烧嘴故障的成因及处理措施

工艺对烧嘴的要求

工艺烧嘴技术是德士古及多喷嘴新型水煤浆气化技术中最关键的技术之一,它直接决定了该工艺技术的效能和系统的稳定。一般而言,工艺上对该烧嘴的要求是:

(1)雾化效果好,该烧嘴的原理是利用高速喷出(180~120m/s)的氧气的动能将煤浆打散、雾化,使雾化后的煤浆颗粒与氧气在高温气化炉内发生快速充分的反应,要求雾化后的粒子小,分布均匀。

(2)烧嘴的最佳工作状态应与气化炉匹配,即在设计参数状态下,经喷出的煤浆与氧气的张角应合理,不得直接冲刷到耐火砖。其工作状态下的火炬长短(反应高温区位置)应合理,不能太长也不能太短,以避免对耐火砖及烧嘴本体带来不利的影响。

(3)操作弹性大即能满足开车时的低负荷、正常生产时的满负荷以及单炉运行时必要的超负荷(50~120%),在操作弹性范围内应保证其工作性能。

(4)使用寿命长,即在保证其工作性能的前提下最大限度的延长其使用寿命,以确保装置的长周期稳定运行及经济运行效能。鉴上所述,对工艺烧嘴性能的评价可通过对烧嘴液雾平均粒径、雾粒直径分布、雾炬张角和液雾流量分布等指标的测量来获得,但最终是以实际生产中的工艺指标来评定。

工艺烧嘴的结构

工艺烧嘴的结构形式是影响雾化性能的主要因素之一,结构形式和结构尺寸的变化都会使烧嘴的雾化性能随之变化。

烧嘴的结构归纳为两大类:一类是内混式,及O2与水煤浆在烧嘴内的一混合室充分混合后喷出烧嘴。这种烧嘴经过雾粒参数的测定,表明其雾化性能较好,但对内混室的耐磨件要求较高,难以实现工业化大生产,进口的烧嘴为此结构形式。另一类是外混式,即现工业化大生产中国产化的应用类型(如航天十一所、国雄等厂家)。这种烧嘴与内混式相比,其最大的优点就是降低了对烧嘴头部耐磨件的要求,但雾化性能略差于内混式。

在外混式烧嘴中,使用在水煤浆气化工艺上的主要为三流式外混烧嘴,其结构见图一。该烧嘴较好的实现了结构与材质的统一,在工业化大生产中体现了它的实用价值。在这种烧嘴结构中,在不同的负荷、不同的气液比情况下,为使工艺烧嘴在最佳状态下工作,其中心氧量都存在一最佳值,因此对于气化炉操作人员提出了较高的要求。

3  工艺烧嘴性能的影响因素初探

3.1 工艺操作条件的影响

3.1.1 气液比的影响

工艺烧嘴的原理是利用高速喷出的O2的动能来雾化煤浆,因此气液(煤浆)比会对烧嘴的雾化性能带来直接的影响。在对烧嘴(三流外混)的液雾平均粒经测定(SMD,舒特平均直径,sauter mean diameter),SMD随着气液比的增加而减小,但当气液比达到某一值(约0.5)之后,其变化趋缓,见图二。在实际操作中有两种可能会导致减小气液比的操作,一是煤浆浓度变稀时,为控制氧煤比(或炉温),而减小氧气流量;二是煤灰熔点过低,为追求工艺指标(主要为排渣温度)而减小O2流量,在这两种情况下,烧嘴的雾化性能变差,相当一部分反应物不能在炉内得到充分反应,使其碳转化率降低,反映在渣中的残碳增加。因此过低的煤浆浓度和煤的灰熔点对气化炉操作都是不经济的。

3.1.2中心氧比例的影响

中心氧的作用主要在于改善烧嘴喷出流体的流量密度分布。在对三流结构烧嘴的物理参数测定中发现,其中心O2量的增加使烧嘴喷出流体的流量密度、分布趋于均匀(见图三)。但SMD却有所增大,且雾炬的表现张角也有所增大。在实际操作中,随着负荷、压力的改变,其中心氧比例存在一最佳值(一般在12%~17%之间),这就要求操作人员根据炉温、炉况及渣中的残炭等情况及时的调整,以使烧嘴达到最佳的工作状态。

3.1.3负荷的影响

负荷弹性大小是衡量烧嘴性能的一个重要指标,烧嘴的雾化性能随着操作负荷而变化。一般的说,随着操作负荷的增加,烧嘴的SMD下降,当负荷达到设计负荷后,SMD变化趋势减缓(见图四),因此通过对烧嘴的负荷试验可探索烧嘴的最佳操作状况,主要是设计流速不能偏低,低负荷时,由于烧嘴出口氧气的影响煤浆流速下降黑区变短,热辐射轻度增大,容易烧坏烧嘴。

3.2 结构与材料的影响

烧嘴的结构与材质二者之间的关系较为密切,往往在结构上较有优势的,其对材质的要求也较高。然而只图解决材料来提高寿命也是不实际的。试验表明,在我国现有的技术条件下,仅靠耐磨材料来解决烧嘴的磨损问题不是提高烧嘴寿命的最佳途径,只有在提高耐磨材料质量的同时,合理的改善烧嘴结构才是提高烧嘴寿命的有效途径。

