高晓宇

（中国石油 大庆石化公司化工二厂，黑龙江 大庆 163714）

裂解焦油气化装置烧嘴的改造与应用

高晓宇

（中国石油 大庆石化公司化工二厂，黑龙江 大庆 163714）

针对裂解焦油气化装置烧嘴易烧损、寿命短（30 d）的问题，分析烧损产生的原因，在此基础上提出改造措施。改造措施包括：缩小喷头直径、减小壁厚与缩进量、更换烧嘴冷却水盘管材质、改善烧嘴头部冷却室结构。对改造前后烧嘴的性能进行冷态模拟，模拟结果表明，改造后烧嘴的性能好于改造前烧嘴的性能。在气化装置上应用改造后的烧嘴，取得了良好效果：单次使用寿命达到103 d，碳洗塔出口干气中一氧化碳与氢气总含量（φ）达到88%～89%，气化炉顶部法兰最高温度降低至260 ℃，烧嘴冷却水盘管完好无损，耐火砖减薄速率降低。

裂解焦油；气化装置；烧嘴；合成气

中国石油大庆石化公司化工二厂合成气装置是200 kt/a丁辛醇改扩建项目的重要组成部分，设计以裂解焦油为原料，采用美国GE公司的激冷工艺流程，生产高质量的羰基合成原料气，是国内首套以裂解焦油为气化原料生产合成气的装置［1］。

裂解焦油气化装置的核心设备是烧嘴，烧嘴的结构直接影响装置的长周期运行与企业的经济效益。初期使用的烧嘴，在生产运行过程中频繁地出现烧损问题。如何延长烧嘴的使用寿命，当时成为急需解决的难题。

与烧嘴相关的文献大多数是有关水煤浆工艺烧嘴技术改造的［2-16］，而涉及焦油气化装置所使用的工艺烧嘴技术改造的却鲜见报道。因此，解决焦油气化装置工艺烧嘴的烧损问题，对于新烧嘴的设计研发以及延长焦油气化装置的运行周期具有重要指导意义。

本工作在分析裂解焦油气化装置烧嘴易烧损原因的基础上，对烧嘴提出改造措施，并对改造前后的烧嘴进行冷态模拟，分析了改造后烧嘴的应用效果。

1 烧嘴工作原理与烧损原因分析

1.1 烧嘴工作原理

图1为典型的三流道内外混烧嘴的总体结构图。3种规格的套管构成了氧气和焦油的3个独立流道。氧气既是参加反应的主要元素之一，又是焦油与水混合物的雾化剂，氧气分为中心氧与外环氧两部分，分别按照图2所示的流道到达烧嘴头部。

图1 烧嘴轮廓示意图Fig.1 Outline drawing of burner.

图2 烧嘴头部示意图Fig.2 Drawing of burner head.

自中间环管进入的焦油和水的混合物在烧嘴头部与氧气以一定的交叉角相互撞击，在高速氧气流的冲击、碰撞、携带作用下，焦油和水混合物与氧气发生湍混，焦油与氧气、水的质点除了有向前的运动外，还产生了径向位移，高黏度的焦油与水混合物被充分地雾化。雾化后，油滴被氧气隔开，油滴与氧气在炉膛内充分接触，给入炉的焦油创造了良好的工艺条件。中心氧量一般是总氧量（φ）的15%～20%，中心氧能够提高氧气和焦油的返混程度，提高一氧化碳的转化率。

1.2 烧嘴烧损情况与原因分析

1.2.1 烧嘴损坏情况

2012年开车至今，烧嘴使用寿命最长的为30 d，最短的只有3 d，由于频繁的更换烧嘴，极大的制约了装置的长周期运行。每次停车检查都发现烧嘴头部有一定的破损，图3为一些具有代表性的烧嘴烧损后的图片。

从图3可看出，烧嘴冷却水夹套已经大部分被烧损，中喷嘴和中心管也发生了向内部回烧的现象。很明显烧嘴在运行过程中，燃烧火焰已经缩回到烧嘴头部通道，导致烧嘴头部严重破坏。除烧嘴头部被烧损外，烧嘴表面粘有一层黄绿色物质，经分析得知该物质为硫化镍。由于硫化镍的生成，降低了金属的机械强度。

图3 烧损后的烧嘴Fig.3 Damaged burner after burning.

