氣化爐燒嘴燒蝕分析及應對措施

文/張穎 馬小剛

對氣化爐燒嘴燒蝕情況進行分析，為氣化爐的長周期運行提供支持和解決方案——水煤漿氣化爐運行過程中時常出現燒嘴燒蝕情況，嚴重影響氣化爐的長周期運行，本文從實際運行工況出發，詳細進行了氣化爐燒嘴燒蝕分析并提出應對措施，希望能為相關技術發展提供必要的支持。

燒嘴的穩定運行直接影響氣化爐的長周期運行，隨著運行工況的改變、煤種的多元化、燒嘴多次修復等一系列相關因素的共同影響，近年來燒嘴燒蝕問題尤為突出，從運行經濟性及安全性角度出發，確實需要從根源分析燒嘴燒蝕原因，并探尋燒嘴長周期運行方案。

燒嘴相關工藝介紹

燒嘴結構

工藝燒嘴是水煤漿氣化的關鍵設備之一，其霧化特性的好壞將直接影響合成氣的主要成分組成和碳的轉化率狀況。因為工藝燒嘴的使用期限也會直接影響著氣化爐能否實現長周期運行，所以要求燒嘴應該符合以下關鍵特性：霧化良好，并具有適當的霧化角度。工藝燒嘴為三流道結構，它是由3根同心的噴管組裝成的，氧氣走中心管道及外環隙，煤漿走內環隙。燒嘴運行工況處于高溫下，所以為保護頭部管道，在燒嘴端處設置冷盤管和水夾套，同時利用通入的降溫后的脫鹽水來冷卻管道，減少、抑制高溫燃蝕。

燒嘴冷卻水流程、指標及相關聯鎖

1.燒嘴冷卻水流程簡介

在水煤漿氣化工藝中，為延長工藝燒嘴的使用壽命，有一套專門針對燒嘴頭部進行冷卻的燒嘴冷卻水系統。來自管網系統的除鹽水首先送入氣化裝置的脫鹽水儲槽，經過水泵增壓后，除鹽水被送入脫鹽水換熱器，然后冷卻后的脫鹽水分4路分別進入對應的工藝燒嘴的冷卻盤管，單燒嘴冷卻水流速：12 m3/h。出燒嘴冷卻盤管的除鹽水，分別進入對應的燒嘴冷卻回水分離罐中，燒嘴冷卻回水分離罐不間斷通入低壓氮，作為CO分析的載氣，最后燒嘴冷卻回水分離罐的載氣經過放空管排入大氣。在每個放空管上分別安裝CO監測器，一旦冷卻盤管燒穿，氣化爐內的合成氣則泄漏進入冷卻水后，放空管上的CO監測器會發出報警，從而能及早提醒操作人員采取相應的處置措施，燒嘴冷卻回水分離罐的除鹽水依靠重力作用流回到燒嘴冷卻水槽內。

為了保證燒嘴冷卻水系統正常運行，燒嘴冷卻水系統有獨立的聯鎖設置，聯鎖依據為燒嘴冷卻水總管壓力，當其低于壓力整定值2.0 MPa時，燒嘴冷卻水備用泵自起動；壓力低于整定值1.5 MPa時，事故燒嘴冷卻水泵起動；當壓力達到1.0 MPa時，事故燒嘴冷卻水罐出口閥打開向燒嘴提供冷卻水，同時事故燒嘴冷卻水槽液位低100 mm或燒嘴冷卻水進口流速低于6 m3/h會引發氣化爐聯鎖停車。

2.燒嘴冷卻水流程主要指標

正常運行時燒嘴冷卻水指標主要為進出口流速、入口壓力、出口溫度以及一氧化碳含量；燒嘴冷卻水進口、出口流速：11～13 m3/h ；燒嘴冷卻水入口壓力：2.6 MPa；燒嘴冷卻水回水溫度：27℃（冬季）；燒嘴冷卻水回水一氧化碳含量：0 ppm；

3.燒嘴冷卻水相關聯鎖

燒嘴冷卻水聯鎖1：出口溫度高（60℃），入口壓力高（2.8 MPa），入口流速低（6 m3/h），三選二，則燒嘴冷卻水進、出口閥關，停車；燒嘴冷卻水聯鎖2：燒嘴冷卻水入口流速低（6 m3/h），則燒嘴冷卻水進、出口閥關，停車；燒嘴冷卻水聯鎖3：燒嘴冷卻水出口流速高（18 m3/h），則燒嘴冷卻水進、出口閥關，停車；燒嘴冷卻水聯鎖3：燒嘴冷卻水入口－出口流速差（6 m3/h）、燒嘴冷卻水出口－入口流速差（6 m3/h）；則燒嘴冷卻水進、出口閥關。以上聯鎖觸發均可引起對應單對燒嘴停車。

燒嘴燒蝕現象

氣化爐運行52天，出現單對燒嘴不明原因跳車，檢查中控室SIS畫面如圖1所示，發現該對燒嘴冷卻水進出口閥門關閉，燒嘴跳車前燒嘴進口流速13 m3/h、出口流速13 m3/h、出口溫度28℃，燒嘴冷卻水系統指標均正常無波動。跳車前氣化爐壓力5.78 MPa、氧氣壓差1.09 MPa、氧氣流速9 810 m3/h、中心氧流速1 800 m3/h、煤漿流速19.8 m3/h、 煤漿壓力5.84 MPa、燒嘴壓差0.24 MPa等各項指標均平穩無波動。

