水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题分析

1设备简介

1.1工艺烧嘴描述

工艺烧嘴为中石化南化公司煤气化装置关键设备,主要原理是水煤浆和氧气在工艺烧嘴中充分混合雾化进入气化炉的燃烧室中进行反应,生成以C0和H2为有效成分的粗合成气,制造商为GE和北京航天石化技术装备工程公司。

1.2设备简图

设备简图如图1所示。

2设备故障描述

工艺烧嘴长期在高温高压下工作,喷嘴寿命短,易造成非计划停车,影响气化炉系统长周期运行。主要故障点在于:

(1)外环氧喷嘴向火面每次均出现径向和圆周热疲劳裂纹并形成沟槽,如图2所示。

(2)煤浆喷嘴磨损减薄严重,同心度变差,如图3所示。

(3)冷却水盘管进口端与外环氧喷嘴头连接处出现穿透裂纹,呈断裂状态,如图4所示。

3水煤浆气化炉工艺烧嘴使用天数及修理情况

为便于研究,下面以中石化南京化学工业有限公司煤化工部两套装置的两种压力等级(分别为6.5MPa和8.2MPa)水煤浆气化炉工艺烧嘴为对象,分析其2006年以来最长的使用天数及备件修理更换情况,具体如表1所示。

4影响水煤浆气化炉工艺烧嘴使用寿命的主要因素

大体上可将影响烧嘴使用寿命的因素归纳为以下几个方面:操作温度、燃煤品质、烧嘴材质、工况稳定性、系统负荷与压力等等。

4.1操作温度的影响

水煤浆气化炉工艺烧嘴需要插入到约1350℃的炉膛内工作,虽然在气化炉工艺烧嘴头部有冷却盘管和水夹套的保护,但不能消除高温气体对气化炉工艺烧嘴的灼烧和侵蚀。气化炉燃烧室温度越高对气化炉工艺烧嘴的灼烧侵蚀越强烈,尤其是在气化炉燃烧室温度大幅度波动时对气化炉工艺烧嘴的灼烧侵蚀更为严重,这是造成烧嘴损坏的主要原因之一。在整个烧嘴上,烧嘴的喷嘴是机械加工应力最为集中的部位,由于烧嘴喷嘴焊接部件的材质和厚度均不相同,故此,当喷嘴处于高温环境时,应力会不断得到释放,很容易引起热疲劳裂纹。随着烧嘴使用时间的逐步延长,裂纹会随之增大,这样会造成烧嘴头部龟裂、部分焊缝开裂的情况。

4.2燃煤品质的影响

烧嘴寿命与煤的灰熔点也有很大关系,灰熔点将直接决定气化炉炉温的高低和比氧耗。气化炉在运行的过程中,炉膛内部会产生出一定厚度的挂渣层,在同等温度下,如果气化炉使用的燃煤为高灰熔点煤种,那么炉膛内壁的挂渣层会不断增厚,由此会在气化炉拱顶形成渣瘤。当从烧嘴中喷出的高温流体与渣瘤发生撞击之后会产生折返,而撞击在烧嘴无冷却水的部位时,会导致烧嘴的头部形成很多凹坑,若是得不到及时有效的处理,随着运行时间的延长,则可能会使烧嘴被烧穿,从而引起泄漏。

其次,煤的亲水性和煤浆粒度也会影响烧嘴寿命,煤的亲水性差,煤浆稳定性较低,煤浆易分层,煤浆泵送及雾化特性差,导致了烧嘴煤浆压力及炉温波动,易造成煤浆喷嘴磨损,加速外环氧喷嘴损坏:在制浆过程中,煤浆粒度大或者添加剂的性质和用量偏差,也会造成煤浆稳定性差。

4.3烧嘴材质的影响

由于气化炉工艺烧嘴的运行环境较为特殊,所以烧嘴外氧、煤浆、中心氧管选用1neone1600合金,这是一种镍-铬-铁基固溶强化合金,其具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能。而烧嘴的头部采用的则是Haynes188,这种材质具备良好的高温耐磨性能,由此能够使烧嘴煤浆环隙的磨损程度大幅度降低,有助于延长其使用寿命。烧嘴材质化学成分如表2所示。如果气化炉工艺烧嘴及其头部采用的不是上述材质,那么在高温条件下,烧嘴的使用寿命必定会相应缩短。

4.4工况稳定性的影响

气化炉运行过程中,氧气供给、煤浆进料、炉膛压力等因素均与氧煤比有着直接关系,当氧气供给不足、煤浆进料不稳定、炉膛压力出现大幅度波动变化时,都可能导致氧煤比失调,由此会造成雾化角频繁发生变化,从而使烧嘴头部端面温度忽高忽低。如果烧嘴处于这种工况下运行,那么必然会受到热应力突变的影响,由此极有可能引起龟裂。不仅如此,运行工况的变化也会对烧嘴的使用寿命造成一定影响。

