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德士古工艺烧嘴的技改小结

韩承结(安徽淮化集团有限责任公司，安徽淮南 232038) 2007-05-14

0  前  言
    我公司“18·30”工程气化工序采用的是德士古水煤浆加压气化工艺，为美国德士古公司的专利技术。投用后，气化炉工艺烧嘴的使用周期很短，基本只能维持10d左右，有时不到1周，远达不到设计使用寿命(连续运行40d)，严重制约了系统的正常运行和经济效益。在公司相关技术人员的努力下，经反复攻关，终于将这一难题成功解决。现工艺烧嘴的使用周期一般都在35d左右，最长连续运行51d，满足了系统正常生产的需要，也使“18·30”系统工程基本达到了项目设计初期的预计经济指标。
1  工艺烧嘴基本情况
    德士古炉工艺烧嘴(见图1)为两套管、三通道、外加冷却水盘管结构，从内至外分别为中心氧管、煤浆管以及外环氧管。外环氧管与煤浆管所夹环形通道经流介质为纯度≥99.6％、压力为5.0MPa的氧气，从中外喷头所夹环隙喷出，其作用是使原料煤浆均匀雾化并与之发生化学反应使其气化；中间煤浆管与中心氧管之间通道经流介质为浓度62％、压力4.1MPa的原料煤浆，从中喷头喷出，进入气化炉内与氧气发生化学反应生成产品煤气；内侧中心氧管经流介质为与外环氧同一来源的高压氧气，从内喷头喷出后与原料煤浆混合，出烧嘴后最终亦参与化学反应。中心氧的另一个主要作用是利用其出烧嘴后与炉膛内的压差所产生的流速，牵引烧嘴的火焰，使气化反应区域在炉膛内达到一个理想的范围。
    图1中，C为外环氧通道宽度，即外环隙，设计值为3.32±0.25mm；H1为内喷头出口至外喷头出口端面距离，设计值为69.85mm；D2’为中喷头出口外径，设计值为38.4±0.05m。

