干粉加压煤气化炉一体化开工烧嘴损坏分析.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:马长生(1 9 8 4-),男,本科,吉林省松原人,主要研究方向:煤化工设备。干粉加压煤气化炉一体化开工烧嘴损坏分析马长生(陕西榆能化学材料有限公司 陕西省神木市大保当镇清水工业园区,7 1 9 0 0 0)摘要:干粉加压煤气化工艺以其对煤种适应性广,对煤的灰分、硫分和氧含量,对煤的粒度、粘结性、结焦性及活性等均不敏感等诸多优点,得到了广泛的应用。干煤粉气化炉采用专门的点火装置,为气化炉升压并点燃工艺煤烧嘴,由于原点火开工装置设计问题较多,事故不断,严重影响装置正常开车,因此新型一体化点火开工装置应运而生。新型一体化点火开工装置采用一体化开工烧嘴,通过全新的设计理念,将原先的三级点火变为两级,使煤气化装置点火开车理念上有了一个革命性的飞跃。由于新型开工烧嘴点火容易,燃烧稳定,受背压影响较小,因此适用于各种加压煤气化工艺。关键词:干煤粉气化炉;一体化开工烧嘴中图分类号:T Q 5 4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 8-0 0 3 6-0 91 原开工烧嘴与新型一体化开工烧嘴对比国外在气化炉开工点火烧嘴方面只有德国的布莱克曼公司有成熟产品,由于该公司设计生产的开工烧嘴存在先天设计缺陷,因此实际使用效果一直 不是很理想,该公司设计的开工烧嘴同样采用音速喷口,但是由于雾化方式采用的是撞击式雾化,在该工况下无法直接满足音速燃烧的要求,因此头部火焰不是音速燃烧,如果直接燃烧由于出口流体速度高于火 焰燃烧速度无法稳焰,于是出现了侧向3 7 喷口,即烧嘴喷口由侧面喷出,使中心产生一个高温回流区,高温烟气将喷口气流点燃,如此反复达到稳焰的目的,此种稳焰方法虽然有效,但是导致火焰贴壁燃烧,并且由于内混式结构使烧嘴内部已经具备燃烧条件,因此很容易出现烧损和回火。开工和点火烧嘴只在启动阶段由推进机构暂时嵌入气化炉,在完成对煤气化炉预热和主煤烧嘴的点火后退出炉膛。下图为德国的布莱克曼公司的开工烧嘴头部。(图1)新型的一体化开工点火装置,对烧嘴头部和内部管道进行了重新设计,将先进的燃烧理念融入到设计当中,使烧嘴能够在带背压的复杂环境下稳定燃烧,有效提高气化炉开车一次成功率,将能够为煤化工企业减少上百万的不必要损耗,并且由于开车顺利导致的生产停滞时间有效减少带来的经济效益也是非常可观的,能够在市场上拥有很大的竞图1 布莱克曼公司的开工烧嘴头部剖面图争优势。使新型S U B具有诸多优点,以下是关键技术创新点:非预混式音速设计在氧气和柴油两路流体出口流速和流量不变的基础上,重新设计内部管路和头部,创新性的采用非预混式结构,杜绝了回火的发生,极大的提高了烧嘴安全性。烧嘴头部采用了全新的设计理念,在燃烧区域与烧嘴头部之间形成了一个等离子区域,避免高温火焰损坏头部。(图2、图3)烧嘴自冷却,安全可靠。烧嘴头部采用流体自冷却,提高了头部在高温环境中的安全稳定性。柴油路独立雾化,可靠稳定。新型一体化开工烧嘴采用柴油独立式加压雾化方案,与之前国外使用的气流高速撞击式雾化截然不同,使烧嘴操作难易程度大大降低。63 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 图2 烧嘴头部3 D图 高能点火器,将原先的点火级数减少,由烧嘴自带高能点火器点火,提高成功率,减少危险因素。火焰型面发散较小,火焰长度变短,有效的保护气化炉炉体安全。燃烧混合比非常宽,因此对油路的要求处于将客户的工作量减少到最小的设计思路,一体化S U B外形设计与原 烧嘴完全一致,可以实现烧嘴直接替换。下图为新型一体化开工烧嘴整体图4和雾化效果。(图5)图3 烧嘴图4 开工烧嘴整体图图5 雾化效果2 新型一体化开工烧嘴损坏分析虽然新型一体化开工烧嘴在使用上存在诸多优势,而且确实为企业创造了价值,可是在使用过程中也发生损坏,2 0 1 7年某公司的一台一体化开工烧嘴在运行过程中发现了不稳定现象,随后进行了更换维修,在更换过程中发现开工烧嘴变形,不能完全抽出,只能带着密封腔一同拆下,拆下后返回厂家进行拆解确认原因,按照正常检修流程对该烧嘴外观、喷口、法兰密封面以及冷却水夹套进行了详细的检查。2.1 烧嘴身部烧嘴外壁有多处划痕,法兰密封面和冷却水夹套完整,头部有大量黑褐色物质附着。