浅谈水煤浆气化炉烧嘴的改进措施

　　【摘要】对德士古水煤浆气化炉工艺烧嘴的材质、制作工艺和生产运行的实际情况进行调研，简述了水煤浆气化工艺烧嘴的结构特点、工作原理、影响烧嘴使用寿命的原因等，提出了烧嘴修复与工艺操作等方面对烧嘴进行改进的措施。
　　【关键词】气化炉；烧嘴结构；烧嘴修复：改进
　　引言：
　　水煤浆加压气化技术由于高效、洁净，在我国备受关注并大量推广。但工艺烧嘴的一次性连续使用寿命较短，影响了单台气化炉的连续运行时间，制约了装置的长周期运行，并影响经济效益。本文对多原料浆气化工艺烧嘴的结构形式、工作原理、影响烧嘴使用的原因、烧嘴修复的改进、技术改进等问题进行分析，提出了相应的改进措施。
　　一、工艺烧嘴的结构形式
　　目前普遍采用的气化炉工艺烧嘴头部结构如图所示。烧嘴的设计需要考虑的因素有以下。
　　（一）结构形式
　　为同心三套管。烧嘴中心氧管的出口设计成缩口形式，目的是对中心氧进行加速，同时其端面相对于烧嘴断面基准面有一定的缩入量，这样形成一个水煤浆和中心氧的预混合腔，水煤浆的出口管路也设计成缩口形式，使进入预混合腔的水煤浆具备一定的速度。在预混合腔内，利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速，改善水煤浆的流变性能，其目的是为了保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩入量更大一些，目的是提供更高流速的氧气，使通过预混腔的水煤浆混合物进行良好的雾化，以便在气化炉内达到良好的气化效果。
　　（二）流通通道
　　无论是中心氧、还是水煤浆及外氧的流通面积，均需要满足各自介质的流量要求。在供应压力允许的情况下，力争达到良好的混合和雾化效果。但是，中心氧的比例有一定的限制，一般为总氧量的12～16，其余均作为外氧。中心氧量不能太小，不然达不到对煤浆的稀释和加速作用。中心氧量也不能太大，一方面造成中心管出口处的磨损加重，降低烧嘴的连续使用寿命；另一方面，会使整个烧嘴出口的火焰变得细长，造成较大直径的煤粉颗粒在气化炉内停留时间变短，炉渣中的含碳量增加，引起气化效率降低，而且，会使火焰直冲炉底，影响炉底激冷环的工作。
　　（三）流速
　　中心氧的出口流速一般为100～120ms，煤浆出口流速一般为2～4ms，预混合腔出口平均流速一般为12～20ms，外氧的出口流速一般为160～200ms。
　　二、影响烧嘴使用寿命的主要因素探讨
　　水煤浆气化炉工艺烧嘴的损坏方式主要有种：冷却水盘管损坏；中喷头物理磨蚀；热、化学、应力使外喷头受损。
　　（一）冷却水盘管损坏
　　冷却水盘管的作用是保护烧嘴（处于高温工艺气体的本体部分），冷却水盘管的外部环境恶劣。损坏方式一般有以下几种。
　　（1）冷却水盘管和外喷头焊接处热应力损坏。两个零件之间的连接为角焊缝焊接，壁厚差别较大，使用材料也不同，又处于烧嘴的端部，在使用过程中，容易产生裂纹形式的损坏。
　　（2）冷却水温度的影响。如果冷却水盘管内的冷却水温度控制不当，会造成盘管表面低温腐蚀，一般将冷却水温度控制在170以上比较合适，但实际工艺设计中，冷却水的工作温度一般在50以下，这样盘管表面就存在低温腐蚀。
　　（3）烧嘴制作工艺的影响。冷却水盘管在弯制过程中，要控制好加热温度和弯制速度，控制管材的变形量和减薄量，保证盘管成型后的整体强度和刚度。
　　（4）烧嘴在使用中的影响。在正常运行过程中，由于工艺烧嘴端面处存在较强的气体回流，工艺烧嘴与气化炉内壁之间的空隙处经常会出现积渣，这些积渣在烧嘴拔出时也会造成盘管的损坏，增加盘管的壁厚等级可以有效减轻这一损坏。