在材质方面,还存在烧嘴头部冷却盘管的腐蚀问题,从华鲁恒升、国泰、大南化等装置上使用的工艺烧嘴中,多次出现头部冷却盘管连接弯头及外部焊缝的裂纹,其它装置上也出现过同样的问题,而且还伴有烧嘴端部及盘管上的腐蚀凹痕,这是由于在该处表面产生汽凝液并又急剧地蒸发而产生的热循环所导致的热疲劳裂纹和腐蚀。

3.2 煤的质量影响

煤中S会对烧嘴的寿命产生影响。目前,工业烧嘴的主要材质为Inconcl600、625,喷嘴头UMCO50,这些材料的高温状态下抗氧化性能好,但在高温下合金中的Ni和煤中的S易在晶间产生NiS,导致材料的腐蚀。

延长烧嘴使用寿命的措施

4.1提高材质在结构定型(三流外混)的条件下,选用耐磨性、耐热冲击性、抗S腐蚀性较好的材料,主体材质Incone 600升到625。如在烧嘴头部衬陶瓷,或采用Hastelloy c-22,UMCO-50等材料。
 


 

C-22是全能的镍铬钼钨合金,比其他的现有镍铬钼合金拥有更好的总体抗腐蚀性能,有很好的抗点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂能力,有抗还原性和氧化性环境的能力,适合在高温的环境中工作。Hasttelloy c-22化学组分(%):

Incone 600化学组分(%)

 

 

600固溶强化的耐热耐蚀合金,具有良好的抗高温腐蚀性能、抗氧化性能、冷热加工性能、低温机械性能、冷热疲劳性能,在高温环境中具有极好的抗氧化性能,能抵抗各种硫化物的腐蚀。

UMCO-50 化学组分(%)
 

 

该合金材料具有良好的高温性能,有一的抗高温氧化性能和耐磨性能。在空气中直到1200℃,比25Cr-20Ni有较高的抗氧化性能,在S环境中具有较高的抗腐蚀性能。

4.2应使烧嘴能力与气化炉能力相匹配,确保在工艺烧嘴最佳工作状态下进行。

4.3保证烧嘴冷却水系统的正常运行。

4.4提高制作与装配质量。

烧嘴的修复

5.1常见的损坏形式

工艺烧嘴在气化炉膛内的高温、高压条件下及受工艺气介质冲刷和介质波动等因素的影响,尽管采用了高温合金制造,但烧嘴头部的损坏程度比较严重,最常出现的是内烧嘴的烧损和冷却盘管的损坏。当内烧嘴头烧损>5mm时,生产时的操作就很难控制,工艺指标达不到规定的要求,而冷却盘管出现泄漏将直接造成气化炉的炉砖损坏。

5.2 工艺烧嘴的修复方法

根据工艺烧嘴内烧嘴头的损坏程度,可以采用三种不同的修复方法,不论采用哪一种修复的方法都要将内烧嘴先从外烧嘴中取出,擦洗干净,进行烧损程度的鉴定。

5.2.1内烧嘴小范围内烧损的修复

内烧嘴头小范围内烧损是指内烧嘴头前端在3~10mm范围内的烧损。一般烧损在前端<5mm范围内能通过打磨的方法消除掉;要先将烧嘴头部打磨平,再用着色渗透法检查头部是否有裂纹存在,要打磨到符合JB4730-94Ⅲ级标准为止;当内烧嘴头部烧损>5mm时,要采用补焊的方法修复,具体方法如下:

1).首先要将烧嘴残缺部分打磨掉。

2).用着色渗透检测法检测打磨部位是否有裂纹存在。

3).按内烧嘴头内孔径加工一个不锈钢(1Cr18Ni9Ti)工艺套嵌在内烧嘴内孔中,焊补部位直径以保证补焊后有足够的加工余量便于机械加工就行。

4).残缺部分的补焊采用钨极氩弧焊,采用Co50焊丝或Φ2.4进口WELTIG82焊丝,前者焊丝使用效果略优于后者。

Co50焊丝化学成分(%)

 

WELTIG82焊丝化学成分(%)

 

因UMCo-50材质用Co-50焊丝和WELTIG82焊丝焊接有较好的可焊性,不需要焊接前预热处理和焊后热处理。焊补时要将内烧嘴头之间4个定位块外径同时补焊2mm厚,以备加工。

5).按内烧嘴头的外径为基准机加工,将烧嘴头部的原有锥度加工平顺,锥度偏差±2.5°,外表面粗糙度1.6,内孔表面粗糙度0.8,同时加工定位块外径,外径尺寸按原尺寸,以保证修复后的内烧嘴与外烧嘴有很好的同心度。