(图6、图7)图6 附着的黑褐色物质图7 附着的黑褐色物质73 2 0 2 3年第8期马长生 干粉加压煤气化炉一体化开工烧嘴损坏分析2.2 烧嘴头部烧嘴氧气喷口周围有大量黑灰色附着物,去除后附着物后发现,氧气喷口内侧出现与喷口一一对应的凹坑,并且凹坑延伸至底部端面,并在底部端面形成一环状凹陷。(图8、图9)图8 黑灰色附着物图9 对应的凹坑2.3 烧嘴拆解检查在对烧嘴进行进一步检查,发现烧嘴各通道均存在变形,最终对烧嘴进行拆解检查。拆解后烧嘴头部:烧嘴头部柴油喷口从烧嘴内侧已被粉煤灰泥堵塞,经用压缩空气测试,喷口无法正常出气,并吹出大量黑色物质。(图1 0)图1 0 黑色物质2.4 烧嘴内部管道冷却水夹层、氧气通道、柴油通道均发生严重变形,冷却水外层管道在同一圆周方向直径最大相差近2 0 mm,变形严重导致从冷却水向内的四层管道及中心点火杆无法顺利拆解,通过破坏式拆解发现烧嘴内部所有管道均发生了严重变形,层层挤压(图1 1、图1 2)图1 1 处壁变形尺寸图1 2 剖面变形尺寸2.5 烧嘴损坏状态检查对于烧嘴此损坏状态,分别从化学成分、力学性能、金相分析、能谱分析等方面进行。将烧嘴从外至内各层管体标记为1#、2#、3#、4#、,芯部为点火杆。按右图标记的OA线和O B线为取样部位,沿OA线从外到内依次为:1-1、2-1、3-1、4-1,沿O B线从外到内依次为:1-2、2-2、3-2、4-2。(图1 3)83 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 图1 3 取样部位2.5.1 化学成分2#、3#管体材质为3 1 6 L,且为氧气和柴油通道主管,也是发生变形最为严重的两层。通过直读光谱仪分析其化学成分,结果如表1所示。由表可知,管道化学 成分满足G B/T 1 4 9 7 6-2 0 1 2对3 1 6 L要求。表1 化学成分分析结果(w t%)元素CS iMnPSN iC rMo2#0.0 1 90.5 31.3 40.0 3 20.0 0 61 2.3 21 6.3 42.0 63#0.0 1 50.2 90.8 10.0 3 40.0 0 41 0.1 91 6.4 62.1 5G B/T 1 4 9 7 6-2 0 1 2对3 1 6 L的要求0.0 31.0 02.0 00.0 3 5 0.0 3 01 0.0 0-1 4.0 01 6.0 0-1 8.0 02.0 0-3.0 02.5.2 力学性能分别在2#、3#管体上取样,进行拉伸试验。拉伸采用纵向板状试样,2#试样标距内宽度为1 5 mm,3#试样标距内宽度为1 0 mm,试验温度为室温,试验结果见表2。由表可知,2#、3#管道抗拉强 度、屈 服 强 度 和 伸 长 率 均 满 足G B/T 1 4 9 7 6-2 0 1 2对3 1 6 L要求。表2 拉伸性能试验结果项目R同Rp 0.2A2#-16 2 0.4 13 7 3.24 6.3 32#-26 2 6.2 43 8 3.84 7.3 63#-16 4 3.7 63 9 8.14 6.9 13#-26 5 2.4 24 1 3.14 4.8 2G B/T 1 4 9 7 6-2 0 1 2对3 1 6 L的要求4 8 01 7 53 52.5.3 金相分析分别在1-2、2-2、3-2、4-2位置取样,金相显微镜下观察其金相组织,形貌组织如图1 4-图1 7所示。分析结果可知:所有试样组织均为奥氏体;1-2内壁奥氏体组织内存在变形孪晶;2-2内、中、外壁奥氏体组织无明显差别;3-2靠近内壁存在变形孪晶,内壁存在晶间裂纹;4-2内外壁均存在变形孪晶,且内壁孪晶较密。图1 4 变形孪晶图1 5 无明显图1 6 晶间裂纹图1 7 较密孪晶2.5.4 能谱分析2-2外壁:氧气管道93 2 0 2 3年第8期马长生 干粉加压煤气化炉一体化开工烧嘴损坏分析图1 8(图1 3中2-2位置氧气管道外壁能谱分析)表3 图1 3中2-2位置氧气管道外壁能谱分析结果元 素COs iC rMnF eN iC uMo总量谱图1W t%1 1.4 04.4 80.4 31 0.6 30.8 66 3.3 67.1 1-1.7 31 0 0A t%3 4.6 71 0.2 30.5 67.4 70.5 74 1.4 34.4 2-0.6 61 0 0谱图2W t%7.6 