造气装置气化炉烧嘴结构的优化改造
葛 晶，张新宪，刘国辉，吕 喆，王海峰，刘云宝 （大庆石化公司化工二厂，黑龙江 大庆 163714）
摘要：某石化公司造气装置气化炉烧嘴采用三通道烧嘴，原烧嘴随工艺包配套。从2012年9月装置开工到2013年3月，合成气装置频繁进行停、开工，因烧嘴损坏共停工12次，最短的周期仅3 d，最长的周期为31 d。通过对烧嘴烧损原因分析，进行了烧嘴结构的优化设计，延长了烧嘴使用寿命。 关键词：气化炉； 烧嘴； 烧损； 运行周期； 结构优化
某造气装置采用美国GE的焦油造气技术，该项技术属GE新型造气技术，世界仅有2套装置采用该技术，造气装置是国内第1套、世界第2套焦油造气装置。世界第1套焦油造气在新加坡，焦油气化烧嘴攻关无同类装置经验可参考。焦油气化原料采用裂解装置产生的焦油，焦油经济价值较低。焦油造气采用三通道烧嘴，原烧嘴随工艺包配套，由GE设计制造。
1 烧嘴烧损原因分析
为了对烧嘴燃烧状况进行深入、细致的分析，采用计算机仿真模拟计算的方法对气化过程进行定量分析，通过对气化炉冷态流场结构、热态流场结构的分析，了解烧嘴烧损的最直接原因。
1.1 裂解焦油分析
裂解焦油主要由碳、氢化合物组成；通过高温裂解，冷却分离所得的副产重质油；在常温下为黑褐色粘稠可燃性液体，比水重，油中重质芳烃含量高，相关指数值大。在气化反应过程中，由于采用了纯氧高温气化，因此焦油由烧嘴喷出后，受到高温烟气的辐射和对流换热，很容易达到其闪点；同时，焦油中的芳烃类物质、胶质等容易分解产生焦碳和气体物质，当烧嘴出口速度不高时，非常容易产生燃烧结焦，最终导致烧嘴端面烧损。 1.2 烧嘴烧损情况
历次烧嘴损坏情况见图1~4。
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图1环氧管及外氧水室烧损
图2 中心氧管出现偏烧
图3 烧嘴冷却水盘管烧坏
图4 烧嘴外氧水室烧穿
1.3 烧嘴烧损部位分析
烧嘴损坏主要气体流线在烧嘴出口处扭曲，燃油粒子轨迹在出口附近处有回流存在，使得部分燃油粒子与氧气在烧嘴端面附近燃烧，造成烧嘴端面局部高温。高温火焰燃烧的高温区域距烧嘴头太近，高温热影响造成烧嘴头材料晶体结构发生变化，导致头部烧损严重。从
冷却水盘管烧损及烧嘴头部水套结构，冷却水在头部存在流动不畅现象，加剧头部烧损。 2 烧嘴结构优化设计
在稳定燃烧情况下改善烧嘴头部流场分布,避免高温火焰回流，减小焦油燃烧结焦的可能性，从而提高烧嘴头部的使用寿命。同时采用先进的头部冷却方式，即采用高效冷却水流动方式、耐高温抗氧化镍基合金材料，提高烧嘴头部耐高温、抗氧化特性，提高使用寿命。
通过采用计算机仿真模拟计算的方法，对焦油气化炉内的流动及燃烧过程的模拟计算，得到冷态流场结构和热态流场结构，通过对速度矢量、组份分布、温度场分布特性的分析，有针对性地优化烧嘴结构，从而提高其使用寿命。烧嘴结构为同心三通道烧嘴。烧嘴中心氧管的出口设计成缩口形式，目的是对中心氧进行加速，同时其断面相对于烧嘴端面基准面有一定的缩入量，这样形成一个焦油和中心氧的预混腔，焦油的出口管也设计成缩口形式，使进入预混腔的焦油具有一定的速度。在预混腔内，利用中心氧对焦油进行稀释和初加速，改善加油的流变性能，其目的是为了保证焦油在离开烧嘴后的雾化效果，新设计的烧嘴结构见图5。
图5 新烧嘴结构
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（1）缩小燃料通道尺寸，提高燃料在通道内流速，从而提高油和中心氧混合后的出口速度；
（2）调整中心氧通道和燃料油通道的位置，合理设计油和中心氧在头部内的混合空间，并使其与中心氧在预混腔内充分混合，并实现中心氧对焦油的稀释和初加速；
（3）改动头部水夹套内结构，强化头部换热，提高头抗烧损性能。新结构相比老结构减少了头部低速回流区，有利于烧嘴的保护。
燃烧器冷态速度分布。由于提高焦油流速，优化预混腔结构，使得焦油从燃烧器头部喷出后仍保持较高流速。这样有助于将火焰推离燃烧器头部端面，新烧嘴速度分布见图6。
图6 新烧嘴速度分布
3 优化改造后的烧嘴特点
（1）带预混腔结构的三通道烧嘴。有中心喷头、焦油喷头、外环氧喷头三个烧嘴头，GE烧嘴三个烧嘴头属平齐设计，中心氧喷头无回缩量，没有预混腔，为增进氧气与油水介质混合，增加氧气推进火焰下移，增加预混腔设计，降低火焰烧损烧嘴头的可能性。
（2）突破原始设计、大力度改进。根据流场分析、速度矢量分析，中心氧流量增大，便于推进火焰下移，将高温区域下推，远离烧嘴头。该烧嘴从设计参数上进行改进，将原设计15-20%的中心氧体积比，升至18%~25%.增大中心氧可调节范围。同时结合焦油特性，确定最佳火焰位置，优化烧嘴结构。
（3）采用高效冷却水流动方式。重新对烧嘴头部进行热场分析，采用高效冷却水流动方式、耐高温抗氧化镍基合金材料，提高烧嘴头部耐高温、抗氧化特性，提高烧嘴使用寿命。 4 实际应用效果
（1）创装置开工以来第1长周期。2015年7月23日，第1台由陕西鑫立喷嘴研制开发有限公司制造的烧嘴投入使用，运行前期压差波动较大，但是自8月13日至11月3日长时间稳定在0.80~0.95 MPa，一直运行到11月9日，压差降至0.2 MPa，装置停工，烧嘴运行110 d，超过GE烧嘴运行最长109 d，创造气装置自装置投产以来第1长周期。
（2）实现烧嘴国产化。陕西鑫立喷嘴研制开发有限公司首台烧嘴试用，取得造气装置最长运行周期的好成绩，充分证明了烧嘴国产化的成功及研发攻关方向的正确。为今后烧嘴改进取得长周期运行的更好成绩奠定基础。
（3）缩短烧嘴维修、修复周期，降低维修费用。烧嘴国产化成功为今后烧嘴维修开辟新道路，能够实现烧嘴由国内厂家进行维修、修复。GE维修烧嘴，配件需从国外进口，采购周期长，维修费用高，GE维修1次烧嘴费用在60万元，陕西鑫立喷嘴研制开发有限公司维修烧嘴在20万元左右，并且GE维修交货周期长。烧嘴国产化为今后GE烧嘴国内维修提供保障。 5 结束语
国产化烧嘴实现长周期运行110 d，充分证明了国内厂家有能力研发、设计、制造烧嘴。
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