李振家
（陕西未来能源化工有限公司，陕西 榆林719000）
［摘 要］ 陕西未来能源化工有限公司1 000 kt/a煤间接液化示范装置设置有8台多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉，气化系统于2015年7月投运。实际生产中原料煤灰分平均约12%～13%（设计要求原料煤灰分约8%），气化炉工艺烧嘴（三通道预膜式）因物料磨损、高温辐射烧蚀出现运行周期短、物料消耗高、风险隐患大等问题。为此，总结生产经验并借鉴业内改造经验，于2017年3月—2023年12月陆续实施了工艺烧嘴的优化改造——煤浆喷头镶嵌耐磨喷嘴及中心氧喷头外表面堆焊新型合金耐磨层、自主研发“烧嘴外氧端面防烧隔热护罩装置”及工艺烧嘴中心氧管和激冷水管等辅助改造。优化改造完成后，解决了工艺烧嘴运行中的上述问题，保证了气化系统的安、稳、长、满、优运行。
［关键词］多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉；工艺烧嘴；运行问题；原料煤灰分高；喷头耐磨改造；外氧端面防烧隔热改造；中心氧管改造；激冷水管改造
［中图分类号］TQ546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）01-0014-04
0 引 言
工艺烧嘴是煤化工装置气流床气化系统（包括水煤浆加压气化工艺与粉煤加压气化工艺）中的核心设备，自水煤浆加压气化技术工业化应用以来，无论是单喷嘴系统还是多喷嘴系统，烧嘴均是影响系统长周期稳定运行的首要因素，气化系统运行周期基本上均是以工艺烧嘴的使用寿命来确定的。自20世纪80年代鲁南化肥厂（现兖矿鲁南化工有限公司）引进国内首套水煤浆加压气化装置（德士古顶喷嘴水煤浆加压气化工艺）以来（1993年4月建成投产），至今已有30多年的工业化历程，煤化工产业取得长足发展，如今已衍生出多种类型水煤浆气化炉及相关煤气化工艺技术，但水煤浆气化炉主要基本结构只有两种——顶喷式（烧嘴）及对置式（烧嘴），工艺烧嘴基本上沿袭同心套管式结构，其本质结构并未发生改变[如夹套式冷却结构（多喷嘴水煤浆加压气化，取消外置冷却水盘管）、多套管结构（多元料浆加压气化）及其辅助改造升级等，均未从本质上改变烧嘴结构]，故水煤浆加压气化工艺烧嘴运行中均会出现不同程度的烧蚀、磨损及烧嘴压差变化等问题。据有关统计，水煤浆加压气化系统60%的安全事故均与烧嘴有关——或由烧嘴直接引发，或因烧嘴损毁后引发，且气化系统大部分技术经济指标均与烧嘴运行状况有关，如何尽可能延长工艺烧嘴运行周期与保持其高效经济运行状态，一直以来都是业内努力探索的方向与目标。
陕西未来能源化工有限公司（简称未来能源）国内首套1 000 kt/a煤间接液化示范装置（煤制油装置）气化系统2015年7月投运，设置8台设计操作压力4.0 MPa、操作温度1 350 ℃（实际运行炉温1 250～1 300 ℃）、Φ3 880 mm的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉（1#～8#气化炉，设计六开两备，现阶段以五开三备为主），单台气化炉设计原料煤处理量约2 012 t/d（收到基）。针对未来能源气化炉工艺烧嘴运行过程中因物料磨损、高温辐射烧蚀造成的运行周期短、物料消耗高、风险隐患大等问题，通过总结生产经验及借鉴业内改造经验，制定了工艺烧嘴改造方案：① 借鉴成熟技术煤浆喷头“镶嵌耐磨喷嘴”及中心氧喷头外表面堆焊新型合金耐磨层解决其磨损问题，保障工艺烧嘴的长周期高效经济运行；② 通过自主研发“外氧喷头防烧隔热护罩装置”，解决或缓解因烧嘴受炉内高温辐射、回火烧蚀而损毁的问题；③ 实施部分辅助改造，如中心氧管改造、激冷水管改造等。上述优化改造于2017年3月—2023年12月陆续完成。通过对工艺烧嘴进行综合改造及工艺操作调优，保证了气化系统的安、稳、长、满、优运行。以下对有关情况作一介绍。
