GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴存在問題及技術改造探討
王云剛
摘 要
針對單系列60萬t/a甲醇裝置運行過程中，GE水煤漿氣化爐頻繁發生的工藝燒嘴壓差波動、燒嘴頭部冷卻水盤管泄漏等問題，從燒嘴運行狀況、故障現象、同規模燒嘴設計參數比對等方面查找分析故障原因，總結故障發生時燒嘴運行管控思路，提出燒嘴設計參數優化改造方案，通過將燒嘴壓差提高至0.6 MPa、燒嘴氧氣壓差降至1.1 MPa～1.2 MPa、燒嘴長度縮短至935 mm等措施，根除了燒嘴壓差頻繁波動現象，使燒嘴運行周期延長至最長62 d，平均可達56 d。
作 者 簡 介
王云剛（1981- ），男，陜西鳳翔，工程師，學士，2004年本科畢業于安徽理工大學化學工程與工藝專業，現從事水煤漿加壓氣化方面的工作。
正 文
引 言
水煤漿加壓氣化工藝是國內目前廣泛應用、規模較大、技術成熟穩定的煤氣化工藝，其核心設備之一工藝燒嘴的安全、穩定、長周期運行，對整個煤化工生產企業的安全、長周期、滿負荷生產運行和高效益生產起著決定性作用。
水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴的一次性連續使用壽命較短（目前6.5 MPa氣化爐工藝燒嘴平均壽命為80 d），影響了單臺氣化爐的連續運行時間，因此，設計中均有備用爐在線長期熱備，以便運行爐發生工藝燒嘴故障時及時在線倒爐，相互切換。
陜西咸陽化學工業有限公司（簡稱咸陽公司）甲醇項目作為國內第一批建成的首套單系列60萬t/a甲醇項目，氣化裝置采用GE單噴嘴水煤漿加壓氣化激冷流程，化工生產運行過程中，出現了氣化爐工藝燒嘴壓差頻繁波動、燒嘴頭部冷卻水盤管泄漏故障頻率高、燒嘴外氧頭部端面龜裂嚴重等現象，且燒嘴運行壽命起初只能維持10 d～15 d，經優化調整操作參數后，最長也只能維持在40 d左右，嚴重影響生產系統安全、穩定、長周期運行。現對該氣化裝置水煤漿加壓氣化爐運行過程中頻繁出現的工藝燒嘴壓差波動、盤管頻繁泄漏等問題展開討論，并對生產期間的燒嘴改造成效和運行操作經驗進行總結，以供同行參考。
1 水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴結構
圖1 水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部典型結構
水煤漿氣化爐工藝燒嘴為同心三套管形式，外加冷卻水盤管結構，從內至外分別為中心氧管、煤漿管（煤漿噴頭）以及外環氧管（外氧噴頭）。燒嘴中心氧管的出口設計成縮口形式，目的是對中心氧加速，使其具有一定的出口流速（中心氧出口流速一般為150 m/s～180 m/s），同時其端面距燒嘴端面基準面有一定的縮入量，形成一個水煤漿和中心氧的預混合腔。水煤漿的出口管路也設計成縮口形式，使進入預混合腔的流速為2 m/s～4 m/s的水煤漿具備一定的速度。在預混合腔內，利用中心氧對水煤漿進行稀釋和初加速（預混合腔出口流速一般為12 m/s～20 m/s），改善水煤漿的流變性能，保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮口比例更大一些，目的是提供更高流速的氧氣（外氧的出口流速一般為160 m/s～200 m/s），對通過預混合腔的水煤漿混合物進行良好的霧化，以便在氣化爐內達到良好的氣化效果[1]。
2.2 燒嘴壓差波動瞬時各參數變化情況
1. 新燒嘴在線使用3 d～7 d后，煤漿壓差由最初的0.4 MPa快速下降至0.2 MPa，嚴重時甚至出現負壓差。在發生壓差波動前，生產裝置各項工藝指標均未發生異常波動，低壓差甚至負壓差現象持續一定時間后，壓差又恢復正常。壓差波動現象在整個燒嘴運行周期內經常發生。
2. 燒嘴壓差波動瞬間，在氧氣閥門開度未變情況下，氧氣瞬時流量快速升高，氣化爐頭氧管線上下游切斷閥間壓力下降，氧煤比升高，氣化爐燃燒室上部高溫熱電偶溫度飛漲，瞬間由1 230 ℃漲至1 350 ℃并報警。
