1設(shè)備簡介

1.1工藝燒嘴描述

工藝燒嘴為中石化南化公司煤氣化裝置關(guān)鍵設(shè)備,主要原理是水煤漿和氧氣在工藝燒嘴中充分混合霧化進(jìn)入氣化爐的燃燒室中進(jìn)行反應(yīng),生成以C0和H2為有效成分的粗合成氣,制造商為GE和北京航天石化技術(shù)裝備工程公司。

1.2設(shè)備簡圖

設(shè)備簡圖如圖1所示。

2設(shè)備故障描述

工藝燒嘴長期在高溫高壓下工作,噴嘴壽命短,易造成非計(jì)劃停車,影響氣化爐系統(tǒng)長周期運(yùn)行。主要故障點(diǎn)在于:

(1)外環(huán)氧噴嘴向火面每次均出現(xiàn)徑向和圓周熱疲勞裂紋并形成溝槽,如圖2所示。

(2)煤漿噴嘴磨損減薄嚴(yán)重,同心度變差,如圖3所示。

(3)冷卻水盤管進(jìn)口端與外環(huán)氧噴嘴頭連接處出現(xiàn)穿透裂紋,呈斷裂狀態(tài),如圖4所示。

3水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用天數(shù)及修理情況

為便于研究,下面以中石化南京化學(xué)工業(yè)有限公司煤化工部兩套裝置的兩種壓力等級(jí)(分別為6.5MPa和8.2MPa)水煤漿氣化爐工藝燒嘴為對象,分析其2006年以來最長的使用天數(shù)及備件修理更換情況,具體如表1所示。

4影響水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用壽命的主要因素

大體上可將影響燒嘴使用壽命的因素歸納為以下幾個(gè)方面:操作溫度、燃煤品質(zhì)、燒嘴材質(zhì)、工況穩(wěn)定性、系統(tǒng)負(fù)荷與壓力等等。

4.1操作溫度的影響

水煤漿氣化爐工藝燒嘴需要插入到約1350℃的爐膛內(nèi)工作,雖然在氣化爐工藝燒嘴頭部有冷卻盤管和水夾套的保護(hù),但不能消除高溫氣體對氣化爐工藝燒嘴的灼燒和侵蝕。氣化爐燃燒室溫度越高對氣化爐工藝燒嘴的灼燒侵蝕越強(qiáng)烈,尤其是在氣化爐燃燒室溫度大幅度波動(dòng)時(shí)對氣化爐工藝燒嘴的灼燒侵蝕更為嚴(yán)重,這是造成燒嘴損壞的主要原因之一。在整個(gè)燒嘴上,燒嘴的噴嘴是機(jī)械加工應(yīng)力最為集中的部位,由于燒嘴噴嘴焊接部件的材質(zhì)和厚度均不相同,故此,當(dāng)噴嘴處于高溫環(huán)境時(shí),應(yīng)力會(huì)不斷得到釋放,很容易引起熱疲勞裂紋。隨著燒嘴使用時(shí)間的逐步延長,裂紋會(huì)隨之增大,這樣會(huì)造成燒嘴頭部龜裂、部分焊縫開裂的情況。

4.2燃煤品質(zhì)的影響

燒嘴壽命與煤的灰熔點(diǎn)也有很大關(guān)系,灰熔點(diǎn)將直接決定氣化爐爐溫的高低和比氧耗。氣化爐在運(yùn)行的過程中,爐膛內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生出一定厚度的掛渣層,在同等溫度下,如果氣化爐使用的燃煤為高灰熔點(diǎn)煤種,那么爐膛內(nèi)壁的掛渣層會(huì)不斷增厚,由此會(huì)在氣化爐拱頂形成渣瘤。當(dāng)從燒嘴中噴出的高溫流體與渣瘤發(fā)生撞擊之后會(huì)產(chǎn)生折返,而撞擊在燒嘴無冷卻水的部位時(shí),會(huì)導(dǎo)致燒嘴的頭部形成很多凹坑,若是得不到及時(shí)有效的處理,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,則可能會(huì)使燒嘴被燒穿,從而引起泄漏。

