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,易造成非計劃停車,影響氣化爐系統(tǒng)長周期運行。主要故障點在于:

(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(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時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,應(yīng)力會不斷得到釋放,很容易引起熱疲勞裂紋。隨著燒嘴使用時間的逐步延長,裂紋會隨之增大,這樣會造成燒嘴頭部龜裂、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也有很大關(guān)系,灰熔點將直接決定氣化爐爐溫的高低和比氧耗。氣化爐在運行的過程中,爐膛內(nèi)部會產(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煤種,那么爐膛內(nèi)壁的掛渣層會不斷增厚,由此會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)生撞擊之后會產(chǎn)生折返,而撞擊在燒嘴無冷卻水的部位時,會導(dǎo)致燒嘴的頭部形成很多凹坑,若是得不到及時有效的處理,隨著運行時間的延長,則可能會使燒嘴被燒穿,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,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相應(yīng)縮短。

4.4工況穩(wěn)定性的影響

氣化爐運行過程中,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)大幅度波動變化時,都可能導(dǎo)致氧煤比失調(diào),由此會造成霧化角頻繁發(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行,那么必然會受到熱應(yīng)力突變的影響,由此極有可能引起龜裂。不僅如此,運行工況的變化也會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)的每臺燒嘴都建立了記錄臺賬。這些臺賬中包括燒嘴的使用時間、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,工藝燒嘴在長周期運行后,通過著色檢查,發(fā)現(xiàn)噴嘴裂紋及溝槽很深,使用時間越長,溝槽越深,可修復(fù)性越差。不能刻意追求燒嘴超長時間使用,超長時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間如下:6.5MPa壓力下的工藝燒嘴理想使用時間70天,不要超過90天:8.2MPa壓力下的工藝燒嘴理想使用時間45天,不要超過60天。

5.1.2備件的維修及更換策略

燒嘴長時間受高溫沖刷頭部部件會出現(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,保證沒有任何滲漏問題,試驗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)氧噴嘴報廢,即使修理,噴嘴端面著色仍然會產(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就會升高,工藝氣中的有效氣體成分(H2+CO)就會降低,CH4含量會降低:反之,氧碳比越低,氣化溫度就越低,CO2含量就會降低,工藝氣中的有效氣體成分就會升高,CH4含量會升高,過低的氣化溫度還有可能造成氣化爐排渣困難,影響氣化爐正常運行。目前氣化爐的設(shè)計溫度是1350C,在實際工藝操作中爐溫的控制原則是在煤的灰熔點以上,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。

在運行中減少開停爐次數(shù),保證水煤漿氣化爐運行的穩(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,開啟自動調(diào)節(jié),以穩(wěn)定氧氣流量,減少爐溫的大幅度波動。

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

根據(jù)設(shè)計負(fù)荷控制氣化爐實際運行負(fù)荷,通常情況下,燒嘴在設(shè)計負(fù)荷的80%~100%區(qū)間內(nèi)運行。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用,實現(xiàn)裝置增產(chǎn)、降耗的目標(biāo)。