3. 燒嘴壓差波動瞬間，洗滌塔塔頂粗煤氣中甲烷體積分數由800×10-6～1 000×10-6快速下降至500×10-6～600×10-6，甚至更低；粗煤氣中二氧化碳體積分數由原來的18%左右漲至20%左右，一氧化碳體積分數隨之快速下降1～2個百分點。
4. 燒嘴壓差經多次波動后，燒嘴頭部冷卻水盤管進出口流量開始偶發上下跳動現象，同時冷卻水回水分離罐頂CO報警（CO體積分數超過8×10-6），系統被迫停爐、更換燒嘴。
1. 燒嘴下線檢查中，發現燒嘴頭部端面龜裂嚴重，裂紋布局呈放射狀，且龜裂裂紋數量及深度隨燒嘴在爐內運行時間的延長而增多、增長。燒嘴壓差波動越頻繁，持續時間越長，燒嘴端面燒蝕坑點數量及深度也越明顯，冷卻水盤管角焊縫處損傷也越明顯。
2. 燒嘴在爐內高溫環境下使用一定時間后，其外氧噴口向內有不同程度內收縮。
3. 中心氧噴嘴頭部縮徑沖刷磨損嚴重，內壁呈“刀刃”狀；中心氧頭部定位塊沖刷磨損厲害，中心氧管晃動，且與煤漿噴頭有軸向同心度偏離現象。
4. 煤漿噴頭沖刷磨損嚴重，內徑尺寸明顯增大，且煤漿噴嘴出口斷面內壁呈“刀刃”狀，煤漿噴頭內側斜面磨損嚴重。
5. 燒嘴拆卸作業中，多次發生因爐頸與燒嘴盤管空腔內爐渣結焦較多而造成爐口吊裝燒嘴的電動葫蘆過載、頻繁跳閘現象。
6. 燒嘴運行周期短，普遍只有15 d～30 d，與行業平均壽命80 d相差甚遠。
1. 一旦突發燒嘴壓差波動，可通過迅速減小燒嘴總氧量的方法來控制燒嘴壓差下降趨勢，一般來說一次減小總氧量5%時，對控制燒嘴壓差下降效果非常明顯。
2. 在燒嘴壓差波動期間，增大中心氧流量比例對緩解燒嘴壓差波動也有效果，但不明顯。
3. 在通過減少總氧量來穩定燒嘴壓差波動時，氧煤比降低，需嚴格監控渣口壓差、粗煤氣中CO組分變化，同時通過鎖斗排渣情況、撈渣機電流大小及渣量、渣樣變化情況，來綜合判斷氣化爐運行工況，確保系統運行穩定。
4. 由于燒嘴壓差波動下降，引起煤漿霧化效果變差，氣化爐黑水水質變差，為有效改善系統水質，可通過加大氣化爐激冷水量、加大氣化爐及洗滌塔排黑水量等方式，來控制整個系統水中離子的平衡，達到穩定生產的目的。
5. 在燒嘴壓差未恢復至正常情況下，不建議恢復總氧量參數，在燒嘴壓差正常后，可通過緩慢、少量、多次的方式逐步恢復總氧量至原操作數值。
為查明燒嘴故障原因，調研了業內同規模水煤漿氣化裝置的操作參數和燒嘴關鍵參數，并與咸陽公司氣化裝置相關數據進行了對比，結果見表1、表2。
由表1可以看出，3家公司氣化裝置系統負荷、氧煤比、煤漿濃度及有效氣組分差異不大，氧氣壓差和燒嘴壓差數值存在明顯差異。
表1 同規模水煤漿氣化裝置工藝運行參數對比
表2 同規模水煤漿氣化裝置工藝燒嘴參數對比
由表2可以看出，不論是氣化爐燃燒室長度，還是工藝燒嘴設計參數，咸陽公司與2家公司之間存在著很大的差異，具體如下：
1. 燃燒室長度：咸陽公司氣化爐燃燒室長度為9 100 mm，較公司1（8 317 mm）和公司2（8 322 mm）分別長783 mm和778 mm。
2. 燒嘴長度：咸陽公司燒嘴長度1 085 mm，較公司1與公司2（兩者燒嘴長度基本相同）長約175 mm。
3. 燒嘴冷態安裝尺寸：咸陽公司燒嘴在冷態時伸出143.1 mm，公司1、公司2燒嘴在冷態下分別縮進29.4 mm、25.8 mm。正常情況下，在1 200℃時，耐火磚、氣化爐筒體受熱抬高約為50 mm，由此可以推測公司1、公司2燒嘴頭部在熱態時伸出量分別為20.6 mm、24.2 mm，而此時咸陽公司燒嘴伸出量則會更大，為193.1 mm。
4. 燒嘴中外噴頭環隙：3家公司相差較大。
5. 燒嘴煤漿噴頭深度：3家公司相差不大。
6. 燒嘴壓差：公司1與公司2的基本相同，咸陽公司的最低。
7. 中心氧流量比例：燒嘴正常運行時，咸陽公司燒嘴中心氧流量比例較公司1高54.2%～62.5%，較公司2高23.3%～30.0%。
8. 燒嘴使用壽命：咸陽公司燒嘴使用壽命約為其他2家公司燒嘴使用壽命的1/2。
1. 由表2可以看出，在氣化爐拱頂爐頸高度相同情況下，咸陽公司氣化爐工藝燒嘴長度明顯比其他兩家公司長，且在冷態下燒嘴頭部已經深入爐內100 mm以上，明顯高于業內一致認可的“冷態下燒嘴在爐內應內縮20 mm～30 mm”。燒嘴過度深入爐膛，易造成燒嘴頭部大面積暴露在高溫、高還原介質中，同時也易出現燒嘴冷卻水盤管局部過熱，導致燒嘴頭部
