四喷嘴气化炉烧嘴煤浆压差波动原因的探讨

四喷嘴气化炉烧嘴煤浆压差波动原因的探讨

殷晓雪

联泓（山东）化学有限公司  山东滕州  277527

摘要：在气流床工艺中，将原料流喷入气化炉燃烧的设备称为烧嘴，也称为喷嘴。虽然这种设备与气化炉相比相对较小，但其重要性不亚于气化炉本身。烧嘴决定着气化技术的能效，制约着整个生产系统的稳定运行。气化炉的运行状态完全取决于烧嘴。

关键词：水煤浆；工艺烧嘴；煤浆压差；波动；环隙

引言

近年来，煤气化技术迅速发展，工业装置中各种类型的气化器不断改进和完善。作为燃煤燃气火器的主要设备，气化烧嘴的寿命和性能是制约燃气火器安全、稳定、持久运行的关键。这是因为气化烧嘴长期处于高温、高压、纯氧和酸腐蚀的环境中。一般来说，气化烧嘴的工作压力为4 MPa ~ 6 MPa，煤气炉的平均温度约为1400℃，烧嘴头部被2000℃以上的火焰强烈释放。

1、工艺烧嘴结构及雾化机理介绍

CWS气化过程中，带4个喷嘴，采用以Inconel 600为主要材料的3通道前置工艺烧嘴，以Inconel 625为冷却液线圈和烧嘴的3通道外管，以UMCO 50为烧嘴头的三层外壳和端面。工艺烧嘴的三个通道是中央氧气通道、煤浆通道和外环氧气通道。三个通道悬挂在喷嘴头间隙中加速，且中心氧和外环氧流速可达110 ~ 130米/秒，煤浆流速可达10米/秒。四个工艺烧嘴(见附件)。图1)水平且均匀成对地布置在燃烧室的中部和上部。由高压煤渣浆泵供给的水煤浆离开煤浆烧嘴的环形间隙后，首先与预混合室中的高速中心氧混合并加速，然后用外环氧切割颗粒。在高速氧剪切和高频振动的作用下，水煤浆被分散成液滴，从而增强水煤浆中水的蒸发、蒸发和分解以及部分氧氧化反应。

2、烧嘴煤浆压差波动的危害

烧嘴的煤悬浮液压力差异波动时，水煤浆的流量没有明显变化，因此会导致一系列系统反应，如不良喷雾效果、碳残留含量的增加、气体形成的减少、燃烧室气流场的破坏、耐火砖的侵蚀和损坏、局部漩涡恶化等。即使使用了煤渣粘度-温度特性好的煤，工艺烧嘴的末端和线圈也有释放和燃烧的痕迹。氧气消耗的增加将引起燃气机焦点温度的波动，熔化和排出固体渣膜将容易导致烧嘴头部的裂纹、碳沉积和固化环寿命的降低。

3、烧嘴失效分析

3.1低倍显微镜检查

用ZeissDiscoveryV12低功率显微镜对烧嘴的燃烧部分进行了切割和拆开观察。径向裂缝的垂直剖面具有不同的凹槽深度，大部分区域为石蓝，但只有冷却剂的内表面显示出金属光泽，并部分被灰尘复盖。超声波清洗后，各段区域边界变得清晰，外表面呈石蓝状，中间部分无金属光泽，内表面有金属光泽，显示出金属的初始形状。

3.2SEM+EDS分析

扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)是评价材料表面形态和表面元素组成的有效分析方法。对烧嘴燃烧和裂纹部分进行了SEM + EDS分析。与镍基高温合金的元素组成相比，失败点的氧元素和硫元素明显扩大。可以看出，在纯氧的高温环境下，金属内的Ni和Cr等元素氧化成相应的金属氧化物，氧元素在金属破坏部位的表面以化学键的形式与基体结合。镍合金在长时间高温纯氧环境中逐渐氧化为NiO。生成的镍基氧化物在纯氧环境中吸收氧气的能力很强，因此容易引起氧化加速的现象。在含有低熔点的硫、磷或其他金属的长期加热环境中，粒子边界处S相的沉积会使合金材料变得易碎。