21.5 80.5 41 0.9 50.9 46 7.7 68.2 80.6 91.6 41 0 0A t%2 6.8 44.1 80.8 28.9 10.7 25 1.3 65.9 70.4 60.7 21 0 02-2内壁:氧气管道图1 9(图1 3中2-2位置氧气管道内壁能谱分析)表4 图1 3中2-2位置氧气管道内壁能谱分析结果元素CS iC rMnF eN iMo总量W t%1 2.9 50.4 21 1.1 81.0 66 5.9 67.1 31.3 11 0 0A t%4 0.7 90.5 68.1 30.7 34 4.6 84.5 90.5 11 0 03-1外壁:柴油管道图2 0(图1 3中3-1位置柴油管道外壁)04 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 表5 图1 3中3-1位置柴油管道外壁能谱分析结果元 素COFMgS iKC aC rMnF eN iMo总量谱图1W t%1 9.9 1 5.0 6 4.4 4 1.6 8 0.2 3 0.1 4 0.4 5 8.5 5 0.4 2 5 3.2 9 4.5 9 1.2 41 0 0A t%4 7.1 3 9.0 0 6.6 4 1.9 6 0.2 3 0.1 0 0.3 2 4.6 8 0.2 2 2 7.1 3 2.2 2 0.3 71 0 0谱图2W t%1 1.9 2 3.3 8-0.3 7 0.3 4-1 0.2 4 0.4 7 6 6.0 1 5.7 7 1.5 11 0 0A t%3 6.3 2 7.7 3-0.5 6 0.4 4-7.2 1 0.3 1 4 3.2 6 3.5 9 0.5 71 0 03-1内壁:柴油管道图2 1(图1 3中3-1位置柴油管道内壁结果)表6 图1 3中3-1位置柴油管道内壁能谱分析结果元 素COs iC rMnF eN iMo总量谱图1W t%1 5.9 63.3 30.2 41 0.2 80.6 36 2.7 75.5 01.3 01 0 0A t%4 4.5 06.9 70.2 86.6 20.3 83 7.6 53.1 40.4 61 0 0谱图2W t%1 3.3 95.3 50.4 51 1.6 50.8 66 1.4 34.9 91.8 81 0 0A t%3 8.3 31 1.4 90.5 57.7 00.5 43 7.8 02.9 20.6 71 0 03-2外壁:柴油管道图2 2(图1 3中3-2位置柴油管道外壁能普分析)表7 图1 3中3-2位置柴油管道外壁能谱分析结果元 素COFMgS iC rMnF eN iMo总量谱图1W t%1 1.1 81.9 82.7 71.0 60.2 81 0.4 90.5 06 4.5 45.7 11.5 11 0 0A t%3 4.0 54.5 35.3 41.5 90.3 67.3 80.3 34 2.2 93.5 60.5 71 0 0谱图2W t%1 0.8 71.8 6-0.5 90.3 61 0.6 80.5 56 7.6 65.8 51.5 71 0 0A t%3 4.7 94.4 8-0.9 30.5 07.8 90.3 94 6.5 73.8 30.6 31 0 0谱图3W t%9.1 12.0 9-0.5 0-1 0.8 40.5 96 9.3 26.0 31.5 31 0 0A t%3 0.4 75.2 5-0.8 3-8.3 80.4 34 9.8 84.1 30.6 41 0 014 2 0 2 3年第8期马长生 干粉加压煤气化炉一体化开工烧嘴损坏分析3-2内壁:柴油管道图2 3(图1 3中3-2位置柴油管道内壁能谱分析)表8 图1 3中3-2位置柴油管道内壁能谱分析结果元素COS iC rMnF eN iMo总量W t%1 3.6 82.5 00.3 21 1.2 20.8 16 5.2 45.0 41.2 01 0 0A t%4 0.6 35.5 70.4 17.7 00.5 24 1.6 73.0 60.4 41 0 04-1外壁:点火杆管道图2 4(图1 3中4-1位置火杆管道外壁能谱分析)表9 图1 3中4-1位置点火杆管道外壁能谱分析元 素CON aMgA IS iC rMnF eN i总量谱图1W t%1 0.8 93.4 60.3 9-0.3 00.5 81 