5.2.2 内烧嘴头较大范围内烧损的修复

较大范围内烧损是指内烧嘴头前端烧损10~30mm范围内,修复采用修复用件的方法。

1)将烧嘴的内烧嘴头自端面切掉25~30mm左右,再在端面开20°的坡口。

2)用着色渗透检测法检查坡口是否有裂纹存在,符合JB4730-94Ⅲ级标准。

3)装入修复件并留出约4mm焊缝根部间隙,修复件系进口,材质Deloro250#,主要化学成分:

Cr

Fe

Co

0.1

28

20

余量

 

4) 焊接采用钨极氩弧保护焊,焊接的方法和焊丝的选用如前述。

5.2.3 内烧嘴头部严重烧损的修复

内烧嘴头严重烧损是指内烧嘴头前端>30mm以上的烧损,其修复必须要更换内烧嘴头,具体方法如下:

1)为测量方便在内烧嘴头上打上记号,标注的位置距前端距离必须大于150mm,割侧内烧嘴的定长L,并确认切割位置。确定切割位置时注意UMCo-50的计算收缩量大约为80%,1.6mm。(见烧嘴简图图五)

2)切割残缺的烧嘴头,按烧嘴头的定位外径加工内径要采用过渡配合,以保证很好的定位,加工22.5°坡口。

3)嵌上新的内烧嘴头,测量内烧嘴长度L,要与修复前的长度一致,注意让出收缩量,嵌上内烧嘴头后要找正,内烧嘴与烧嘴头的不同心度<0.03mm(可在机体上找正)。

4)用钨极氩弧焊点焊内烧嘴头,按圆周均分四点点焊。

5)用钨极氩弧焊焊接内烧嘴头,焊接方法和焊丝同前。当焊完第一道焊缝时要对同心度进行校正,并用着色渗透检测法检查是否有裂纹存在。

6)按施焊步骤完成整个焊接。

7)将焊道表面打磨平滑。

8)再次用着色渗透检测法检查和"X"射线检查,符合  JB4730-94Ⅲ级标准。

9)对内烧嘴头进行水压试验,试验压力为18Mpa。

按以上三种方法完成内烧嘴头修复后要对烧嘴本体组装,组装要求:

1)内外烧嘴头之间的间隙3.73±0.1mm。

2)内外烧嘴头之间的不同心度不大于0.127mm。

3)内烧嘴头必须与外烧嘴头前端持平或凹入1mm左右,但不允许凸出。

5.2.4 冷却盘管的修复

冷却盘管的损坏多数情况下是因为其外表面上密集的炭黑,从而发生点蚀及裂纹,而内表面并没有明显的损坏。

1)对于冷却盘管材质没有普遍损坏,而个别出现气孔和裂纹的可采用补焊的手法予以消除,具体方法如下:

①首先将冷却盘管擦拭干净,并用砂布打出金属光泽。

②用着色渗透检测法检查盘管的损坏程度和损坏位置。

③将损坏处打磨透,用着色渗透检测法检查,符合JB4730-94Ⅲ级标准。

④采用钨极氩弧焊和Φ1.5WELTIG焊丝施焊。

⑤焊后再用着色渗透检测法检查,符合JB4730-94Ⅲ标准。

⑥对冷却盘管进行水压水压试验,试验压力为18Mpa。

2)对于冷却盘管材质普遍损坏,要采用重新更换盘管的方法,焊接、探伤、试压,方法同上述。不论采用哪种方法修复烧嘴,都要打开烧嘴顶端氧管道的盲板,用四氯化碳对氧气管道和法兰进行清洗,氧管道和法兰不允许有油污,必要时用钠灯进行检查。

6 烧嘴的管理

应对每个烧嘴建立记录台帐。这些台帐中包括烧嘴的视觉检查结果,照片、尺寸测量及所做的维修工作。对烧嘴所做的检查、维修或组装记录应包括材料、日期、编码号。保持准确记录有助于评价烧嘴的故障及维修质量。应考虑下述记录:

1)工艺烧嘴的零件及材料规范的摘要将有助于维修小组订购更换零件并保持合理的库存

2)当烧嘴发生故障有正在影响装置运行的可能性时,安装烧嘴的运行时间及烧嘴发生故障的历史记录都是有用的。

3)在表面上的开裂(裂纹扩散)的照片记录有助于确定烧嘴头的更换时间。

4)要求测量头部的同心度及回缩量以确保良好的烧嘴性能、碳转化率并防止耐火衬里的过分烧蚀,为每个烧嘴准备一个记录本,包括附烧嘴头草图,并记录每个烧嘴的尺寸(每个运行周期的开车与停车)。对每个烧嘴最好是每个部件(如中心管、中间套管及外套管)建立检查表。如果需要的话,利用每部分的草图注明检查点的位置,检查表中包括足够的栏目以写入检查评价,并注明如下信息:单元的运行次数,开车的日期和时间、停车的日期和时间、总运行时间(天数及小时数)、检查日期、检查者的姓名、原料的类型以及其他相关的运行数据。建议表格记录对烧嘴所做维修工作的所有评价,包括维修的部件、零件、压力试验、着色检查等以确认维修合理,还包括维修用的特殊步骤、材料,如焊接与材料的分类、焊接步骤规范等,也包括重新组装的烧嘴头的尺寸。

2019年10月18日 16:25
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