GE 水煤漿加壓氣化工藝燒嘴改造分析與實踐

馮 超

（國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014000）

某企業甲醇制烯烴項目氣化裝置采用美國GE 公司水煤漿加壓氣化技術，共七臺氣化爐，五開兩備。氣化爐相關參數：單臺氣化爐投煤量1 500 t/d，操作壓力6.5 MPa，操作溫度1 350 ℃，燃燒室直徑Φ3 200 mm。氣化爐承擔著原料煤由固體向工藝氣轉變的任務，其中工藝燒嘴是核心設備之一。本文針對該項目氣化爐投運以來工藝燒嘴在實際生產中出現的問題，進行了原因分析及相應的技術改造。

1 工藝燒嘴結構及使用周期分析

GE 水煤漿氣化工藝燒嘴結構為同軸三流道結構：中心流道和外環流道走氧氣，中間流道走水煤漿，其伸入氣化爐內部分設置有冷卻水盤管對其進行冷卻保護。工藝燒嘴工作原理是利用中心氧對水煤漿進行初次霧化和預混，再利用外環氧呈一定夾角對預混后的煤漿進行剪切，從而達到霧化煤漿的目的[1]。工藝燒嘴結構示意圖見圖1。

圖1 工藝燒嘴結構示意圖

燒嘴改造前、后使用周期見表1。

表1 燒嘴改造前后的使用周期對比

由表1 可以看出，最初工藝燒嘴的使用周期很短，平均使用天數為24 d，最短為6 d，不能滿足現場使用要求，為安全生產帶來了極大的困難。

2 工藝燒嘴存在的問題分析

根據多年的生產實踐分析，造成工藝燒嘴泄漏、使用周期短的主要原因有：

（1）燒嘴外氧頭部龜裂嚴重，裂紋向四周擴展，長度達到10 mm～20 mm，深度達到3 mm～5 mm，直接導致燒嘴端面裂紋貫穿，燒嘴損壞，被迫停車。

（2）煤漿燒嘴噴頭磨損嚴重，使用一個周期后軸向磨損量達到30 mm～40 mm，嚴重時能達到50 mm～60 mm，造成氣化爐與燒嘴壓差波動，霧化效果變差，后期壓差波動頻繁，造成氧煤比波動，氣化爐爐壁高點溫度分布區域上移，拱頂溫度升高。

（3）燒嘴冷卻水盤管與外氧頭焊縫泄漏頻繁。燒嘴泄漏其中有一多半是由于焊縫泄漏導致，焊縫泄漏后，冷卻水汽化，爐內大量合成氣進入外氧頭和冷卻水盤管，加劇燒嘴損壞，嚴重情況下，可以導致燒嘴頭部炸裂，冷卻水盤管燒壞[2]。

（4）燒嘴關鍵尺寸不合理。在燒嘴使用初期，燒嘴壓差偏大，拱頂和爐壁經常超溫，錐底磚損壞速率加快，煤漿與氧氣燃燒不夠充分，灰渣的殘碳含量高，煤炭使用效率較低。

3 工藝燒嘴的改造

3.1 外氧頭改造

外氧頭是燒嘴的前端部分，也是燒嘴最容易受到損壞的位置。此處氧氣濃度高，金屬材料在高溫的氧化環境中發生氧化反應，并且有滲碳現象，使金屬材料的性能和成分都會發生變化。另外，原料煤中的硫化物也與金屬發生反應，產生硫化現象。在使用中，可觀察到的現象有外氧頭四周向內收縮，過渡段圓弧有明顯燒蝕，產生的裂紋向周向擴展，長度達到10 mm～20 mm，深度達到3 mm～5 mm，導致端面裂紋貫穿，燒嘴泄漏，帶來巨大的安全生產風險。

以往使用的外氧頭部邊緣部分是圓滑過渡，冷卻水腔體為狹長形，通過的冷卻水量較小，換熱面積不夠，頭部聚集熱量增多，無法將頭部熱量及時帶走，造成燒蝕嚴重。經過論證，將頭部改為邊緣部分是直角過渡，這樣的設計有效增大了冷卻水腔體的橫截面積，單位面積通過外氧頭的冷卻水量增加，帶走熱量增多，有效降低了燒嘴頭部的熱量，減緩了燒嘴頭部裂紋產生。燒嘴外氧頭改造前后外形圖見圖2。

