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【摘 要】本文对工艺烧嘴的损坏进行了分析，并提出了避免损坏的措施，提高工艺烧嘴的运行周期。
【关 键 词】工艺烧嘴、高温合金、压差、残碳
【中图分类号】TQ016【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0267-01
1、概述
1.1 烧嘴情况
造气装置采用美国GE能源公司重油气化专利技术，利用重油或裂解焦油不完全氧化法生产合成气。其原理是将重油或裂解焦油、工艺水、氧气按一定的比例混合，通过造气炉顶的特殊设备—工艺烧嘴喷入高温气化炉内进行快速不完全氧化发应，生产由H2和CO 组成的合成气。工艺烧嘴是造气流程中的关键部件，是GE能源公司专利的一个组成部分。2012年开工时，直接由国外引进的共有二台，后又委托北京航天十一所测绘并仿制了一台，美国GE能源公司委托沈阳通用黎明部件有限公司制造了一台，现在一共有四台工艺烧嘴。
1.2 烧嘴结构简介：
内芯头体部堆焊钴50合金；内芯杆体部材质为304和316L不锈钢合金。工艺烧嘴的外氧喷头口部直径为30.2 mm，裂解焦油/工艺水喷头口部直径为21.7mm，内氧喷头口部直径为14.2 mm，经过缩径段变径之后间隙缩小，至烧嘴头处间隙仅为3.8±0.25mm。
2、烧嘴损坏经过
2012年10月19日，造气炉-碳洗塔间压差PDI12015值为0.7Mpa，高于正常压差值0.45Mpa，至10月26日压差PDI 12015从0.7Mpa上涨到0. 8Mpa左右，并且呈上涨趋势，然后突然下降至0.30Mpa左右，装置联锁动作，被迫停车。相关不正常的现象为：（1）P1102焦油泵出口压力升高，从原来的3.8Mpa左右，升高到4.3Mpa左右。（2）入炉工艺水流量波动。（3）从10月初发现压差高开始，至检修前，压差变化有反复增高的趋势。当入炉压差高到一定程度时，突然下降至0.30Mpa左右，装置联锁动作，被迫停车。
当时运行的工艺烧嘴位号为Z1201B，怀疑是工艺烧嘴的问题。10月26日，停车检修，吊出烧嘴发现烧嘴头部严重损坏，烧嘴内芯头端部钴基合金已烧掉，套管内部结碳严重。
3、烧嘴损坏原因分析
3.1 烧嘴头堵塞
工艺烧嘴头的焦油/工艺水环形通道间隙为3.8mm。如果入炉焦油中的碳黑或其它杂质含量多，过多的碳黑颗粒和杂质不但影响焦油的雾化效果，而且有可能粘结在环形通道内壁上，尤其在变径处和烧嘴头处容易产生这样的粘结现象，造成进料阻力增大，从而导致PDI12015压差增高。根据当时的运行情况看，PDI12015压差高，焦油入炉压力高，正是烧嘴焦油/工艺水环形通道堵塞所导致的现象。当烧嘴焦油/工艺水环形堵塞后，蒸汽流量减小，导致入烧嘴的渣油体积减少，出烧嘴的渣油流速降低，火焰黑区缩短，燃烧区上移，烧嘴局部温度过高，长时间会导致烧嘴的损坏。烧嘴端部温度逐渐升高所带来的负面联锁效应便是套管内部结碳聚合的加速，于是入炉压差逐渐升高，当高到一定值时，结碳聚合处承受不住高压的冲击，逐渐破裂冲出烧嘴，使压差有些好转，但随着结碳的增多和烧嘴变形的加剧，又重复进行上述的破裂，这样恶性循环导致烧嘴损坏速度不断增加，从而使端部的高温合金严重损坏。
3.1.1 引起烧嘴头堵塞的原因
（1）焦油质量：现使用的原料焦油来自化工一厂的E3渣油，该渣油是各种复杂的烃类化合物的混合物，其中含有很多环芳烃、过渡金属及非烃类化合物等，所以其性质是各组分性质的综合表现。有机物积垢主要为渣油在高温下形成的聚合物或缩聚物。聚合物是由渣油中烃类溶解的微量氧引发的，发生氧化链反应生成的，渣油中的金属离子又能加速链增长，反应生成的聚合物粘在一起，沉积在金属表面上形成积垢。