　　（二）中喷头的物理磨蚀
　　物理磨损是水煤浆气化炉工艺烧嘴的致命弱点，也是影响水煤浆气化炉连续运行和整个工艺连续运行的主要因素之一。一般情况下，水煤浆气化炉工艺烧嘴连续运行40～90天（与使用的煤种、气化炉压力等有关），就需要停炉检修和更换。为了使水煤浆中的煤粉在气化炉中充分气化，必须用一定量的氧气对水煤浆进行雾化，为了达到良好的雾化效果，气体流速必须达到一定值。也就是说，预混合腔内的混合物（水煤浆、氧气）流速必须达到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，造成中喷头内腔磨损。
　　为了增加中喷头内腔的抗磨损能力，选用抗磨性能良好的材料是目前唯一可行的方法，当然还要考虑抗氧化性能。普遍采用的材料是Inconel600和UMCo50，但连续工作的时间也只有40～90天（与使用的煤种、气化压力等有关）。
　　（三）外喷头端面出现径向放射性裂纹及不规则龟裂
　　水煤浆气化炉工艺烧嘴另外一种损坏形式，是外喷头端面出现径向放射性裂纹及不规则龟裂因素主要有以下几个方面。
　　（1）热冲击影响。由于外喷头的端面向着炉内高温工艺气体，一般为1200～1400，金属材料在这样的高温条件下长期工作，并受到高速煤浆、氧及回流的工艺气体冲刷，冶炼和锻造过程中的所有缺陷都会逐渐暴露出来，这样就会形成不规则龟裂。
　　（2）化学影响。由于外喷头处的氧气浓度较高，金属材料在高温的氧化环境中，会发生氧化反应。高温情况下，金属材料也会发生一定的渗碳，使金属材料的成分和性能发生变化。另外，煤中的硫，也会使金属表面发生高温硫化腐蚀。
　　（3）应力影响。径向放射性裂纹的源头是外喷头的孔口，这是零件机械加工后的应力集中部位，在高温条件下，应力释放是形成放射性裂纹的根源，也是外喷头损坏的最主要因素。
　　三、烧嘴修复的注意事项
　　更换下的工艺烧嘴需要进行修复，工艺烧嘴的修复好坏决定着下一周期烧嘴使用的时间长短，因此工艺烧嘴的修复工作十分重要。
　　（一）修复焊料的选择。选用耐磨性、耐热冲击性和抗S腐蚀性较好的材料，采用Inconel600、UMCo50等材料。利用热喷涂技术将特种耐热、耐腐蚀的合金粉末喷涂到外喷头的端面，可以起到良好的防热、防腐作用，大大延长外喷头的使用寿命。通过选择特种合金粉末和改良热喷涂工艺，能够取得令人满意的效果。
　　（二）修复方法。烧嘴内管烧蚀后，应进行堆焊修复。由于内管喷头形状不规则，管壁很薄且不均匀，直接在喷头上堆焊效果不会太好且影响内管内壁原有质量。焊后应进行缓冷或将工件立即放入干燥和热的砂箱或草灰中缓冷，以避免裂缝。因此修复堆焊后，可选用石棉板或采取其他保温措施缓冷防裂。
　　四、技术改进建议
　　（1）尽量减少煤浆中的铁屑、制出合格煤浆。在供煤处增加除铁器，增加煤斗下料口的长度，使煤通过称重给料机的厚度减小，埋在煤里的铁屑更容易除去。及时除去除铁器的铁屑、经常清理大小煤浆泵进出口死角处的铁屑及杂质。
　　（2）烧嘴入炉至投料的时间应尽可能的短，烧嘴冷却水的量要完全控制好，不要出现断水、水量少及水量大幅度波动。尤其是在停炉时，软硬管切换更要注意水量，烧嘴吊装时要小心，不要磕碰烧嘴的头部。
　　（3）烧嘴冷却水盘管使用耐高温防火材料进行包果，避免盘管与高温气体的直接接触，减少因为盘管泄漏对烧嘴的损伤。
　　（4）提高操作人员的操作水平与责任心。
　　【参考文献】
　　〔1〕刘孝弟。水煤浆气化炉烧嘴第25届全國氮肥厂技改经验交流年会论文，2007年11月
　　〔2〕吴纯马浅析我公司多元料浆工艺烧嘴长周期运行因素中国中氮肥2011年4月
　　〔3〕阀门技术手册〔M〕。机械工业出版社，1991。