4、处理方法

4.1调整氧气流量

当烧嘴煤浆压差减小时，燃烧室压力减小，氧气流量自动增加，增加了烧嘴端面的热负荷。通过降低氧气流量，它不仅可以保持正常炉温和氧气-煤比，还可以改善烧嘴回流流的氧气分压，并减少烧嘴端面的热负荷。运行时，烧嘴氧气流量应控制在正常氧气流量以下，且煤浆烧嘴压力差的减小越大，氧气流量调节范围的增大越大。总的来说，效果可能在5-10分钟内到来。烧嘴煤浆压差升高后，不值得立即恢复耗氧量，以免烧嘴压差再次波动。烧嘴煤浆压差达到标准后，氧-煤比控制略有下降。

4.2调整煤浆负荷

处理烧嘴压力差波动时，对煤污泥的负荷增减均可适用，两者均有一定效果。一般来说，烧嘴末端表面的热载荷在约0.5小时后恢复正常，烧嘴的压力差增加。通过增加水煤浆的负载进行调整时，氧气流量必须恒定。要想减少对煤炭污泥的负荷，必须同时减少氧气消耗，即燃气机的生产负荷。一般来说，现有气体火器必须与装载工作交互，以在整个工厂保持合成气体平衡。

4.3加工过程与改进

由于整个八角垫在表面处理过程中填充有耐腐蚀不锈钢材料，因此首先使用直径为20毫米/ 8毫米的端铣刀来去除大部分待处理的裕量。然后，继续使用端铣刀分几个步骤加工斜锥，即最大限度地排除加工余量。然后，它被用于加工八角垫沟，使用设计和制造为非标准的锥形铣床。加工参数以400转/分的转速和10毫米/分的进给速度选择。由于实际产品直接用于测试处理，因此使用了与图纸一致但首先处理形状的处理方法，从而减小了处理深度。在机械加工过程中，尽管在最终精加工过程中铣刀长度已被减小到最大限度以提高系统刚度，但在内环和外环加工过程中，由于缺乏刚度，因此表面粗糙度仍然很差。因此，考虑到这种情况，采用上面设计的切割器的第二种方案，即完全符合八角垫槽的切割器，并且在最终的整理过程中同时切割内环和外环。通过参数调整，证实了经机加工后的喷嘴密封面可以满足产品使用要求。

5、结论与建议

通过对烧嘴燃烧烧嘴头部的分析，发现从中心延伸到周围的裂纹是微观形式的凹槽，沿凹槽边缘的电弧在深度、角度和不连续性上有所不同。燃烧位置的金属学研究表明，损伤位置的微观结构包括奥氏体基质γ相、弥散强化相(γ相、上γ)、具有团聚或链分布的δ相、NbC和TiN的相。能谱分析数据表明，破坏部位表面的氧、硫、碳元素明显增加，由于该区域掺杂物质氧化成NiO，NiO在纯氧环境中吸收氧气的能力较高，因此更容易产生内部氧化。然而，在含有低熔点的硫、磷或其他金属的热环境中，特别是当S相在粒子边界沉积时，合金材料会变得易碎。通过对烧嘴头部温度和应力分布的分析，可以发现，尽管冷却水持续冷却，但由于结构设计问题，在有厚壁的尖角上继续出现高温高应力局部区域，超过1400MPa的最大电压远远超过材料的允许电压860MPa。过高的温度和压力是烧嘴燃烧损失的直接原因。在详细分析热环境、热应力和烧嘴头部金属破坏的基础上，确定了烧嘴故障的原因。为了延长烧嘴的寿命，建议从以下几个方面入手:(1)改进火炬头的金属材料品牌，选择适合更高工作温度范围的高温合金。(2)在烧嘴头部火灾表面，表面涂层工艺应用于从高温纯氧绝缘金属材料，涂层材料应从结合力强、导热系数低、高温环境下具有良好机械特性的材料中选择。(3)烧嘴的冷却结构应进行优化，以确保金属壁厚的最大可能一致性，从尖角去除高温和高压集中区，并确保金属在允许电压和最高工作温度下工作。

结束语

综上所述，四喷嘴气化炉烧嘴和管道的布置应根据工程特点和工艺流程，严格按照相关规范进行，并满足不同介质对管道布置的要求。对称布局，统一考虑便于维护是关键因素。同时，项目投产后，还要对设计进行回访，在生产和维护过程中不断收集相关信息，总结经验，优化设计，更好地为用户服务。

参考文献：

［1］张建民．气化炉烧嘴损坏原因分析及预防措施［J］．设备管理与维修，2018(11):69．

［2］GB150—2011，压力容器［S］．

［3］张利伟，都吉哲，张晖，等．水煤浆气化炉的制造［J］．压力容器，2017，22(4):26－30．