（2）温度对结垢的影响：渣油高温下结垢行为可以看作是一个复杂的连串反应，温度越高结垢越严重，而且当超过一定温度时，结垢速度加快。
（3）焦油流量对结垢的影响：焦油流量越小，在积垢管道内经历高温的时间越长，结垢越严重。车间曾多次经历焦油泵流量不足的现象，这很容易引起烧嘴的结垢。
（4）杂质的影响：焦油中的灰分、金属含量、残碳、水分等的指标以及密度、粘度等如果不符合相关的设计要求都会引起烧嘴内部堵塞现象的发生。车间曾对金属含量进行了监测，金属中的铁、钠、钙、镍等会与焦油中的聚合物等发生氧化反应形成高熔点的氧化物析出粘结在烧嘴内壁上，从而堵塞烧嘴通道。在对金属含量的分析中，我们发现焦油中的金属含量都很少，原料焦油中的金属含量不会对烧嘴的运行产生影响。
车间以后的重点将放在对灰分、残碳等指标的监测上，因为灰分和残碳的增多将加大焦油的密度，使焦油流动的内阻力增大，从而减小了焦油的流动性，增大了焦油的停留时间，直接加大结垢的可能性。而且由于碳黑水工段的灰水中残碳随着生产的不断调整，含量是不断变化的，必须建立相应的监测手段以控制其含量在应有的指标之内。
（5）油水混合器的影响：气化反应中油水混合器的作用是非常重要的，加入工艺水量会大大降低原料油的粘度，雾化原料油，使雾化效果完全。适当加入工艺水可增加火焰长度，使黑区增长，热点下移，降低烧嘴的温度，保护烧嘴。当雾化效果不好时，就会因此造成烧嘴头部的损坏。
3.2 烧嘴质量问题
将损坏的烧嘴内芯取出进行光谱分析，未发现异常。造气炉烧嘴从装置开工至现在情况如下 ：总运行时间9个月，最长运行时间1个月，修理12次，内芯炸胀1次，环隙变形5次，烧嘴头烧掉12次。
从2012年烧嘴投用至今，12次损坏情况都是烧嘴头部变形或烧损。而修复时，对烧嘴头部钴基合金进行整体更换的次数非常有限，大多是在原有基础上进行修复，返修多次就会造成头部高温合金渗铁、渗碳等缺陷的存在，而且补焊后在热影响区会发生再结晶的现象，使合金个别部位晶粒不均匀，从而导致烧嘴内芯头部合金的热稳定性能和热强性能下降，即在高温下抗氧化、抗气体腐蚀、抗塑性变形、抗断裂的能力下降，一旦发生过烧现象，就很容易发生烧卷、缺口甚至烧损现象。
3.3 工艺操作原因
由于装置开、停车及负荷的改变，在调整的过程中，使入炉的氧油比发生变化，当氧油比变大时，炉温瞬间急剧增加。据有关文献报道，原料油与工艺水混合形成的两相流与氧气一起离开烧嘴，并于适当处达到充分混合，剧烈发应，释放出大量的热，火焰中心温度可达到1600～1700℃。由于瞬间过氧，火焰温度会更高，这样势必会造成烧嘴的温度增高，直接影响烧嘴的使用寿命。另外由于原料焦油与工艺水混合效果不好，造成油水混合不均匀，也将直接影响到烧嘴的正常运行。
4、避免措施
4.1 设备维修质量控制
4.1.1 维修方必须提供堆焊焊丝的材质证明书。
4.1.2 维修方必须提供合金堆焊后的射线探伤检验报告。
4.1.3 维修方必须提供检修后的打压试漏方面的证明材料。
4.1.4 对于已修复三次以上的合金部分，在检修时，尽量不采用补焊、打磨修复的方法，要重新堆焊整个烧嘴内芯头部。
4.2 工艺控制措施
4.2.1 在调整负荷时，严格控制氧油比，并适当加大入炉的工艺水量，这有利于提高烧嘴的寿命。
4.2.2 定期监测灰水成份的变化，当碳黑水处理系统波动时，减少碳黑水系统补加给油气化系统的水量，当碳黑水操作正常后，逐渐恢复补加量，并做好这一部分的灰水成分监测。
4.2.3 对外来的原料焦油进行监控，一旦外来焦油流量波动时，要及时进行成分分析，并联系化工一厂确认来料组成是否发生变化，且根据分析，及时调整入炉氧气量，防止系统过氧，造成烧嘴的损坏。
4.2.4 监控好炉温，定期对造气炉发生器同一环度的各点温度进行对比分析，及时掌握烧嘴火焰是否存在偏喷现象。
