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延长多喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的探讨

[日期:2016-08-04] 来源:《中氮肥》2016年第4期  作者: [字体: ]

延长多喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的探讨

 

孔德升,马艳军,张 

[新能凤凰(滕州)能源有限公司,山东 滕州277527

 

[摘  要]对多喷嘴对置式气化炉运行初期烧嘴在使用及拆装过程中出现的烧嘴盘管损坏、喷头龟裂、焊缝开裂、偏喷、烧蚀等问题进行分析,并通过对烧嘴结构间隙、材质、安装与拆卸以及系统负荷与压力的关系、煤浆质量、中心氧占总氧比例等进行研究,采取相应的优化措施后,气化炉烧嘴使用寿命得以延长。

[关键词] 多喷嘴对置式水煤浆气化炉;预膜式工艺烧嘴;泄漏;烧蚀;龟裂;影响因素;优化措施

    [中图分类号] TQ 545  [文献标志码][文章编号] 1004-9932201604-0044-03

 

 

新能凤凰(滕州)能源有限公司720 kt/a甲醇装置采用华东理工大学多喷嘴对置式水煤浆气化工艺。预膜式工艺烧嘴是其核心设备之一,它利用高速氧气(纯度99.6%以上)将浓度约65%的煤浆雾化,同时通过同一个水平面的4个工艺烧嘴对喷进入气化炉,快速燃烧,在加压非催化条件下发生部分氧化反应,生成以COH2为主的粗煤气,作为甲醇合成的原料气;其利用对喷撞击强化混合、质热传递过程和雾化效果,反应过程非常迅速,一般在410 s之内完成。预膜式三通道工艺烧嘴运用内、外侧高速氧气的扰动实现水煤浆的雾化和水煤浆与氧气的充分混合,与Texaco预混式烧嘴相比,烧嘴内部没有预混腔,大大降低了煤浆通道的出口速度,减少了煤浆通道的磨损,对延长烧嘴寿命有利;而且由于预膜式烧嘴的氧气压力损失大大降低,使水煤浆膜初始厚度降低,更易于雾化,浆滴离开烧嘴后发生二次震荡破碎形成更小的浆滴,雾化效果好,雾化滴径(SMD)约降低10%,碳转化率和气化效率高。另外,多喷嘴气化炉的负荷平均分给4个烧嘴,每个烧嘴分担的负荷较小,与单喷嘴相比使用相同的时间煤浆通道磨损较小,可以达到更长的运行周期,减少气化炉倒炉及其过程中事故发生的几率和合成气放空浪费。

    但气化炉运行初期,烧嘴在使用及拆装过程中存在如下问题:烧嘴端面环向龟裂,端面、侧端面烧蚀泄漏,盘管腐蚀泄漏,水室边缘内焊缝、盘管焊缝泄漏,中心氧头烧蚀,煤浆端磨损,外氧泄漏,烧嘴法兰烧穿,烧嘴冷却水盘管拆卸时拉坏,烧嘴联锁系统灵敏度差等。这些问题制约着系统的高效、稳定、长周期运行。

工艺烧嘴使用寿命影响因素分析

1.气化炉操作温度

工艺烧嘴是插入1 350 ℃的高温炉膛内工作的,热应力腐蚀是烧嘴损坏的主要形式。烧嘴端面喷口处是机械加工应力最集中的部位,烧嘴各焊接部件材质不同、厚度不同,在高温环境下应力得到释放,引起放射性裂纹和疲劳开裂,随着烧嘴的长期使用,裂纹不断增大,表现为外环氧端面龟裂和烧嘴各处焊缝开裂。烧嘴端面处的炉膛温度对烧嘴的热应力大小起到决定性的作用,改善烧嘴恶劣的工作环境成为延长烧嘴使用寿命的重要途径。

1.煤质和烧嘴长度

工艺烧嘴的设计长度与气化炉耐火砖厚度是一一对应的,烧嘴过长,头部暴露在炉膛内,直接受到高温熔渣的冲蚀;烧嘴过短,出烧嘴的高温流股直接冲刷烧嘴室内壁,富氧流股折返回来,形成窝火,对烧嘴端面形成烧蚀。因此,不同气化炉工艺烧嘴不能混用,当耐火砖厚度进行调整时,必须同时改变烧嘴的长度。

运行中炉膛内存在一定厚度的固态渣层和液态渣层,固态渣层拥有一定的强度,当使用高灰熔点煤种时,炉壁挂渣层增厚,并在烧嘴室上方形成渣瘤,出烧嘴的高温流股撞击到渣瘤后折返回来,当撞击到烧嘴无冷却水的地方热量无法及时移出时,就会在烧嘴头部形成大小不等的凹坑,引起氧化烧蚀,如果氧化烧蚀持续时间过长,会造成烧嘴的烧穿泄漏。因此,必须保持气化用煤灰熔点的稳定。