1.4 90.8 56 7.0 05.0 31 0 0A t%3 3.6 68.0 30.6 4-0.4 20.7 68.2 10.5 74 4.5 33.1 81 0 0谱图2W t%1 2.2 83.3 00.4 50.2 8-0.2 91 1.6 00.8 46 6.5 54.4 11 0 0A t%3 6.8 47.4 30.7 00.4 1-0.3 78.0 40.5 54 2.9 52.7 11 0 04-1内壁:点火杆管道图2 5(图1 3中4-1位置点火杆管内壁能谱分析)24 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 表1 0 图1 3中4-1位置点火杆管道内壁能谱分析结果元 素CON aMgA IS iC rMnF eN i总量谱图1W t%1 2.2 53.5 7-0.4 0-1 1.8 70.8 46 6.6 24.4 4-1 0 0A t%3 6.8 38.0 7-0.5 1-8.2 40.5 54 3.0 62.7 3-1 0 0谱图2W t%2 6.1 08.7 40.6 40.2 10.3 80.2 15.4 50.7 15 1.9 62.1 83.4 11 0 0A t%5 5.8 41 4.0 30.7 20.2 00.2 80.1 42.6 90.3 32 3.9 10.9 60.9 11 0 04-2外壁:点火杆管道图2 6(图1 3中4-2位置点火管道外壁能谱分析)表1 1 图1 3中4-2位置点火杆管道外壁能谱分析结果元 素CON aMgS iC rMnF eN i总量谱图1W t%8.1 41.4 4-0.3 21 2.2 80.9 47 1.6 35.2 41 0 0A t%2 8.2 03.7 5-0.4 89.8 20.7 15 3.3 33.7 11 0 0谱图2W t%1 1.3 8-0.4 10.2 60.3 51 2.0 40.7 47 0.1 34.7 01 0 0A t%3 6.8 7-0.6 90.4 20.4 99.0 10.5 24 8.8 83.1 11 0 04-2内壁:点火杆管道图2 7(图1 3中4-2位置点火杆管道内壁能谱分析)表1 2 图1 3中4-2位置点火杆管道内壁能谱分析结果元素COS iC rMnF eN i总量W t%1 0.4 62.5 90.3 01 2.2 60.9 36 8.5 64.9 01 0 0A t%3 3.4 16.2 10.4 09.0 40.6 24 8.0 83.2 01 0 02.6 观察烧嘴头部通过对烧嘴头部观察:烧嘴氧气喷孔附近有过短暂且温度极高的考验;通过成分分析和力学性能发现烧嘴材料符合标准要求;通过金相分析:柴油管道内部可能出现过高温,导致内表面金属发生热开裂;通过能谱分析:烧嘴各通道均有氧化物产生;2.7 经过以上实验数据分析,现判断可能有以下情况导致烧嘴发生损坏2.7.1 烧嘴氧气通道内氧气瞬间失压,气化炉内的高温合成气回窜与管道内的氧气发生反应,使局部34 2 0 2 3年第8期马长生 干粉加压煤气化炉一体化开工烧嘴损坏分析发生爆燃温度升高,爆燃产生巨大的压力使氧气管道发生变形,向内挤压柴油管道、点火杆管道,向外挤压冷却水夹层及外管;爆燃产生的高温烟气从氧气喷孔喷出,对氧气喷孔附近造成烧蚀;2.7.2 由于某种原因导致该部位管道温度较高,且在冷却水压作用下使内部管道逐渐发生失稳变形。3 结论新型一体化点火开工烧嘴通过对结构不断的改进,工艺流程的不断优化,现在已经稳定运行,一体化开工点火烧嘴是一种新型的国产化的开工点火装置,由于新型开工烧嘴点火容易,燃烧稳定,受背压影响较小,因此适用于各种加压煤气化工艺,煤化工粉煤气化装置大部分已经采用一体化开工烧嘴,全新的设计理念,满足现场原有仪表硬件、电气、管道、阀门等条件不变情况下,结构尺寸与使用单位对接结构尺寸一致,可以实现产品的直接替代。将原先的三级点火变为两级,节省了开工时间,降低了开工成本,减少人力的投入,使煤气化装置点火开车更加顺畅。而且能够在带背压的复杂环境下稳定燃烧,有效提高气化炉开车一次成功率,并且由于开车顺利,使生产停滞时间有效减少,为煤化工企业减少上百万的不必要损失,进而提升良好的生产效率和经济效益,促使其行业呈现健康、持续化的发展模式。参考文献1 丁志云.浅谈一体化开工烧嘴在干煤粉气化炉中的应用J.