其次,煤的親水性和煤漿粒度也會(huì)影響燒嘴壽命,煤的親水性差,煤漿穩(wěn)定性較低,煤漿易分層,煤漿泵送及霧化特性差,導(dǎo)致了燒嘴煤漿壓力及爐溫波動(dòng),易造成煤漿噴嘴磨損,加速外環(huán)氧噴嘴損壞:在制漿過程中,煤漿粒度大或者添加劑的性質(zhì)和用量偏差,也會(huì)造成煤漿穩(wěn)定性差。

4.3燒嘴材質(zhì)的影響

由于氣化爐工藝燒嘴的運(yùn)行環(huán)境較為特殊,所以燒嘴外氧、煤漿、中心氧管選用1neone1600合金,這是一種鎳-鉻-鐵基固溶強(qiáng)化合金,其具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能。而燒嘴的頭部采用的則是Haynes188,這種材質(zhì)具備良好的高溫耐磨性能,由此能夠使燒嘴煤漿環(huán)隙的磨損程度大幅度降低,有助于延長其使用壽命。燒嘴材質(zhì)化學(xué)成分如表2所示。如果氣化爐工藝燒嘴及其頭部采用的不是上述材質(zhì),那么在高溫條件下,燒嘴的使用壽命必定會(huì)相應(yīng)縮短。

4.4工況穩(wěn)定性的影響

氣化爐運(yùn)行過程中,氧氣供給、煤漿進(jìn)料、爐膛壓力等因素均與氧煤比有著直接關(guān)系,當(dāng)氧氣供給不足、煤漿進(jìn)料不穩(wěn)定、爐膛壓力出現(xiàn)大幅度波動(dòng)變化時(shí),都可能導(dǎo)致氧煤比失調(diào),由此會(huì)造成霧化角頻繁發(fā)生變化,從而使燒嘴頭部端面溫度忽高忽低。如果燒嘴處于這種工況下運(yùn)行,那么必然會(huì)受到熱應(yīng)力突變的影響,由此極有可能引起龜裂。不僅如此,運(yùn)行工況的變化也會(huì)對燒嘴的使用壽命造成一定影響。

5改善水煤漿氣化爐工藝噴嘴可靠性的措施

水煤漿氣化爐工藝噴嘴最為突出的問題是使用壽命過短,我們對兩套系統(tǒng)的每臺(tái)燒嘴都建立了記錄臺(tái)賬。這些臺(tái)賬中包括燒嘴的使用時(shí)間、損壞照片、尺寸測量及備件維修更換周期等,有助于我們分析燒嘴的常見故障點(diǎn)及維修質(zhì)量,改進(jìn)后續(xù)的工藝操作和維修管理。

5.1工藝燒嘴的維修策略

5.1.1燒嘴單次使用周期的控制

根據(jù)統(tǒng)計(jì),工藝燒嘴在長周期運(yùn)行后,通過著色檢查,發(fā)現(xiàn)噴嘴裂紋及溝槽很深,使用時(shí)間越長,溝槽越深,可修復(fù)性越差。不能刻意追求燒嘴超長時(shí)間使用,超長時(shí)間使用容易造成外環(huán)氧噴嘴熱裂紋穿孔或者冷卻水管泄漏,造成氧碳比失衡,引發(fā)非計(jì)劃停爐,提前更換燒嘴,甚至發(fā)生爆炸事故。所以,工藝燒嘴修理后的建議使用時(shí)間如下:6.5MPa壓力下的工藝燒嘴理想使用時(shí)間70天,不要超過90天:8.2MPa壓力下的工藝燒嘴理想使用時(shí)間45天,不要超過60天。

5.1.2備件的維修及更換策略

燒嘴長時(shí)間受高溫沖刷頭部部件會(huì)出現(xiàn)裂紋和減薄,維修前需要清洗干凈后用著色的方式檢查損壞情況。受高溫影響,冷卻水水管是工藝燒嘴部件中損壞比較嚴(yán)重的部件,需更換彎頭,在腐蝕變薄的彎頭區(qū)域進(jìn)行兩端切除處理,最后將最新的彎頭與母管和外環(huán)氧夾套焊接。三個(gè)噴嘴需要很好地進(jìn)行打磨,以保證完成堆焊:外環(huán)氧噴嘴如果嚴(yán)重?zé)龘p,需要更換新的噴頭,確定好切割位置,保證良好定位,進(jìn)行焊接,將焊接面打磨平滑后,測量同心度及噴嘴間隙,對裂紋進(jìn)行著色檢查。修復(fù)結(jié)束后使用四氯化碳或三氯乙烯進(jìn)行脫脂處理,防止氧氣管道被油脂污染。對于冷卻水盤管及外環(huán)氧夾套要進(jìn)行水壓試驗(yàn),保證沒有任何滲漏問題,試驗(yàn)后用壓縮空氣將水分吹干。

