德士古工艺烧嘴的技改小结.doc

德士古工艺烧嘴的技改小结韩承结(安徽淮化集团有限责任公司，安徽淮南 232038) 2007-05-140 前 言 我公司“1830”工程气化工序采用的是德士古水煤浆加压气化工艺，为美国德士古公司的专利技术。投用后，气化炉工艺烧嘴的使用周期很短，基本只能维持10d左右，有时不到1周，远达不到设计使用寿命(连续运行40d)，严重制约了系统的正常运行和经济效益。在公司相关技术人员的努力下，经反复攻关，终于将这一难题成功解决。现工艺烧嘴的使用周期一般都在35d左右，最长连续运行51d，满足了系统正常生产的需要，也使“1830”系统工程基本达到了项目设计初期的预计经济指标。1 工艺烧嘴基本情况 德士古炉工艺烧嘴(见图1)为两套管、三通道、外加冷却水盘管结构，从内至外分别为中心氧管、煤浆管以及外环氧管。外环氧管与煤浆管所夹环形通道经流介质为纯度99.6、压力为5.0MPa的氧气，从中外喷头所夹环隙喷出，其作用是使原料煤浆均匀雾化并与之发生化学反应使其气化；中间煤浆管与中心氧管之间通道经流介质为浓度62、压力4.1MPa的原料煤浆，从中喷头喷出，进入气化炉内与氧气发生化学反应生成产品煤气；内侧中心氧管经流介质为与外环氧同一来源的高压氧气，从内喷头喷出后与原料煤浆混合，出烧嘴后最终亦参与化学反应。中心氧的另一个主要作用是利用其出烧嘴后与炉膛内的压差所产生的流速，牵引烧嘴的火焰，使气化反应区域在炉膛内达到一个理想的范围。 图1中，C为外环氧通道宽度，即外环隙，设计值为3.320.25mm；H1为内喷头出口至外喷头出口端面距离，设计值为69.85mm；D2为中喷头出口外径，设计值为38.40.05m。2 发现的问题 (1)烧嘴投用数天后煤浆压差开始下降，随即产生波动；降低负荷后情况有所好转，但不能长时间维持。 (2)以筒体最上层T1438坡面炉砖与其下的T1437砖交接处为中心，有一明显的圆周状 冲蚀带，且发展较快。 (3)烧嘴外头端面均有裂纹，外喷头喷口四周向内收缩，过渡段外圆弧面有明显烧蚀。3 原因分析 仔细观察烧嘴并测量相关尺寸参数后发现，随着在炉内运行时间的延长，工艺烧嘴外头端面产生裂纹的数量和深度以及喷口四周向内收缩的幅度逐渐增大，直接导致的后果就是中外喷头之间的环隙减小。经统计，环隙每日减小量约0.05mm；进一步比较不同使用时间的烧嘴状况发现，环隙的减小在第一个星期较快，往后有减慢的趋势。查阅生产报表发现，烧嘴在整个正常运行时段内，各通道介质流量基本相同，变化极小。据此并通过计算(具体计算略)，找到了导致烧嘴产生波动、最终不能使用的原因所在，即：烧嘴在运行过程中，外头受炉温的影响，喷口处发生收缩，使外环隙减小，导致外环氧气出口流速不断增大，10 d左右外环氧出口流速即可增加约20，流速绝对值增加约40 ms，直接后果就是带动煤浆出烧嘴流速增大，使煤浆压差减小，引起烧嘴波动，无法继续使用。 对于炉砖的过度烧损可做如下解释：外头出口处烧缩后，其内表面不再平直，变成了弧面。这样，在环隙减小、外环氧出口流速增大的同时，外环氧喷出方向亦发生了改变，出口角度大于正常的30，引起煤浆雾化区域上移，且向四周喷射速度增大，燃烧着的煤浆流直接冲蚀炉砖，产生如前所述的炉砖损坏。 以上分析还可以很好地解释烧嘴在出现波动后，减负荷可使运行状况好转的现象：负荷降低后，外环氧量也会随之减小，流速下降，引起煤浆压差减小的因素部分消失，烧嘴的运行状况也就向正常状态移动。4 技术改造 根据分析结果，烧嘴的波动及炉砖损坏的根本原因就是外头的烧缩。