科技创新与应用2 0 1 4(2 0):3 5-3 6.2 梁晓峰,一体化开工烧嘴在煤粉气化炉中的运用J.中国科技期刊数据库 工业A2 0 1 9年(9)1 7 6-1 7 8.(上接1 7页)6 汤龙.一种高精度热电阻测温电路及算法设计J.中国科技信息,2 0 2 2,(1 5):1 2 9-1 3 2.7 王旭元,李满亮.化工容器水压试验应变测试原理及 应 用 J.内 蒙 古 石 油 化 工,2 0 1 1,3 7(2):7 2-7 3.8 丰远,边健,刘慧,等.基于电阻应变效应的惠斯通电桥测量重量实验J.黑龙江工业学院学报(综合版),2 0 2 0,2 0(1 0):4 5-4 8.9 张天宇.高压大容量电动机定子绕阻损坏原因分析 及 故 障 点 查 找 J.内 蒙 古 石 油 化 工,2 0 1 5,4 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o t a k ea d j u s t i n gd o u b l eb r i d g e f o r a ne x a m p l e.A t f i r s t,t h ec u r s o rd e f l e c t i o nd i r e c t i o n so f g a l v a n o m e t e r a r eo b s e r v e da s s o o na s t h eb r i d g ea r mr e s i s t a n c e i sm o d u-l a t e dt ot h e e x t r e m ev a l u e s.I f t h e e x t r e m ev a l u e s a r e c o r r e s p o n d i n g t od i f f e r e n t c u r s o r d e f l e c t i o nd i r e c t i o n so f g a l v a n o m e t e r,t h e e l e c t r i c a l c i r c u i tw i l l b e r i g h t.A n d t h e n,b e g i n n i n g f r o mt h em i n i m u mr e s i s t a n c e a n dg r a d u a l l ya p p r o a c h i n g t h em a x i m u mv a l u e,a t t h e s a m e t i m e,t h e c u r s o rd e f l e c t i o nd i r e c t i o n so f g a l v a n o m-e t e ra r eo b s e r v e da n d t h e r e s i s t a n c e i s e q u a l t o t h em a x i m u mv a l u ew h i c hm a k e t h e c u r s o rd e f l e c t i o nd i r e c-t i o nn o t c h a n g e,t h e nn e x t t a pp o s i t i o nw i l lb em o d u l a t e do n eb yo n eu n t i l t h ee l e c t r i c a lb r i d g e i s i nb a l-a n c e.T h i sm e t h o d i ss i m p l ea n d i su s e dq u i c k l y.I t a l s oc a nb eu s e d i no t h e rb a l a n c ea d j u s t m e n t.K e yw o r d s:z e r o-p o i n th e o r e m,b a l a n c e da d j u s t m e n t,e l e c t r i c a lb r i d g e,p h y s i c se x p e r i m e n t.44 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期