外環(huán)氧噴嘴受熱侵蝕最為嚴(yán)重,故損壞頻率最高,在修理過程中,只要不發(fā)生徑向和圓周熱疲勞裂紋穿孔,一般采用堆焊修復(fù),著色檢查。如果在使用過程中由于發(fā)生過熱,外環(huán)氧噴嘴失去不銹鋼光澤而顏色發(fā)黑、表面毛糙,或者在打磨和焊接過程中發(fā)現(xiàn)徑向和圓周熱疲勞裂紋穿孔,表示外環(huán)氧噴嘴報(bào)廢,即使修理,噴嘴端面著色仍然會(huì)產(chǎn)生裂紋,必須更換外環(huán)氧噴嘴備件。

煤漿噴嘴磨損減薄堆焊處理后進(jìn)行著色檢查并檢查同心度,一般不需要更換。

冷卻水盤管與外環(huán)氧夾套焊接處已產(chǎn)生裂紋,采用冷卻水盤管相同的管材,制作相應(yīng)的彎頭,做局部更換,一般不需要整體更換。

5.2優(yōu)化操作管理

氣化爐溫度是影響工藝燒嘴壽命的重要原因,正常情況下,氣化爐溫度由氧氣流量控制,氧碳比越高,氣化溫度就越高,CO2就會(huì)升高,工藝氣中的有效氣體成分(H2+CO)就會(huì)降低,CH4含量會(huì)降低:反之,氧碳比越低,氣化溫度就越低,CO2含量就會(huì)降低,工藝氣中的有效氣體成分就會(huì)升高,CH4含量會(huì)升高,過低的氣化溫度還有可能造成氣化爐排渣困難,影響氣化爐正常運(yùn)行。目前氣化爐的設(shè)計(jì)溫度是1350C,在實(shí)際工藝操作中爐溫的控制原則是在煤的灰熔點(diǎn)以上,并在保證氣化爐液態(tài)排渣正常的情況下盡可能控制較低一些,以保證爐磚和燒嘴的壽命。

在運(yùn)行中減少開停爐次數(shù),保證水煤漿氣化爐運(yùn)行的穩(wěn)定性,在停爐之后,如果需要連續(xù)投料,要采取減小抽負(fù)等必要的保溫措施,減緩?fù)读蠒r(shí)的溫度變化,盡量保證爐膛溫度。在投料之后,為避免閥門壓力差過大而影響氧氣流量穩(wěn)定性,應(yīng)及時(shí)觀察氧氣流量調(diào)節(jié)閥的壓力值,當(dāng)投料后壓力值與投料前壓力值之差大于0.6MPa時(shí),開啟自動(dòng)調(diào)節(jié),以穩(wěn)定氧氣流量,減少爐溫的大幅度波動(dòng)。

控制氧氣流量波動(dòng),對氧氣流量調(diào)節(jié)閥的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),將波動(dòng)幅度控制在不超過100℃39m:控制煤漿壓力波動(dòng),要對高壓煤漿泵出口緩沖器壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),將波動(dòng)幅度控制在不超過0.05MPa。

根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷控制氣化爐實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷,通常情況下,燒嘴在設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%~100%區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。若氣化爐負(fù)荷長期處于過高或過低的狀態(tài),應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的需要重新設(shè)計(jì)工藝燒嘴的長度、流道等。

6結(jié)語

綜上所述,在水煤漿氣化爐裝置中,工藝燒嘴是非常重要的設(shè)備,其使用壽命長短,直接關(guān)系到氣化爐的生產(chǎn)效率。為了能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步延長工藝燒嘴的使用壽命,可以通過對燒嘴開展專項(xiàng)化管理,制定合理的維修策略,優(yōu)化工藝操作以及對各種方式的綜合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)裝置增產(chǎn)、降耗的目標(biāo)。