针对这一情况，首先想到的是直接消除外头端面喷口处的收缩。要做到这一点，必须使用耐温性能更好的材料替代现用材料。但经多方查询，最终不得不放弃这条途径。因为在用的烧嘴外头前端所用的UMCO50材料是日本为满足航天工业需要专门研制的特种材料，它不但在1 200以上仍能保持良好的机械性能，同时具有能够满足烧嘴焊接要求的良好的焊接性能，目前还找不到更好的替代品。 在更新材料的方案被否决后，不得不采取改变原设计尺寸的措施。因为我们注意到，在烧嘴入炉后到出现压差波动之前这一段时间的运行是稳定的，且各项运行参数基本保持不变。而外头的收缩则是随烧嘴的投用就开始发生的。这说明：烧嘴的外环隙是允许在原设计基础上有一定量的减小，只是当减小幅度超过允许范围时，烧嘴才不可用。据此可以假设：如果将外环隙做成比标准值大一定量，那么它收缩到极限值所需时间必然会延长，也就等于延长了使用周期。当然，这种做法的前提条件是扩大环隙后烧嘴能正常运行。为慎重起见，开始只做了少量的调整，即将标准环隙从3.32mm增至3.6mm，投用后正常。经数次试用，在相同条件下烧嘴的使用周期明显延长，平均达18d。经过进一步的观察和分析后，把外环隙从3.6mm又扩至3.9mm再次试用，结果运行周期进一步延长，烧嘴平均使用寿命达30 d以上，能够满足烧嘴连续运行1个月的需要。至此，困扰我公司“1830”工程的难题终于得到了解决。 至于外头过渡段的烧蚀问题，在查阅相关资料后发现，外头过渡段所用材料INCONEL 600的耐温性能不如外头前端所用的UMCO 50材料，相差200左右。于是要求外头供应商在制作时将过渡段材料改为UMCO 50，使问题得到了解决。5 重要参数及检修要点5.1 外环隙 如前所述，外环隙是保证烧嘴使用周期的关键参数。因此，中、外管的长度必须计算正确，以确保喷头焊接后环隙值基本在要求范围内，微调则可采用更换外氧管法兰垫子进行。另外，要保证环隙值的真实性，这一点需特别重视，原因有二：一是确保环隙的真实是一项精细的维修工作，稍有疏忽，即可产生虚假环隙；二是因其结构特点决定了烧嘴检修完工组装好后将无法再核实环隙的真实性。外环隙的真假主要体现在中头定位块与外头内壁的配合精度上，要求外喷头在焊接前严格测量其内径大小，以此来确定中喷头定位块的间距及需增减的量，以确保定位块单侧总间隙在规定的0.1mm范围内。如果某一只(或对)定位块与外头配合间隙过大(间隙过小装配困难，负间隙则无法装配)，则环隙为虚假值。当存在这种情况的烧嘴投用后，在温度、振动等各种因素的影响下，中、外管稍有变形，环隙即发生偏移，其后果就是在圆周方向上产生喷射不均(即通常所说的“偏喷”)，引起一侧炉壁温度过高，气化炉不能继续运行。5.2 内外喷头顶面间距 该间距(图1中的H1)决定了中心氧受煤浆阻力的大小，即中心氧出烧嘴时与炉膛内的压差，也就是说它决定了中心氧出烧嘴时的喷射速度。因此，内外喷头顶面间距直接影响到烧嘴喷出的火焰长度(反应区域的大小)，左右着气化炉的运行状况。所以该间隙尺寸是除环隙之外的另一个决定烧嘴运行效果的重要参数。其微调与调整外环隙相似，也可采用更换中心氧管法兰垫的方法进行。5.3 外喷头的修复 随着使用时间的推移，外喷头在炉内高温的作用下会不断受到损伤。由于喷头材料特殊、价格昂贵，因此只要损坏程度不是很严重，一般应修复使用。常见的损坏形式为烧蚀、裂纹及喷口收缩。