水煤浆气化炉工艺烧嘴泄漏原因浅析

孟祥进，魏 静，曹昆朋

（河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453000）

新疆心连心能源化工有限公司采用的是多喷嘴对置式水煤浆气化炉工艺，烧嘴采用预膜式烧嘴。2021年3月至6月以来续三次发生泄漏，造成气化提前倒炉。经查阅相关文献以及向行业专家咨询，将工艺及设备方面造成烧嘴泄漏的原因进行分析。

1 工艺方面原因分析

1.1 原料煤的煤质

1.1.1 原料煤的硫含量高

水煤浆中含有的多种腐蚀元素特别是硫经高温分解后与喷头合金材料中镍发生化学反应产生硫化镍，导致材料出现晶间腐蚀，产生微孔、微纹等缺陷，随着时间的延长，晶间微小缺陷不断扩大，最终形成穿孔和裂纹[1]。当煤中的硫含量升高时，炉内H2S气体浓度升高，对工艺烧嘴头部的腐蚀加剧，缩短烧嘴寿命。经查2020年11月至2021年6月气化入炉煤的硫含量（如表1所示），虽然气化入炉煤硫含量差别较大，但是2020年11月至2021年1月混煤硫含量相对较高，烧嘴运行状况良好。2021年4月使用的混煤硫含量相对较低，烧嘴却发生了泄漏。因此，原料煤硫含量高低与烧嘴泄漏无直接关系。

1.1.2 原料煤的灰分、灰熔点高

随着灰分升高，煤中的有效成分随之越低，发热量降低。再者，煤种灰分增高，相同产气量下，需要使用的煤浆量会更多，煤浆流量大则会增加管道与烧嘴的磨损；煤的灰熔点通常指煤灰熔融性分析中的流动温度，其高低与煤灰的化学组成密切相关，当入炉煤的灰熔点升高时，需要加氧操作，保证在气化炉温度在灰熔点之上50～100℃，保证液态排渣，氧煤比升高，气化炉温度随之升高，工艺烧嘴端部环境变恶劣，烧嘴寿命缩短。

由表1可以看出，1月至2月，气化入炉煤灰分与灰熔点偶有超标。3月以来，气化入炉煤灰分灰熔点整体较稳定，因此，可以排除原料煤灰分高及灰熔点高这一影响因素。

表1 2020年11月至2021年6月气化入炉煤的煤质

1.1.3 原料煤的黏温特性

原料煤的黏温特性差，气化炉操作弹性较小，炉温出现小幅波动就会造成烧嘴压差、渣口压差波动。操作炉温偏低，流动的渣的黏度增大后，会在炉壁表面及烧嘴口处积聚，导致烧嘴口煤浆及氧气喷出受到影响，出现偏喷或形成回火，高温火焰撞击烧嘴，加快烧嘴损坏。操作炉温偏高，液态渣的黏度减小后，炉壁表面及烧嘴口不会挂渣，没有渣膜的保护，烧嘴完全暴露在高温环境中，同样会加快烧嘴端损坏。

查看2020年11月至2021年6月取样分析的混煤煤灰黏温特性，A∶B（水洗）∶C=5∶3∶2、A∶D∶C=5∶3∶2、F（ 水 洗 精煤）∶A∶C=5∶3∶2混煤黏温特性测定显示熔渣温度区间较窄，且在此期间烧嘴压差波动较大，炉况不稳定。因此，煤黏温特性差是造成烧嘴泄漏的主要原因。

1.2 水煤浆的质量

1.2.1 煤浆浓度高

当水煤浆浓度升高时，其固含量随之升高，会加剧工艺烧嘴煤浆通道的磨损与冲刷。水煤浆通道磨损较轻时，工艺烧嘴的雾化效果变差。水煤浆通道磨损较重时，可能因烧嘴偏喷导致烧嘴损坏。查2021年煤浆浓度整体较稳定，平均值在61%左右，最高控制在62.5%。因此，水煤浆浓度高不是造成烧嘴泄漏的原因。

