢必會造成一側的水流大于另一側的情況，并在出口匯集部位對另一側水流形成水阻，進一步加劇了另一側冷卻水流量不足，造成了冷卻水在燒嘴噴頭水室內兩側有明顯流量差，流量通過較少的部位就會產生龜裂情況，最終形成了燒嘴端面兩側龜裂不一致的情況。

2.3 外環氧噴頭水室焊縫焊接質量

外氧噴頭焊接部位三處，均為單面焊接成型。在焊接時，尤其是筒體與水室端面焊接的焊縫，易出現焊接時焊瘤突出的情況，對冷卻水在水室內的流動形成阻力，影響燒嘴噴頭的冷卻效果，造成燒嘴端面易出現龜裂情況。

2.4 外氧水室端面厚度

由于燒嘴在運行過程中需要用冷卻水帶走燒嘴頭部的熱量，起到對燒嘴降溫的作用。當燒嘴冷卻水室端面過厚時，會影響傳熱效果，造成燒嘴冷卻水室端面熱量積聚溫度升高，易出現龜裂現象；同時當該端面過厚時，其內外兩側會因溫差過大形成熱應力，也易使端面出現龜裂現象。

目前燒嘴實測厚度均在5.5～5.8mm，之前與廠家溝通厚度控制在5～5.5mm，但實際執行偏上限并超出上限，也是燒嘴龜裂的一個影響因素。

3 延長工藝燒嘴使用壽命的措施

3.1 工藝方面

（1）降低氣化操作爐溫。在保證氣化爐液態排渣的情況下，盡量降低氣化爐爐溫。

（2）排查造成中心氧比例低的原因，并進行調整，提高中心氧比例。

3.2 設備方面

（1）結合燒嘴制造廠家，采用新技術（燒嘴端面熔覆耐高溫的氧化鋯）增強燒嘴的抗燒蝕能力，目前新能鳳凰計劃試用，跟蹤了解使用效果，若可行及時在我公司試用。

（2）嚴格燒嘴入廠驗收質量，對燒嘴冷卻水端部折彎部位進行檢測，結合廠家折彎處超過23.43mm的視為不合格，需要返工處理。

（3）燒嘴外修期間派人到現場監造燒嘴修復，重點關注燒嘴頭部水室焊縫，重點關注彎頭插入水室的角度以及彎頭端部是否平整。

（4）嚴格控制水室端面厚度，保證端面厚度尺寸在5～5.5mm，盡可能地偏下限執行。

4 結束語

工藝燒嘴的穩定運行是水煤漿氣化爐長周期運行的關鍵。新疆心連心根據氣化爐停車檢查情況，在對氣化爐工藝燒嘴損傷的可能原因進行分析與排查后，主要采取了如下防范措施：加強原料煤煤質監控，確保原料煤的灰分、硫含量、灰熔點等在指標范圍內，減輕煤種或原料煤煤質變化引起的燒嘴壓差波動；當氣化爐原料煤煤質發生變化時，工藝操作上及時進行調整，并通過摻燒一定比例低灰分煤的方式確保燒嘴壓差的穩定；加強磨煤機的運行維護及保養，確保磨煤機穩定運行及煤漿粒度分布合格；減輕高壓煤漿泵出口流量波動帶來的氣化爐燒嘴過氧燒蝕。