烧蚀较常发生在喷头前端的外缘部及侧面，只需焊补后再机加工即可；裂纹一般集中在喷口的四周，其修复首先是打磨，应注意的是必须将裂纹打磨彻底，不可留有残余，否则将严重影响检修质量，打磨后观察裂纹深度以决定是否更新；喷口收缩的修复方法是在外部堆焊后将内表面加工平直即可。5.4 内头定位 与中头一样，内头在中头内的周向定位也十分重要，每次检修时都必须精确测量中喷头的内径和内喷头的十字头定位块，以确保配合间隙(0.2mm)以及两者的同心度。5.5 盘管的修复 使用后的盘管如果表面状况较好、变形不大，可整形后再用。需要注意的是焊缝的焊接质量，盘管在使用中发生泄漏大部分都在焊缝位置，因而此处是一个重点。 以上所述为烧嘴维修过程中需特别重视的几个要点，其他诸如中喷头受煤浆冲刷磨损后的修复、外环氧管及冷却水盘管受煤中硫腐蚀后的更换时间节点、中心氧管受煤浆冲刷减薄后的处理措施等问题，因其对烧嘴的正常运行和使用寿命的直接影响稍次，在此不作详细讨论。6 结 语 气化炉工艺烧嘴在经过技术改造后，每年可为我公司创造400多万元的收益，还未计改造前频繁更换烧嘴的人工支出以及由于烧嘴更换过频给系统造成的其他隐患等损失，因此，改造的经济效益十分可观。最后还需强调的是：以上都是从检修的角度寻找的确保工艺烧嘴长周期稳定运行的一些措施，除此之外，工艺操作，如烧嘴入炉后至投料的时间间隔长短、停炉时的工艺控制等，对烧嘴运行状况的影响也很大，有时甚至是决定性的，故也应引起重视。德士古和谢尔渣油气化工艺设计与应用比较齐亚平(内蒙古天野化工(集团)有限责任公司，内蒙古呼和浩特，010070) 2005-03-16 德士古和谢尔气化工艺，都是采用部分氧化法制取有效气(COH2)生产合成氨。20世纪70年代后期我国引进了3套(镇海、乌鲁木齐、银川)德士古渣油气化激冷流程装置。20世纪90年代初引进了3套谢尔渣油气化废锅流程装置。现从设计和应用两方面进行比较，对两者更好地理解，以便在实践中更好地应用。1 总体比较(见表1) 从表1可看出，谢尔气化消耗比较低，每吨氨低62.6kg渣油，有效气成分多4.16，操作压力低2.9MPa。总体看谢尔气化比德士古气化能耗要低。2 主要特点2.1 德士古气化工艺特点 德士古气化压力比较高为8.7MPa。操作压力高，气体体积就小，这不但有利于下游工序变换、甲醇洗和液氮洗的工艺操作，而且可以使系统设备与管道尺寸小，冷热损失少。特别是换热器面积可大大降低，既节省投资又节约能源，提高效率。 一般设计2台气化炉，单台炉负荷设计能力为700td，2台气化炉并列运行。目前有采用3台气化炉的，平时两开一备，这样可以交替检修，延长系统运转时间，减少检修次数。 3台高压柱塞泵，平时2台运行，备用一台，备用泵可以向2台气化炉供油。2台高压液氧泵，平时2台同时运行，在一台液氧泵故障时，另一台可在几秒内将负荷由50增加到100，确保气化炉用氧。 烧嘴为双套管喷嘴，中心管走氧气，套管内走渣油和蒸汽的混合物；喷嘴头部有冷却水夹套。气化炉下部使用激冷环。 2.2 谢尔气化工艺特点 谢尔气化炉一般设计2台并列运行，气化炉炉膛容积大，燃烧温度低，使用寿命长，耐火衬里寿命长。也采用三联柱塞泵供渣油和柱塞泵供液氧，但压力要低的多。 使用共环式烧嘴，最外面有屏蔽蒸汽环隙，屏蔽蒸汽用来保护烧嘴免受返流蒸汽和炉壁辐射的伤害；最外层设有冷却水夹套，冷却水压力比炉膛内压力高，这样可以防止烧嘴前端烧穿时炉内可燃气冲出气化炉。物流相互剪切混合形成漩流，靠速度差雾化，氧和蒸汽混合物流比渣油流速高，油成微小溪流进入氧和蒸汽气流中，相互扰动达到均匀雾化的目的；谢尔气化烧嘴阻力小，可使渣油压力降低很多，节省功耗。