圖1 中控室SIS畫面出現單對燒嘴不明原因跳車現象

泄漏前30 min燒嘴冷卻水回水CO報警曲線，如圖2所示， 事故發生前回水CO報警無明顯變化，事故發生瞬間CO報警并滿量程。

圖2 燒嘴冷卻水回水CO報警曲線

氣化爐運行周期內負荷偏低，轉速基本在770～980 r/min調整。煤種變化較大，共更換配煤12次，煤漿灰分偏高，平均值為9.36%，最高值為11.47%，最低值為7.76%，控制值為≤8%，煤漿灰熔點也逐漸升高，平均值為1 130℃，最高值為1 220℃，最低值為1 090℃。

燒蝕判斷

根據以上信息，同時考慮到燒嘴運行周期較短且長時間處于正常負荷的68%～86%負荷運行狀態，初步判斷燒嘴無問題，懷疑閥門誤動作導致。結合以往經驗為避免燒嘴燒壞，遂立即再次投用燒嘴冷卻水系統，13:45燒嘴冷卻水進口、出口閥門全部打開。開閥后控制室監控人員發現燒嘴冷卻水進口流速0 m3/h，出口流速由20 m3/h降至0 m3/h，操作人員立即關閉燒嘴冷卻水進出口閥，該對燒嘴停車并緊急拍停氣化爐另外一對燒嘴，現場檢查發現該燒嘴已燒穿。

復盤分析

燒嘴泄漏前各工藝運行穩定，燒嘴壓差相對穩定無明顯波動。燒嘴泄漏前半小時氧氣流速、煤漿流速無明顯波動：燒嘴冷卻水流量曲線、壓差曲線、冷卻水溫度平穩無明顯波動。燒嘴端面運行52天燒損情況與其他1#、3#、4#三臺情況基本一致。初步判斷該燒嘴屬于燒嘴端面上部瞬間爆開，出現大面積泄漏，觸發燒嘴冷卻水聯鎖跳車。如圖3所示，燒嘴端面上部出現沖刷狀空洞，其他部位燒蝕正常，無明顯燒蝕。燒嘴盤管燒蝕嚴重，斷口呈爆破狀。燒嘴室靠近盤管前部彎頭焊縫處上方耐火磚燒蝕嚴重。結合相關工藝數據和燒蝕情況分析，其原因可能有以下幾點。

圖3 燒嘴燒穿實況

1.氣化爐內局部流場紊亂等原因導致部分熔渣非正常落在回水管彎頭附近，該熔渣溫度非常高，而該區域又是富氧環境，熔渣富氧燒蝕，致使盤管前擋板和回水管（或外氧端蓋）在瞬間內被燒壞或擊穿，冷卻水大量泄漏，觸發聯鎖條件，氣化爐跳車、冷卻水進出口閥聯鎖關閉。

2.煤質變差，熔渣滴落到燒嘴盤管或端蓋處，致使燒嘴盤管或端蓋受熱不均勻，產生熱應力破壞。

3.燒嘴噴頭端蓋由于結構不連續，在運行中受熱膨脹量不同，產生熱應力，導致燒嘴損壞。

4.從其他3臺燒嘴盤管擋板檢查圖片也能看出擋板有明顯擊穿孔洞或燒損現象，如圖4所示，1#燒嘴盤管前部擋板擊穿不規則孔洞；3#燒嘴擋板缺失 1/3 的大小；4#燒嘴擋板上部幾乎全部燒損。

圖4 3臺燒嘴盤管擋板燒穿情況

應對措施

1.煤場增加監控，嚴格按照下發方案配比進行配煤，確保配煤均勻，化驗室增加煤漿灰熔點分析頻次監控配煤均勻度。

2.氣化裝置關注入廠煤灰熔點數據，針對灰熔點偏高煤種，入爐前提前調整氣化爐操作爐溫。

3.設備部與原料裝置共同考察增加原料煤除雜裝置，減少原料煤中雜物。

4.對燒嘴質量驗收層層把關，建立燒嘴驗收臺賬，提高氣化爐燒嘴本身質量。

5.氣化裝置通過合成氣出工段閥自主控制氣化爐壓力在6.45±0.05 MPa，制定系統負荷壓力對照表，從而穩定氣化爐操作壓力。

結論

1.氣化爐因市場因素采用多煤種摻燒，粘溫特性波動、灰分偏高，燒嘴端面渣膜厚度波動，燒嘴端面掛渣導致外環氧偏流造成富氧環境下火焰偏噴，是燒嘴頭部燒蝕損壞的主要原因。

2.該燒嘴室M1喇叭口爐磚磨損量增加，燒嘴上部回旋流場影響及夾帶灰渣量增加，對燒嘴端部冷卻水盤管燒蝕也有一定影響。

3.根據目前燒嘴尺寸及運行參數，請燒嘴修復廠家進行燒嘴出口流體CFD仿真模擬和強度ANSYS分析，對燒嘴結構和尺寸進一步優化。

4.燒嘴端面冷卻水夾套結構的不連續，受熱膨脹不均勻，產生熱應力是導致端面龜裂的主要原因，今后考慮優化端面結構或將盤管水冷改為夾套水冷。

5.根據目前燒嘴端面上部冷卻水盤管損壞問題，可考慮更改冷卻水盤管進燒嘴水冷夾套的方向，并制作保護燒嘴頭部和盤管的澆注料專用模具。

6.工藝燒嘴維修要嚴格規范焊接質量標準。

7.工藝燒嘴中心長期受煤漿沖刷磨損減薄，而造成運行過程中擺動，影響流體穩定性，對燒嘴穩定運行造成一定的影響。

8.燒蝕燒嘴故障前氧量波動，還要繼續進行原因分析。

9.需要不斷學習和擴大認知范圍，加強對同類型行業的考察交流，并逐步學習、熟練各種設備強度計算軟件、力學計算軟件的應用。