1.工艺烧嘴材质

目前工艺烧嘴的材质主体为Ineonel600,该材质具有良好的耐高温和抗氧化性能;烧嘴头部采用UMCo50,该材质不仅耐高温和抗氧化性能良好,还具有优异的耐磨性能,可以减轻烧嘴煤浆环隙的磨损,延长烧嘴的使用周期,部分厂家还在烧嘴外环氧端面进行航天抗热材料Ni-Cr-C喷涂,对减少端面龟裂起到了较好的效果。

1.工艺烧嘴结构间隙尺寸

烧嘴的结构决定水煤浆是依靠高速的氧气实现雾化的,雾化效果差时,会使火焰靠近烧嘴头部而造成端面龟裂,同时回流流股中夹带部分未燃烧的煤浆撞击在烧嘴端面和耐火砖表面时,会造成烧嘴头部环形烧蚀和烧嘴室周围耐火砖烧蚀。要获得好的雾化效果,要求环隙内氧气的流量在110120 m3/h,这就需要根据系统所需负荷设计烧嘴三通道的间隙,并在实际运行中予以校正,保证要求负荷下的烧嘴气流速度。

运行初期工艺烧嘴龟裂严重,使用寿命短,一般使用40多天就已龟裂严重。经有关研究与设计单位核算发现,烧嘴内氧气实际流速偏低,后进行了调整。调整后的烧嘴使用效果有了很大的改善,烧嘴运行周期可以达到7090 d。可见,工艺烧嘴结构间隙尺寸是影响烧嘴雾化效果和使用寿命的关键因素,生产能力不同、负荷不同,对烧嘴结构间隙尺寸的要求也就不同,需要合理进行设计,并通过实际运行效果的验证及优化来最终确定适宜的间隙尺寸。

1.中心氧占总氧比例

三通道工艺烧嘴中,中心氧的作用主要在于增大煤浆的动能,使煤浆获得较大的加速度,然后被高速外环氧气流打散,从而实现切割雾化,若雾化效果差,会造成局部过氧,增加烧嘴周围的富氧量,易导致烧嘴烧蚀和龟裂。因此,中心氧与外环氧的比例是影响烧嘴雾化效果的重要因素,决定着出烧嘴后煤浆液滴的密度分布、燃烧火焰的长短与大小以及烧嘴端面的温度。

16系统负荷和系统压力

操作负荷弹性的大小是衡量烧嘴性能优劣的一个重要指标。烧嘴的雾化性能随着操作负荷的变化而变化,再好的烧嘴也会有一定的使用负荷范围和适应的系统压力范围。负荷过高或操作压力过低,氧气流速升高,煤浆环隙磨损加剧;负荷过低或操作压力过高,氧气流速急剧降低,火焰变短,靠近烧嘴头部,使烧嘴头部温度升高,甚至出现局部过氧,导致烧嘴烧蚀和龟裂。

1.开停车及工况的稳定性

运行时,氧气、煤浆进料不稳定和气化炉炉膛压力波动均会造成气化炉氧煤比失调,雾化角频繁发生变化,烧嘴头部端面处温度骤升骤降,在这种工况下,烧嘴受热应力突变影响,很容易龟裂。尤其是在开车过程中,气化炉投料时,煤浆先入炉,水分蒸发需要吸收大量热量,此时炉温至少降低200 ℃;停车时系统压力骤然降低,会带走大量热量,从而引起炉温骤降。工况的骤然变化对烧嘴使用寿命造成影响。

1.煤浆质量

煤浆中细颗粒比例增大,可以提高煤浆浓度,增大煤与氧气反应表面积,利于提升气化效率,减小气化炉炉膛上下温差,是实现装置增产降耗的重要手段。但煤浆浓度越高、细颗粒越多或黏度越高时,对煤浆环隙的磨损也越严重,而且黏度高还会影响雾化效果,阻碍浆滴的破碎;但黏度低或煤浆中夹杂异物或大颗粒时,煤浆容易分层,堵塞烧嘴,使出烧嘴的煤浆不均匀,出现偏喷,使烧嘴上部烧蚀和龟裂加剧。

1.烧嘴的安装和拆卸

气化炉运行时,炉内熔渣进入烧嘴室,在烧嘴与烧嘴室的环隙内填充,停车后炉温骤降,包裹在烧嘴盘管上的积渣凝固后将烧嘴与烧嘴室粘连在一起,造成拆卸困难,盘管易被拉坏,并且烧嘴口凝固的灰渣很难清理,影响烧嘴的顺利安装,强行推入烧嘴室会造成烧嘴头部损伤。所以,烧嘴的安装和拆卸对其使用寿命也造成一定的影响。

延长工艺烧嘴使用寿命的优化措施

更多内容详见《中氮肥》2016年第4

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