烧嘴物流速度低，磨损较轻；受辐射热程度低，因为油枪为氧气和蒸汽所夹，氧气和蒸汽混合后对炉内的高温衬砖起着保护作用，可使烧嘴使用寿命增加；雾化好，降低了氧油比和蒸汽油比提高了有效气的比例，同时副产物较少。烧嘴的负荷弹性为70110。 废锅和气化炉紧连，结构紧凑，可充分回收气化炉的高温工艺气热量，副产10MPa高压蒸汽，有效地利用了反应余热。3 工艺流程比较3.1 原料油流程比较 1)渣油泵都是可调速的三联柱塞泵，都采用两开一备。德士古流程渣油柱塞泵出口压力比谢尔流程渣油泵出口压力高。德士古流程设计不能倒渣油泵，谢尔流程设计可以倒渣油泵。这是比较大的区别。 2)德士古渣油泵因出口压力比较高，所以泵的填料漏的频次比较高，量也比较大。 3)德士古流程原料罐区渣油先由泵送到合成中间罐区，然后又由渣油泵送至渣油预热器加热，然后到渣油罐再送到渣油柱塞泵入口。谢尔流程渣油由原料罐区直接送至渣油柱塞泵入口，流程比较简单。3.2 氧气流程比较 1)谢尔流程有氧预热器，德士古流程没有。谢尔流程混合三通在氧预热器后，出预热器后的温度达到230，然后和7.0MPa、442的过热蒸汽混合，温差比较小，因此三通没有出现裂纹。而德士古流程混合三通处经常出现裂纹，主要是氧气和蒸汽温差太大所致。 2)谢尔流程氧气管线上设计的快速切断阀是双闸板阀，闸板中间有排放阀。德士古流程上没有。 3)谢尔流程设计有高压氮吹扫管线。装置停车时氮气自动联锁打开吹扫，这样可防止气化炉内气体窜入氧气管线，比较安全。 4)德士古流程氧管线设计的比较好，能够有效地防止一台气化炉在用氧和退氧的时候，另一台气化炉氧气量波动的很小，不会因为氧气流量波动而联锁跳车。而谢尔流程经常因为氧量波动跳车。 5)谢尔流程液氧泵出口设计有压力高联锁保护，而德士古没有。3.3 碳黑洗涤流程比较 1)德士古激冷流程。从气化炉燃烧室出来的气化气，通过连接管进入下部激冷室，连接管上端有激冷水水环，下部浸在碳黑水中，气化气经激冷环和下部水层被急冷至露点，同时90左右的碳黑被洗涤掉；饱和了水蒸气的气化气从激冷室顶部出去；激冷室洗涤了气体的碳黑水从下部出来，送往碳黑回收。 离开气化炉的气化气先后经过1#、2#文丘里洗涤器和碳黑洗涤塔，用水将气化气中夹带的碳黑颗粒洗掉，使出碳黑洗涤塔气化气中的碳黑含量小于1mg/m3。经过洗涤后的气化气送往一氧化碳变换工序。 2)谢尔废锅流程。出气化炉工艺气中的碳黑含量大约为1，经过废锅和省煤器降温，然后进入激冷器中；工艺气从顶部进入经喷嘴喷射的激冷水顺流洗涤而洗去碳黑；除洗去碳黑外还可除去微量的NH3、HCN、H2S等有害杂质。出激冷管的物料进入碳黑分离器中，在碳黑分离器中气体从顶部经锅炉给水预热器进入碳黑洗涤塔。在洗涤塔中，用水洗涤去剩余的碳黑。 3)两种碳黑洗涤流程比较。 德士古流程大部分碳黑是在激冷室中洗掉的，而谢尔流程是在激冷器中洗涤掉的。 德土古流程有文丘里洗涤器，文丘里洗涤器喉管部位比较容易结垢，影响高负荷、长周期生产。 谢尔流程2台气化炉共用一台碳黑洗涤塔，而德士古流程每台气化炉都有相应的一台碳黑洗涤塔。 谢尔气化流程碳黑洗涤塔为直立式填料塔，两段填料采用陶瓷拉西环，从运行来看比较容易堵塞；而德士古流程为筛板塔，没有出现过堵塞现象。3.4 余热回收流程比较 谢尔废锅流程。从气化炉出来的高温气体进入废热锅炉下部分配室，而后沿一组变径的螺旋管盘旋上升，再返回下部穿出废热壳壁会合在一起，进入节能器进行冷却。