1.2.2 煤浆粒度、黏度

合格的水煤浆必须有合理的粒度分布，从而保证高浓度的水煤浆黏度指标。我厂煤浆粒度的工艺指标为：8目：100%；14目：98%～100%；40目：90%～ 95%；200目：45%～58%；325目：30%～40%。当煤浆粒度分布中14 目及20目的比例较高时，粗颗粒较多，煤浆黏度偏低，虽然黏度低利于水煤浆的输送，但粗颗粒多，磨损会造成高压煤浆泵的单向阀密封性效果变差。高压煤浆泵是柱塞式隔膜泵，若进出口单向阀出现泄漏，会直接导致泵出口压力下降，从而引起嘴压差波动的现象。因煤浆黏度低，煤浆通道有大颗粒积累后，煤浆通道减小，流速增加，故磨损速率增加。同时由于煤颗粒堵塞，造成烧嘴偏喷，如果喷射角度偏移，物料混合不充分，破坏气化流场分布，导致局部温度偏高，最终导致烧嘴损坏。与此对应，当煤浆粒度分布中 200 目及 325 目比例过高时，水煤浆中颗粒相对较细，煤粉颗粒间的摩擦力增加，相同浓度下煤浆的黏度偏高，煤浆流动性下降。高黏度的水煤浆其表面张力较大，不利于煤浆流股被氧气流股剪切，导致雾化效果变差。还会造成高压煤浆泵打量异常，引起烧嘴压差低现象。

1.3 高压煤浆泵的运行问题

烧嘴压差指的是高压煤浆泵出口压力与气化炉压力的差值，若高压煤浆泵进出口单向阀卡涩或者发生泄漏都会导致泵出口压力下降，从而引起气化炉嘴压差波动。查看DCS运行参数，当烧嘴压差波动时，气化炉的压力基本是稳定的，而高压煤浆泵出口压力是同步降低的。那么烧嘴压差出现波动时，就需要对高压煤浆泵运行情况进行分析。在烧嘴压差波动期间，现场观察高压煤浆泵运行正常，同时，查看煤浆流量曲线，煤浆管线3只流量计示数几乎没有波动，煤浆流量没有降低，表明高压煤浆泵自身运行状况是正常的，故排除高压煤浆泵运行异常是导致上半年烧嘴频繁泄漏的原因。

1.4 氧煤比、气化炉温

为保证气化炉顺利排渣，总控结合渣口压差及现场捞渣机渣样情况调整操作氧煤比，正常运行工况下，气化炉操作温度一般在1 200～1 400℃，烧嘴端部长期暴露在这种高温热辐射的严苛工况中。当操作氧煤比升高，气化炉温度升高，工艺烧嘴头部环境变恶劣，炉温升高造成烧嘴头部外表面热负荷升高从而引起烧嘴产生热应力裂纹，裂纹在气化炉内产生的 H2S等腐蚀性气体的侵蚀下逐步扩大，造成烧嘴头部出现龟裂而泄漏。

气化炉内生成CO2、CO反应的热化学方程式 如下：

由方程式可以看出，1mol碳生成 CO2放出的热量是395.2kJ，生成一氧化碳放出的热量是110.5kJ。转化为 CO2比一氧化碳多放出284.7kJ的热量。

查合成气成分分析数据，2020年10至12月，合成气中CO2含量平均值为17.54%（体积分数，下同）； 2021年3月至5月，合成气中CO2含量平均值为19.49%。2021年CO2含量比2020年 高1.95%，以气化炉产110 000m3/h有效气计算，可多生成 2 145m3/h CO2，根据计算得知，多生产的CO2多放出27 291 294kJ（2 145×1 000÷22.4×285）热量。因此，气化炉氧煤比高、操作炉温高，是造成烧嘴烧蚀泄漏的又一原因。

1.5 中心氧比例

工艺烧嘴中心氧的作用主要是增大煤浆的动能，使煤浆获得较大的加速度，然后与高速外环氧气流碰撞以实现切割雾化，改善工艺烧嘴喷出流体的流量密度分布，若工艺烧嘴中心氧比例不合适，煤浆雾化效果差，会出现局部过氧，易导致工艺烧嘴烧蚀和龟裂。实际操作中，工艺烧嘴中心氧流量占总氧气流量的比例均存在一个最佳值，一般为15%～20%（体积分数），工艺烧嘴的雾化效果呈下降趋势，可适当增加中心氧气比例来提高工艺烧嘴的雾化效果。同时要求操作人员应根据炉温、炉况及出渣中的残碳含量等情况及时进行调整，以使工艺烧嘴达到最佳的工作状态[2]。

查四只烧嘴中心氧比例平均值均在15.2%左右，且A1/B4中心氧比例低于其他三只烧嘴，认为与4月B4烧嘴、6月A1烧嘴泄漏存在一定关系。故认为中心氧比例偏低，雾化效果差，是造成A1、B4烧嘴先发生泄漏的一项因素。