2  发现的问题   
    (1)烧嘴投用数天后煤浆压差开始下降，随即产生波动；降低负荷后情况有所好转，但不能长时间维持。
    (2)以筒体最上层T1438坡面炉砖与其下的T1437砖交接处为中心，有一明显的圆周状 冲蚀带，且发展较快。
    (3)烧嘴外头端面均有裂纹，外喷头喷口四周向内收缩，过渡段外圆弧面有明显烧蚀。
3  原因分析
    仔细观察烧嘴并测量相关尺寸参数后发现，随着在炉内运行时间的延长，工艺烧嘴外头端面产生裂纹的数量和深度以及喷口四周向内收缩的幅度逐渐增大，直接导致的后果就是中外喷头之间的环隙减小。经统计，环隙每日减小量约0.05mm；进一步比较不同使用时间的烧嘴状况发现，环隙的减小在第一个星期较快，往后有减慢的趋势。查阅生产报表发现，烧嘴在整个正常运行时段内，各通道介质流量基本相同，变化极小。据此并通过计算(具体计算略)，找到了导致烧嘴产生波动、最终不能使用的原因所在，即：烧嘴在运行过程中，外头受炉温的影响，喷口处发生收缩，使外环隙减小，导致外环氧气出口流速不断增大，10 d左右外环氧出口流速即可增加约20％，流速绝对值增加约40 m／s，直接后果就是带动煤浆出烧嘴流速增大，使煤浆压差减小，引起烧嘴波动，无法继续使用。
    对于炉砖的过度烧损可做如下解释：外头出口处烧缩后，其内表面不再平直，变成了弧面。这样，在环隙减小、外环氧出口流速增大的同时，外环氧喷出方向亦发生了改变，出口角度大于正常的30°，引起煤浆雾化区域上移，且向四周喷射速度增大，燃烧着的煤浆流直接冲蚀炉砖，产生如前所述的炉砖损坏。
    以上分析还可以很好地解释烧嘴在出现波动后，减负荷可使运行状况好转的现象：负荷降低后，外环氧量也会随之减小，流速下降，引起煤浆压差减小的因素部分消失，烧嘴的运行状况也就向正常状态移动。
4  技术改造
    根据分析结果，烧嘴的波动及炉砖损坏的根本原因就是外头的烧缩。针对这一情况，首先想到的是直接消除外头端面喷口处的收缩。要做到这一点，必须使用耐温性能更好的材料替代现用材料。但经多方查询，最终不得不放弃这条途径。因为在用的烧嘴外头前端所用的UMCO50材料是日本为满足航天工业需要专门研制的特种材料，它不但在1 200℃以上仍能保持良好的机械性能，同时具有能够满足烧嘴焊接要求的良好的焊接性能，目前还找不到更好的替代品。
    在更新材料的方案被否决后，不得不采取改变原设计尺寸的措施。因为我们注意到，在烧嘴入炉后到出现压差波动之前这一段时间的运行是稳定的，且各项运行参数基本保持不变。而外头的收缩则是随烧嘴的投用就开始发生的。这说明：烧嘴的外环隙是允许在原设计基础上有一定量的减小，只是当减小幅度超过允许范围时，烧嘴才不可用。据此可以假设：如果将外环隙做成比标准值大一定量，那么它收缩到极限值所需时间必然会延长，也就等于延长了使用周期。当然，这种做法的前提条件是扩大环隙后烧嘴能正常运行。为慎重起见，开始只做了少量的调整，即将标准环隙从3.32mm增至3.6mm，投用后正常。经数次试用，在相同条件下烧嘴的使用周期明显延长，平均达18d。经过进一步的观察和分析后，把外环隙从3.6mm又扩至3.9mm再次试用，结果运行周期进一步延长，烧嘴平均使用寿命达30 d以上，能够满足烧嘴连续运行1个月的需要。至此，困扰我公司“18·30”工程的难题终于得到了解决。
    至于外头过渡段的烧蚀问题，在查阅相关资料后发现，外头过渡段所用材料INCONEL 600的耐温性能不如外头前端所用的UMCO 50材料，相差200℃左右。于是要求外头供应商在制作时将过渡段材料改为UMCO 50，使问题得到了解决。
5  重要参数及检修要点
5.1  外环隙
    如前所述，外环隙是保证烧嘴使用周期的关键参数。因此，中、外管的长度必须计算正确，以确保喷头焊接后环隙值基本在要求范围内，微调则可采用更换外氧管法兰垫子进行。另外，要保证环隙值的真实性，这一点需特别重视，原因有二：一是确保环隙的真实是一项精细的维修工作，稍有疏忽，即可产生虚假环隙；二是因其结构特点决定了烧嘴检修完工组装好后将无法再核实环隙的真实性。外环隙的真假主要体现在中头定位块与外头内壁的配合精度上，要求外喷头在焊接前严格测量其内径大小，以此来确定中喷头定位块的间距及需增减的量，以确保定位块单侧总间隙在规定的≤0.1mm范围内。如果某一只(或对)定位块与外头配合间隙过大(间隙过小装配困难，负间隙则无法装配)，则环隙为虚假值。当存在这种情况的烧嘴投用后，在温度、振动等各种因素的影响下，中、外管稍有变形，环隙即发生偏移，其后果就是在圆周方向上产生喷射不均(即通常所说的“偏喷”)，引起一侧炉壁温度过高，气化炉不能继续运行。
5.2  内外喷头顶面间距
    该间距(图1中的H1)决定了中心氧受煤浆阻力的大小，即中心氧出烧嘴时与炉膛内的压差，也就是说它决定了中心氧出烧嘴时的喷射速度。因此，内外喷头顶面间距直接影响到烧嘴喷出的火焰长度(反应区域的大小)，左右着气化炉的运行状况。所以该间隙尺寸是除环隙之外的另一个决定烧嘴运行效果的重要参数。其微调与调整外环隙相似，也可采用更换中心氧管法兰垫的方法进行。
5.3  外喷头的修复
    随着使用时间的推移，外喷头在炉内高温的作用下会不断受到损伤。由于喷头材料特殊、价格昂贵，因此只要损坏程度不是很严重，一般应修复使用。常见的损坏形式为烧蚀、裂纹及喷口收缩。烧蚀较常发生在喷头前端的外缘部及侧面，只需焊补后再机加工即可；裂纹一般集中在喷口的四周，其修复首先是打磨，应注意的是必须将裂纹打磨彻底，不可留有残余，否则将严重影响检修质量，打磨后观察裂纹深度以决定是否更新；喷口收缩的修复方法是在外部堆焊后将内表面加工平直即可。
5.4  内头定位
    与中头一样，内头在中头内的周向定位也十分重要，每次检修时都必须精确测量中喷头的内径和内喷头的十字头定位块，以确保配合间隙(≤0.2mm)以及两者的同心度。
5.5  盘管的修复
    使用后的盘管如果表面状况较好、变形不大，可整形后再用。需要注意的是焊缝的焊接质量，盘管在使用中发生泄漏大部分都在焊缝位置，因而此处是一个重点。
    以上所述为烧嘴维修过程中需特别重视的几个要点，其他诸如中喷头受煤浆冲刷磨损后的修复、外环氧管及冷却水盘管受煤中硫腐蚀后的更换时间节点、中心氧管受煤浆冲刷减薄后的处理措施等问题，因其对烧嘴的正常运行和使用寿命的直接影响稍次，在此不作详细讨论。
6  结  语
    气化炉工艺烧嘴在经过技术改造后，每年可为我公司创造400多万元的收益，还未计改造前频繁更换烧嘴的人工支出以及由于烧嘴更换过频给系统造成的其他隐患等损失，因此，改造的经济效益十分可观。最后还需强调的是：以上都是从检修的角度寻找的确保工艺烧嘴长周期稳定运行的一些措施，除此之外，工艺操作，如烧嘴入炉后至投料的时间间隔长短、停炉时的工艺控制等，对烧嘴运行状况的影响也很大，有时甚至是决定性的，故也应引起重视。