参考文献
[1] 丁辛醇装置工艺技术规程（内部资料）
[2] 丁辛醇装置技术资料汇编（内部资料）
【关 键 词】工艺烧嘴、高温合金、压差、残碳
【中图分类号】TQ016【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0267-01
1、概述
1.1 烧嘴情况
造气装置采用美国GE能源公司重油气化专利技术，利用重油或裂解焦油不完全氧化法生产合成气。其原理是将重油或裂解焦油、工艺水、氧气按一定的比例混合，通过造气炉顶的特殊设备—工艺烧嘴喷入高温气化炉内进行快速不完全氧化发应，生产由H2和CO 组成的合成气。工艺烧嘴是造气流程中的关键部件，是GE能源公司专利的一个组成部分。2012年开工时，直接由国外引进的共有二台，后又委托北京航天十一所测绘并仿制了一台，美国GE能源公司委托沈阳通用黎明部件有限公司制造了一台，现在一共有四台工艺烧嘴。
1.2 烧嘴结构简介：
内芯头体部堆焊钴50合金；内芯杆体部材质为304和316L不锈钢合金。工艺烧嘴的外氧喷头口部直径为30.2 mm，裂解焦油/工艺水喷头口部直径为21.7mm，内氧喷头口部直径为14.2 mm，经过缩径段变径之后间隙缩小，至烧嘴头处间隙仅为3.8±0.25mm。
2、烧嘴损坏经过
2012年10月19日，造气炉-碳洗塔间压差PDI12015值为0.7Mpa，高于正常压差值0.45Mpa，至10月26日压差PDI 12015从0.7Mpa上涨到0. 8Mpa左右，并且呈上涨趋势，然后突然下降至0.30Mpa左右，装置联锁动作，被迫停车。相关不正常的现象为：（1）P1102焦油泵出口压力升高，从原来的3.8Mpa左右，升高到4.3Mpa左右。（2）入炉工艺水流量波动。（3）从10月初发现压差高开始，至检修前，压差变化有反复增高的趋势。当入炉压差高到一定程度时，突然下降至0.30Mpa左右，装置联锁动作，被迫停车。
当时运行的工艺烧嘴位号为Z1201B，怀疑是工艺烧嘴的问题。10月26日，停车检修，吊出烧嘴发现烧嘴头部严重损坏，烧嘴内芯头端部钴基合金已烧掉，套管内部结碳严重。
3、烧嘴损坏原因分析
3.1 烧嘴头堵塞
工艺烧嘴头的焦油/工艺水环形通道间隙为3.8mm。如果入炉焦油中的碳黑或其它杂质含量多，过多的碳黑颗粒和杂质不但影响焦油的雾化效果，而且有可能粘结在环形通道内壁上，尤其在变径处和烧嘴头处容易产生这样的粘结现象，造成进料阻力增大，从而导致PDI12015压差增高。根据当时的运行情况看，PDI12015压差高，焦油入炉压力高，正是烧嘴焦油/工艺水环形通道堵塞所导致的现象。当烧嘴焦油/工艺水环形堵塞后，蒸汽流量减小，导致入烧嘴的渣油体积减少，出烧嘴的渣油流速降低，火焰黑区缩短，燃烧区上移，烧嘴局部温度过高，长时间会导致烧嘴的损坏。烧嘴端部温度逐渐升高所带来的负面联锁效应便是套管内部结碳聚合的加速，于是入炉压差逐渐升高，当高到一定值时，结碳聚合处承受不住高压的冲击，逐渐破裂冲出烧嘴，使压差有些好转，但随着结碳的增多和烧嘴变形的加剧，又重复进行上述的破裂，这样恶性循环导致烧嘴损坏速度不断增加，从而使端部的高温合金严重损坏。
3.1.1 引起烧嘴头堵塞的原因
（1）焦油质量：现使用的原料焦油来自化工一厂的E3渣油，该渣油是各种复杂的烃类化合物的混合物，其中含有很多环芳烃、过渡金属及非烃类化合物等，所以其性质是各组分性质的综合表现。有机物积垢主要为渣油在高温下形成的聚合物或缩聚物。聚合物是由渣油中烃类溶解的微量氧引发的，发生氧化链反应生成的，渣油中的金属离子又能加速链增长，反应生成的聚合物粘在一起，沉积在金属表面上形成积垢。
（2）温度对结垢的影响：渣油高温下结垢行为可以看作是一个复杂的连串反应，温度越高结垢越严重，而且当超过一定温度时，结垢速度加快。