圖2 燒嘴外氧頭改造前后外形圖

對外氧噴頭的材料進行了更換：由普通的Inconel 625 材料更換為進口的UMCo-50 材料。Inconel 625 材料屬于最早的鎳鉻鐵系合金，具有良好的抗高溫腐蝕性能、抗氧化性能（抗氧化溫度可以達到1 180℃）、冷熱加工性能，且有較好的抗氯離子應力腐蝕性能，是純氧高溫環境中最為常見的合金。UMCo-50 材料作為一種耐高溫鈷基合金，除具有良好的耐熱沖擊和耐磨性能外，還具有良好的力學性能，同時它對硫和礬的腐蝕也有很好的抵抗性，是目前水煤漿工藝燒嘴噴頭常用的材質。使用UMCo-50 材料后，在相同工況和周期條件下，經過改造后的外氧頭部基本消除了端頭噴口處的收縮，保持了環隙的相對穩定，頭部端面裂紋變少、長度變短、深度也變淺，在切削2 mm 深度后裂紋全部消失。雖然UMCo-50 材料成本高，但是可以在使用一次后，通過切削消除裂紋后，重新堆焊，繼續重復使用一次，也就降低了更換成本。Inconel 625 和UMCo-50 兩種材料的化學成分、力學性能對比分別見表2、表3。

表2 Inconel 625 材料和UMCo-50 材料的化學成分 %

表3 Inconel 625 材料和UMCo-50 材料的力學性能

3.2 煤漿頭改造

根據前面煤漿噴頭存在的問題分析，有針對性地將煤漿頭材質由Inconel 625 改為Inconel 625+耐磨襯套（碳化鎢陶瓷），具體形式為在煤漿頭的口部鑲嵌了一個具有很好抗磨蝕性能的環形套（其結構示意圖見圖3），此耐磨襯套硬度高，耐沖刷和腐蝕性能更好，有效地解決了煤漿頭的磨損，避免了因為煤漿頭磨損引起的燒嘴壓差降低、波動，保證了燒嘴工藝壓差和霧化效果，提高了設備使用壽命。

圖3 煤漿噴頭耐磨襯套結構示意圖

相同工況下，兩種煤漿噴頭使用前后關鍵數據對比見表4。

表4 兩種煤漿噴頭關鍵數據對比

由表4 可知，一個使用周期后，沒有使用鑲嵌耐磨襯套的煤漿頭內部磨損量為8.1 mm，內部直線段磨損呈現波浪形；鑲嵌耐磨襯套的煤漿頭內部磨損量為1.9 mm，外觀無明顯變化。

煤漿頭內徑碳化鎢材質磨損量小，直線段形狀保持較好，不會引起環隙等關鍵尺寸變化，在正常使用一個周期后，燒嘴整體霧化效果變化不大。采用在頭部徑向線切割的方法，將磨損的部位切除，保持霧化角度不變，可以繼續使用一個周期，節約了整體更換煤漿頭的費用。這種碳化鎢耐磨襯套硬度很高，性能較脆，與本體材質熱脹冷縮系數不同，進入氣化爐和拔出氣化爐過程中要特別注意，否則容易引起內部碳化鎢產生裂紋，備件無法修復，只能更換。

3.3 燒嘴冷卻水盤管改造維修

冷卻水盤管的主要損壞形式是冷卻水盤管（鎳基材料Inconel 625）與外噴頭（鈷基材料UMCo-50）連接焊縫區域的開裂泄漏。

冷卻水盤管是燒嘴的重要組成部分。在前期生產過程中，80%的燒嘴泄漏是由于冷卻水盤管與外氧噴頭焊縫泄漏導致。在這種情況下，該企業成立了技術攻關小組，重點從材料和焊接兩個方面入手，對冷卻水盤管焊縫的焊接質量進行課題攻關。

Inconel 625 合金是鉬、鈮為主要元素的鎳基高溫合金，具有良好的耐高溫、抗腐蝕、適應惡劣工況的性能；UMCo-50 合金具有優良的抗氧化性能，同時抗高溫、抗熱腐蝕和熱沖擊、耐磨損。燒嘴冷卻水盤管與外氧頭焊接部位結構復雜、空間狹小，而且是異種鋼，焊接難度大。在與維修廠家的多次交流中，針對實際情況，采用了UMCo-50/Inconel 625 異種高溫合金氬弧焊焊接工藝，并將焊絲材質、焊接電流、焊接速度、焊接溫度、焊接層數作為影響參數，進行不同參數組合方式的比對，最后，根據試驗數據得出焊接質量最優的工藝參數組合。通過對宏觀形貌進行分析，得出焊縫成形影響因素的主次順序：焊接電流＞層間溫度＞焊絲種類＞焊接速度＞焊接層數；通過高溫拉伸試驗，得出焊絲類型和焊接速度是高溫抗拉強度和斷后伸長率的主要影響因素，焊道層數對焊縫的影響最小，為次要因素；通過顯微硬度測試，得出無論焊接工藝參數如何變化或選擇何種填充材料，硬度曲線都遵循下述規律：UMCo-50 母材＞UMCo-50 熱影響區＞焊縫＞Inconel 625 母材＞Inconel 625 熱影響區；通過綜合成形情況、高溫拉伸性能及硬度分析，得出比較合理的工藝參數為：焊接電流160 A，焊接速度10 cm/min，層間溫度不高于150 ℃，焊接層數2 層，最為關鍵的填充材料焊絲優選GH5188 和ERNiCr-3[2]。