热气化气在废热锅炉从1100冷却到350，又在省煤器中降到200，在废热锅炉中回收的热量用来产生10.5MPa的高压蒸汽。 德士古激冷流程。气化炉气化气进入激冷室内，在激冷室内回收热量产生饱和蒸汽，出碳黑洗涤塔时工艺气温度为257，工艺气中含有饱和水蒸气，这样变换就不用加蒸汽。4气化炉比较4.1 谢尔和德士古气化炉有效气成分比较(见表2)4.2 气化炉结构比较 德士古气化炉操作温度为1350，操作压力为8.7MPa。其外型尺寸为2089mm5732mm，由两部分组成：上部为燃烧反应室，下部为激冷室，高温气化气出反应室后即迅速进入激冷室骤然冷却。 气化炉激冷室有激冷管一根，连结在反应室下部出口处，外套一根736mm的导气管；在导气管上部到气体出口设有一周裙状挡板，以分离气体中的液滴。气体在燃烧室停留时间为5s左右；气体通过激冷水管进入激冷室，激冷水沿着激冷管壁自上向下流，与从反应器出来的高温气体直接接触，激冷水受热蒸发，气化气被冷却，同时气体中的碳黑被洗涤下来。激冷水管下端浸没在碳黑洗涤水中，气体以鼓泡形式进一步吸取碳黑。 谢尔气化炉结构比较简单，包括简体、下部分配室、连接喉管、废热锅炉。筒体外径尺寸为2420mm，耐火材料内径尺寸为1800mm，长度为13800mm。 德士古气化炉在使用中激冷环比较容易被烧坏，影响长周期生产。谢尔气化炉主要是盘管容易被炉渣堵塞，影响长周期生产。 德士古气化炉结的渣，可以在停车时打开底部大盖清理，不用降炉温，处理时间比较短，成本较小。谢尔气化炉清渣必须降温到常温，进到炉膛内清渣，用的时间比较长，影响长周期生产，成本比较高。4.3 耐火砖比较 谢尔气化炉和德士古气化炉耐火砖的主要区别在于：谢尔炉砖中间是浇铸料，而德士古中间是炉砖。 德士古气化炉炉砖容易损坏的地方主要集中在炉底激冷环和拱顶部位，底部损坏主要是激冷环烧坏后，停车时激冷水刺到炉砖上，炉砖温差太大，从而损坏。谢尔气化炉容易损坏的地方主要是集中在拱顶炉口处。 从实际使用来看谢尔气化炉比德士古气化炉使用寿命较长。这主要是因为德士古气化炉激冷环烧坏时激冷水容易刺到炉砖上，从而使炉砖因为温差大而损坏。4.4 烧嘴比较 德士古烧嘴是美国德士古公司的专利，是由两根同心的沿轴向渐缩的直达喷管组装成的，氧气由内喷管进入，经内喷嘴喷出，油和蒸汽走外环隙管，由外喷嘴喷出，同时进入气化炉，进行部分氧化反应。为减少在炉内高温下的热应力，在外喷嘴上设有一个冷却水夹套和冷却盘管。 谢尔气化炉使用的是共环式烧嘴。在共环式烧嘴的中心管中安装加热烧嘴(正常生产时中间安装假烧嘴)，紧挨中心管的环隙供应蒸汽和氧的混合物，接着是供油环，然后是另一个蒸汽和氧的环隙，最外面是屏蔽蒸汽环隙。屏蔽蒸汽用来保护烧嘴免受返流热气和炉壁高温的伤害。因为氧和蒸汽混合物流速比渣油高，利用速度差产生剪切力，使油成微小溪流流入氧气和蒸汽流中混合扰动，达到均匀雾化。 谢尔气化炉烧嘴比德士古烧嘴阻力损失小，节约功耗。烧嘴雾化好，(COH2)油达到3.01m3kg，德士古2.95m3kg。德士古烧嘴设计最高负荷可达140，谢尔烧嘴设计最高负荷可达110。 德士古烧嘴的冷却水压力比炉内压力低，若烧嘴烧坏，炉内工艺气将漏入水中，将使冷却水系统爆裂。优点是烧嘴漏时拱顶砖不被水冲刷。 谢尔气化炉冷却水压力比炉膛内高，即便烧嘴漏时冷却水漏入气化炉内，冷却水管线也不会爆裂。但漏入炉内的冷却水会刺到炉砖上，损坏炉砖，发生事故。5 热电偶比较5.1 简体热电偶比较 德士古气化炉在反应室中部偏下处有2只测温热电偶。热电偶有陶瓷套管，热电偶用压力为12.0MPa的氮气冷