（3）焦油流量对结垢的影响：焦油流量越小，在积垢管道内经历高温的时间越长，结垢越严重。车间曾多次经历焦油泵流量不足的现象，这很容易引起烧嘴的结垢。
（4）杂质的影响：焦油中的灰分、金属含量、残碳、水分等的指标以及密度、粘度等如果不符合相关的设计要求都会引起烧嘴内部堵塞现象的发生。车间曾对金属含量进行了监测，金属中的铁、钠、钙、镍等会与焦油中的聚合物等发生氧化反应形成高熔点的氧化物析出粘结在烧嘴内壁上，从而堵塞烧嘴通道。在对金属含量的分析中，我们发现焦油中的金属含量都很少，原料焦油中的金属含量不会对烧嘴的运行产生影响。
车间以后的重点将放在对灰分、残碳等指标的监测上，因为灰分和残碳的增多将加大焦油的密度，使焦油流动的内阻力增大，从而减小了焦油的流动性，增大了焦油的停留时间，直接加大结垢的可能性。而且由于碳黑水工段的灰水中残碳随着生产的不断调整，含量是不断变化的，必须建立相应的监测手段以控制其含量在应有的指标之内。
（5）油水混合器的影响：气化反应中油水混合器的作用是非常重要的，加入工艺水量会大大降低原料油的粘度，雾化原料油，使雾化效果完全。适当加入工艺水可增加火焰长度，使黑区增长，热点下移，降低烧嘴的温度，保护烧嘴。当雾化效果不好时，就会因此造成烧嘴头部的损坏。
3.2 烧嘴质量问题
将损坏的烧嘴内芯取出进行光谱分析，未发现异常。造气炉烧嘴从装置开工至现在情况如下 ：总运行时间9个月，最长运行时间1个月，修理12次，内芯炸胀1次，环隙变形5次，烧嘴头烧掉12次。
从2012年烧嘴投用至今，12次损坏情况都是烧嘴头部变形或烧损。而修复时，对烧嘴头部钴基合金进行整体更换的次数非常有限，大多是在原有基础上进行修复，返修多次就会造成头部高温合金渗铁、渗碳等缺陷的存在，而且补焊后在热影响区会发生再结晶的现象，使合金个别部位晶粒不均匀，从而导致烧嘴内芯头部合金的热稳定性能和热强性能下降，即在高温下抗氧化、抗气体腐蚀、抗塑性变形、抗断裂的能力下降，一旦发生过烧现象，就很容易发生烧卷、缺口甚至烧损现象。
3.3 工艺操作原因
由于装置开、停车及负荷的改变，在调整的过程中，使入炉的氧油比发生变化，当氧油比变大时，炉温瞬间急剧增加。据有关文献报道，原料油与工艺水混合形成的两相流与氧气一起离开烧嘴，并于适当处达到充分混合，剧烈发应，释放出大量的热，火焰中心温度可达到1600～1700℃。由于瞬间过氧，火焰温度会更高，这样势必会造成烧嘴的温度增高，直接影响烧嘴的使用寿命。另外由于原料焦油与工艺水混合效果不好，造成油水混合不均匀，也将直接影响到烧嘴的正常运行。
4、避免措施
4.1 设备维修质量控制
4.1.1 维修方必须提供堆焊焊丝的材质证明书。
4.1.2 维修方必须提供合金堆焊后的射线探伤检验报告。
4.1.3 维修方必须提供检修后的打压试漏方面的证明材料。
4.1.4 对于已修复三次以上的合金部分，在检修时，尽量不采用补焊、打磨修复的方法，要重新堆焊整个烧嘴内芯头部。
4.2 工艺控制措施
4.2.1 在调整负荷时，严格控制氧油比，并适当加大入炉的工艺水量，这有利于提高烧嘴的寿命。
4.2.2 定期监测灰水成份的变化，当碳黑水处理系统波动时，减少碳黑水系统补加给油气化系统的水量，当碳黑水操作正常后，逐渐恢复补加量，并做好这一部分的灰水成分监测。
4.2.3 对外来的原料焦油进行监控，一旦外来焦油流量波动时，要及时进行成分分析，并联系化工一厂确认来料组成是否发生变化，且根据分析，及时调整入炉氧气量，防止系统过氧，造成烧嘴的损坏。
4.2.4 监控好炉温，定期对造气炉发生器同一环度的各点温度进行对比分析，及时掌握烧嘴火焰是否存在偏喷现象。
参考文献
[1] 丁辛醇装置工艺技术规程（内部资料）
[2] 丁辛醇装置技术资料汇编（内部资料）