在具體的冷卻水盤管與外氧噴頭焊接過程中，將原來的兩小段焊接短管去掉，用整根冷卻水管線進行煨彎，一次成型，與外氧噴頭進行直接焊接，減少了焊縫數量，改善了冷卻水盤管的完整性。針對冷卻水盤管與外氧頭連接處的角焊縫，增加一塊UMCo-50 材質的圓形擋板，并且在縫隙處填充陶瓷纖維材料，降低高溫、熱輻射、腐蝕等極端環境對盤管焊縫的損壞，很好地保護了冷卻水盤管焊縫。在后續的使用過程中，通過優化工藝參數，極大地改善了冷卻水盤管的使用條件。在冷卻水盤管的維修方案中，也進行了調整：冷卻水盤管彎頭每次檢修時必須更換，冷卻水盤管累計使用200 d 以上，必須更換；因為生產原因，冷卻水盤管表面呈現回火燒蝕，經過分析檢測，若存在晶格變化、晶?；频惹闆r，導致金屬性能下降時，必須更換盤管。

冷卻水盤管與外氧頭焊接工藝的優化，以及盤管結構的改變，都有效改善了燒嘴焊縫的泄漏問題。

3.4 燒嘴關鍵尺寸調整

3.4.1 環隙尺寸調整

環隙尺寸是工藝燒嘴的關鍵數據，燒嘴在正常運行一段時間后，外氧噴頭龜裂，內徑邊緣向內收縮，環隙減小，單位時間通過環隙截面的氧氣流量增加、流速增快，外環氧出口角度大于正常角度。在這種情況下，煤漿霧化區域上移，黑區變小，煤漿顆粒在爐內的停留時間縮短，氣化效率降低。同時，過長的火焰直沖爐底，會縮短錐口磚和激冷環的工作壽命。GE 公司開始給定的環隙尺寸為（5.1±0.1）mm，經過實際生產探索和利用計算機對氣化爐內流場及燃燒過程的模擬計算，將環隙尺寸修訂為（5.3±0.1）mm。隨著環隙尺寸的增大，氧氣的噴射角度變小，增強了煤漿和氧氣的預混效果，氧氣與煤漿燃燒更加充分，高溫區域下移，改變了整個流場分布，保護了爐磚和氣化爐內件，提高了煤漿氣化效率。

3.4.2 煤漿噴頭與中心氧噴頭入爐深度尺寸調整

煤漿噴頭和中心氧噴頭距離外氧頭的深度是燒嘴另外一個重要的指標。在燒嘴的預混腔內，中心氧對煤漿進行初次霧化和預混，利用中心氧對煤漿進行稀釋和初加速，改善煤漿的流動性，保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。原始燒嘴的尺寸與氧氣和煤漿流量不匹配，初次霧化效果不好，噴出火焰的長度短，合成氣氣體組分不好，氣化爐拱頂經常出現超溫的現象。根據實際生產情況，縮短中心氧至外氧噴頭的距離，對煤漿噴頭至外氧頭的距離進行微調，找到了更加合理的匹配尺寸。通過改變煤漿噴頭和中心氧噴頭的深度，縮短了火焰長度，改變了氣體組分。

燒嘴關鍵尺寸調整前后數據見表5。

表5 燒嘴關鍵尺寸調整前后數據 mm

3.4.3 霧化角度調整

煤漿通過噴頭時，如果流速過大，會加速煤漿噴頭內部的磨損，迅速使噴頭出口尺寸變大，霧化效果變差。當霧化角度大于正常值時，與燒嘴環隙減小是一個道理，回流區縮小，火焰黑區上移，拱頂溫度升高，氣化效率降低，爐磚損壞加劇。當霧化角度小于正常值時，物料燃燒不充分，粗渣中碳含量高，質量分數最高達到30%，影響生產效率。通過改進各流道結構，使內、外氧氣和水煤漿之間的速度匹配及內、外氧氣和水煤漿撞擊角度更加合理，形成更合理的流場分布。通過對燒嘴進行冷態模擬實驗，確定使從噴嘴出來的反應混合物氣流角度保持在45 °～60 °。

4 改造效果

在分析工藝燒嘴結構的基礎上，從材料、焊接工藝及參數、關鍵尺寸、冷卻水盤管等方面對某企業甲醇制烯烴裝置的GE 水煤漿氣化工藝燒嘴進行了全方位技術攻關，取得了良好的效果。氣化爐燒嘴使用周期由原來的30 d 左右提升到了75 d～90 d，最長使用時間達到了97 d。燒嘴改造提升了生產效率，穩定了生產，降低了檢修工作量。今后，本著安全生產的初衷，將從新材料、新工藝入手，繼續提高燒嘴的使用周期和穩定性。