1 工艺烧嘴结构及损毁原因分析
未来能源多喷嘴对置式水煤浆加压气化系统工艺烧嘴采用三通道预膜式结构，4只工艺烧嘴均分布于气化炉壁同一水平面上，通过内外通道氧气对中间通道煤浆进行撞击、剪切而使煤浆初次雾化，喷射入炉膛后四股初步雾化的煤浆进一步撞击以强化雾化效果，未充分燃烧的煤浆液滴通过二次碰撞、破碎形成更小的液滴，使物料尽可能充分燃烧，为气化过程创造有利条件。工艺烧嘴作为物料与气化剂能量交换的载体，在高温、高压、氢腐蚀等苛刻条件下，承受炉内火焰烧蚀和物料的冲刷，这也是工艺烧嘴损毁及影响烧嘴运行效能的主要因素。简言之，“物料磨损”和“高温烧蚀、热腐蚀”是工艺烧嘴的主要损毁形式，除设备自身原因（如材质、制作工艺及缺陷、结构设计等）外，气化炉燃烧室的工艺环境对烧嘴的稳定运行也有重要的影响，如气化炉操作温度（高低）对烧嘴使用寿命有直接影响，而炉温的高低一般主要取决于入炉煤的灰分，灰分高则气化炉须提温操作。研究与实践发现，多喷嘴对置式水煤浆加压气化系统正常运行时烧嘴外氧喷头处温度在1 200～1 280 ℃（物料受高压氧撞击、剪切雾化喷出外氧端面所形成的火焰束温度，此时烧嘴外氧端面主要承受高温辐射），若超出1 280 ℃，外氧喷头材料将会加速老化，材料晶粒变粗，加之锻件制造缺陷（如厚薄不一、致密度差异、材料应力）等的综合作用，会使外氧喷头端面产生龟裂而缩短烧嘴使用寿命——现阶段烧嘴喷头及外氧端面使用最为广泛的材质为UMCo-50（钴50），有部分煤化工企业研发新合金材料的，研发重点在于提高材料的耐磨性，但因无法更好地兼顾材料韧性及其高温特性，实际使用效果一般，其运行周期一般在80～90 d，与未来能源气化炉120 d的运行周期不匹配，新合金材料使用风险较大（进一步研究后认为，新合金材料可用于中心氧喷头）。此外，工艺烧嘴端面处因操作或其他方面的原因，有时存在较强的气体回流（回火），高温工艺气夹杂部分残余氧气会对烧嘴外氧端面造成高温烧损，严重时会导致烧嘴（水室、激冷水盘管）烧穿而致单套气化炉系统跳车。
工艺烧嘴常见主要失效方式为磨蚀、高温辐射及火焰回流烧蚀（回火烧蚀主要与原料煤灰分有关，属工艺方面的原因，这是烧嘴损毁事故发生的主要因素之一），这两种失效方式基本上决定了烧嘴的使用寿命及运行状态，其余一些因素只是起到辅助作用。其中，高温辐射烧蚀及火焰回流烧蚀，可通过工艺手段控制原料煤灰分，调整熔渣黏温特性以防熔渣堆积引发烧嘴回火烧蚀，配合设备外氧端面水室保护等工艺、设备方面的防范措施，运行实践表明，可取得良好效果，加之控制住煤浆关键指标，可保证烧嘴的正常运行。如未来能源1#气化炉下线烧嘴运行周期120 d，打磨后可看到外氧端面状况良好，端面整洁无明显过热蚀损迹象——按最初工艺烧嘴检修要求，此种状态外氧喷头整体损伤情况较轻微，无需更换，只需将喷口龟裂部位车削补焊即可；烧嘴外氧端面、水室及激冷水弯头部保护设施齐整，烧嘴拆出气化炉时头部浇注料保存较好（近期未来能源8台气化炉下线工艺烧嘴检查，其运行状态相差不大）。简言之，要想保证工艺烧嘴长周期稳定运行，避免回火烧蚀尤为重要，而回火烧蚀是可以通过工艺手段调节尽量避免的。气化系统实际生产中，煤化工企业尤其是大型气流床气化企业为追求高产低耗与利润最大化，一般不会使用单一煤种而是多种煤进行配比掺烧，反复进行气化试验，气化炉运行时大多处于部分工艺指标临界状态（接近指标上限或下限），以降低用煤成本，虽然可以通过工艺手段实现气化炉的稳定运行，但因原料煤成本压力不容易施行，最终还需通过设备技改与工艺优化并配合操作调整达到较为理想的状态。
2 工艺烧嘴喷头耐磨改造
更多内容详见《中氮肥》2025年第1期