5改善水煤浆气化炉工艺喷嘴可靠性的措施

水煤浆气化炉工艺喷嘴最为突出的问题是使用寿命过短,我们对两套系统的每台烧嘴都建立了记录台账。这些台账中包括烧嘴的使用时间、损坏照片、尺寸测量及备件维修更换周期等,有助于我们分析烧嘴的常见故障点及维修质量,改进后续的工艺操作和维修管理。

5.1工艺烧嘴的维修策略

5.1.1烧嘴单次使用周期的控制

根据统计,工艺烧嘴在长周期运行后,通过着色检查,发现喷嘴裂纹及沟槽很深,使用时间越长,沟槽越深,可修复性越差。不能刻意追求烧嘴超长时间使用,超长时间使用容易造成外环氧喷嘴热裂纹穿孔或者冷却水管泄漏,造成氧碳比失衡,引发非计划停炉,提前更换烧嘴,甚至发生爆炸事故。所以,工艺烧嘴修理后的建议使用时间如下:6.5MPa压力下的工艺烧嘴理想使用时间70天,不要超过90天:8.2MPa压力下的工艺烧嘴理想使用时间45天,不要超过60天。

5.1.2备件的维修及更换策略

烧嘴长时间受高温冲刷头部部件会出现裂纹和减薄,维修前需要清洗干净后用着色的方式检查损坏情况。受高温影响,冷却水水管是工艺烧嘴部件中损坏比较严重的部件,需更换弯头,在腐蚀变薄的弯头区域进行两端切除处理,最后将最新的弯头与母管和外环氧夹套焊接。三个喷嘴需要很好地进行打磨,以保证完成堆焊:外环氧喷嘴如果严重烧损,需要更换新的喷头,确定好切割位置,保证良好定位,进行焊接,将焊接面打磨平滑后,测量同心度及喷嘴间隙,对裂纹进行着色检查。修复结束后使用四氯化碳或三氯乙烯进行脱脂处理,防止氧气管道被油脂污染。对于冷却水盘管及外环氧夹套要进行水压试验,保证没有任何渗漏问题,试验后用压缩空气将水分吹干。

外环氧喷嘴受热侵蚀最为严重,故损坏频率最高,在修理过程中,只要不发生径向和圆周热疲劳裂纹穿孔,一般采用堆焊修复,着色检查。如果在使用过程中由于发生过热,外环氧喷嘴失去不锈钢光泽而颜色发黑、表面毛糙,或者在打磨和焊接过程中发现径向和圆周热疲劳裂纹穿孔,表示外环氧喷嘴报废,即使修理,喷嘴端面着色仍然会产生裂纹,必须更换外环氧喷嘴备件。

煤浆喷嘴磨损减薄堆焊处理后进行着色检查并检查同心度,一般不需要更换。

冷却水盘管与外环氧夹套焊接处已产生裂纹,采用冷却水盘管相同的管材,制作相应的弯头,做局部更换,一般不需要整体更换。

5.2优化操作管理

气化炉温度是影响工艺烧嘴寿命的重要原因,正常情况下,气化炉温度由氧气流量控制,氧碳比越高,气化温度就越高,CO2就会升高,工艺气中的有效气体成分(H2+CO)就会降低,CH4含量会降低:反之,氧碳比越低,气化温度就越低,CO2含量就会降低,工艺气中的有效气体成分就会升高,CH4含量会升高,过低的气化温度还有可能造成气化炉排渣困难,影响气化炉正常运行。目前气化炉的设计温度是1350C,在实际工艺操作中炉温的控制原则是在煤的灰熔点以上,并在保证气化炉液态排渣正常的情况下尽可能控制较低一些,以保证炉砖和烧嘴的寿命。

在运行中减少开停炉次数,保证水煤浆气化炉运行的稳定性,在停炉之后,如果需要连续投料,要采取减小抽负等必要的保温措施,减缓投料时的温度变化,尽量保证炉膛温度。在投料之后,为避免阀门压力差过大而影响氧气流量稳定性,应及时观察氧气流量调节阀的压力值,当投料后压力值与投料前压力值之差大于0.6MPa时,开启自动调节,以稳定氧气流量,减少炉温的大幅度波动。

控制氧气流量波动,对氧气流量调节阀的工艺参数进行调节,将波动幅度控制在不超过100℃39m:控制煤浆压力波动,要对高压煤浆泵出口缓冲器压力进行调节,将波动幅度控制在不超过0.05MPa。

根据设计负荷控制气化炉实际运行负荷,通常情况下,烧嘴在设计负荷的80%~100%区间内运行。若气化炉负荷长期处于过高或过低的状态,应根据生产的需要重新设计工艺烧嘴的长度、流道等。

6结语

综上所述,在水煤浆气化炉装置中,工艺烧嘴是非常重要的设备,其使用寿命长短,直接关系到气化炉的生产效率。为了能够在现有基础上进一步延长工艺烧嘴的使用寿命,可以通过对烧嘴开展专项化管理,制定合理的维修策略,优化工艺操作以及对各种方式的综合运用,实现装置增产、降耗的目标。