1.6 气化炉运行负荷、烧嘴冷却水流量、气化炉压力影响

对比2021年3月前后的气化炉运行工况，气化炉运行负荷、烧嘴冷却水流量、气化炉压力均无较大变化，因此，可排除上述三种因素造成的上半年烧嘴 泄漏。

2 设备方面原因分析

2.1 烧嘴冷却水盘管折弯部位扁度影响

从拔出烧嘴外环氧端面龟裂情况看，外环氧烧嘴端面上半部分要明显比下半部分龟裂严重，中心部分比外缘龟裂严重，因冷却水为下进上出以及外氧喷头中心较薄且无冷却水，因此确认冷却水量对烧嘴端面龟裂影响较大。

冷却水盘管接近外氧喷头的上下两处折弯为90°，折弯的扁度直接影响盘管的通流面积，对冷却水流量影响较大，冷却水盘管φ21.3mm* 2.77mm，经过90°折弯后变宽，规范要求管子折弯后扁度不超过管子直径的10%（即≤23.43mm），最近三次使用的烧嘴弯头部位检测尺寸都在22.80～24.00mm，存在部分超标的情况，这也可能会对烧嘴冷却水流量造成影响。

2.2 冷却水盘管弯头进入外环氧水室角度

从烧嘴烧蚀严重的端面龟裂的情况看，一般都存在左右两侧烧蚀不一致的情况，基本上可以判定为烧嘴水室左右两侧的过水量不均匀造成的，如图1所示。

图1 冷却水进水示意图

冷却水通过弯头从水室下部进入水室，在进口处分为A/B两股流并列在水室内流动并在出口处汇总，若进口管进入水室的角度未按照图中所示与垂直中心线重合，而是存在一定的偏斜进入水室，势必会造成一侧的水流大于另一侧的情况，并在出口汇集部位对另一侧水流形成水阻，进一步加剧了另一侧冷却水流量不足，造成了冷却水在烧嘴喷头水室内两侧有明显流量差，流量通过较少的部位就会产生龟裂情况，最终形成了烧嘴端面两侧龟裂不一致的情况。

2.3 外环氧喷头水室焊缝焊接质量

外氧喷头焊接部位三处，均为单面焊接成型。在焊接时，尤其是筒体与水室端面焊接的焊缝，易出现焊接时焊瘤突出的情况，对冷却水在水室内的流动形成阻力，影响烧嘴喷头的冷却效果，造成烧嘴端面易出现龟裂情况。

2.4 外氧水室端面厚度

由于烧嘴在运行过程中需要用冷却水带走烧嘴头部的热量，起到对烧嘴降温的作用。当烧嘴冷却水室端面过厚时，会影响传热效果，造成烧嘴冷却水室端面热量积聚温度升高，易出现龟裂现象；同时当该端面过厚时，其内外两侧会因温差过大形成热应力，也易使端面出现龟裂现象。

目前烧嘴实测厚度均在5.5～5.8mm，之前与厂家沟通厚度控制在5～5.5mm，但实际执行偏上限并超出上限，也是烧嘴龟裂的一个影响因素。

3 延长工艺烧嘴使用寿命的措施

3.1 工艺方面

（1）降低气化操作炉温。在保证气化炉液态排渣的情况下，尽量降低气化炉炉温。

（2）排查造成中心氧比例低的原因，并进行调整，提高中心氧比例。

3.2 设备方面

（1）结合烧嘴制造厂家，采用新技术（烧嘴端面熔覆耐高温的氧化锆）增强烧嘴的抗烧蚀能力，目前新能凤凰计划试用，跟踪了解使用效果，若可行及时在我公司试用。

（2）严格烧嘴入厂验收质量，对烧嘴冷却水端部折弯部位进行检测，结合厂家折弯处超过23.43mm的视为不合格，需要返工处理。

（3）烧嘴外修期间派人到现场监造烧嘴修复，重点关注烧嘴头部水室焊缝，重点关注弯头插入水室的角度以及弯头端部是否平整。

（4）严格控制水室端面厚度，保证端面厚度尺寸在5～5.5mm，尽可能地偏下限执行。

4 结束语

工艺烧嘴的稳定运行是水煤浆气化炉长周期运行的关键。新疆心连心根据气化炉停车检查情况，在对气化炉工艺烧嘴损伤的可能原因进行分析与排查后，主要采取了如下防范措施：加强原料煤煤质监控，确保原料煤的灰分、硫含量、灰熔点等在指标范围内，减轻煤种或原料煤煤质变化引起的烧嘴压差波动；当气化炉原料煤煤质发生变化时，工艺操作上及时进行调整，并通过掺烧一定比例低灰分煤的方式确保烧嘴压差的稳定；加强磨煤机的运行维护及保养，确保磨煤机稳定运行及煤浆粒度分布合格；减轻高压煤浆泵出口流量波动带来的气化炉烧嘴过氧烧蚀。