1.2.2 工艺烧嘴损坏的原因分析

裂解焦油是裂解原料经过高温裂解、冷却分离所得的副产物，主要由碳、氢两种元素组成。在常温下为黑褐色黏稠可燃性液体，密度比水大，闪点一般介于80～100 ℃，其中，重芳烃含量高。在气化反应过程中，由于采用纯氧高温气化，因此焦油经烧嘴喷出后，受到高温烟气的辐射和对流换热，很容易达到闪点而燃烧。焦油中的芳烃类物质、胶质等容易分解产生焦碳和气体，在焦油离开烧嘴头部后喷射速度不高的情况下极易结焦，生成的焦炭渗入金属中，形成碳和金属的固体溶液。这种渗碳现象使金属合金失去原有的抗氧化安定性而易受侵蚀，导致喷嘴的机械性能降低。另外，喷嘴材质中的铁、镍、铬及其氧化物对结焦有催化作用，尤其是铁、镍及其氧化物对结焦有很强的催化作用，能导致结焦加快。一旦烧嘴头部结焦，不仅容易引起烧嘴头部出现焦油偏喷现象，导致火焰变形；也容易导致火焰黑区的长度逐渐缩短，直到火焰贴近烧嘴头部燃烧，最终将烧嘴烧坏。

焦油中的硫会对烧嘴的使用寿命产生一定的影响，目前工业上使用的烧嘴主要材质为Inconel600，该材质的高温抗氧化性能良好，但在高温下材质中的镍会与硫产生硫化镍，导致材质腐蚀。烧嘴头部的黄色物质证明了这一点。

2 烧嘴结构的改造

2.1 烧嘴改造的措施

依据烧嘴损坏的原因，新烧嘴在原结构的基础上进行以下改造：1）缩小焦油通道尺寸，提高焦油在通道内的流速，从而提高焦油和中心氧混合后的出口速度；2）调整中心氧通道和焦油通道的位置与缩进量，合理设计焦油和中心氧的预混空间，并使其与主氧在烧嘴端面外部均匀混合；3）减小焦油和外部环形氧通道之间的夹层在出口处的壁厚；4）优化烧嘴头部的冷却室内部结构，提高对流传热效果；5）将烧嘴冷却水盘管的材质由Inconel 600改为UMCo50，提高金属的抗压性能。改造前后的烧嘴头部结构见图4和表1。

图4 改造前后的烧嘴头部结构Fig.4 Burner spray nozzle structures before and after revamping.

表1 改造前后的烧嘴头部结构尺寸Table 1 Structure size of the burner spray nozzle before and after revamping

2.2 烧嘴改造后的模拟计算结果

采用Gambit和Fluent等软件，以Realizable k-ε双方程模型对烧嘴改造前后的效果进行模拟计算，对气化过程进行定量分析，分析结果见图5～8。

图 5为改造前后冷态时烧嘴的速度分布。从图5可看出，改造后烧嘴由于焦油流速提高，平移并缩小焦油和中心氧在烧嘴头部内的混合空间，使得焦油从烧嘴头部喷出后仍保持较高流速。这样有助于将火焰推离烧嘴头部端面，减少燃烧结焦的可能性。

图 6为改造前后冷态时烧嘴的焦油组分分布。从图6可看出，改造前的烧嘴，焦油和外部环形氧通道之间的夹层在出口处有焦油存在，这是由于高速环形氧和中间低速的焦油形成的回流区造成的；改造后的烧嘴，焦油和环形氧在烧嘴头部端面外部混合，这样有利于保护烧嘴。

图5 改造前后冷态时烧嘴的速度分布Fig. 5 Velocity distribution in the burner at cooling state before and after revamping.

图6 改造前后冷态时烧嘴的焦油组分分布Fig.6 Cracking tar composition distribution in burner before and after revamping.

图 7 为改造前后烧嘴头部局部区域的温度分布。

从图7可看出，改造前的烧嘴，在头部混合室内和烧嘴端面会形成高温火焰区，从而造成烧嘴的烧损；改造后的烧嘴，使火焰外推，避免在烧嘴头部混合室和烧嘴端面形成高温区。

图7 改造前后烧嘴头部局部区域的温度分布Fig.7 Temperature distribution in the local area of burner spray nozzle before and after revamping.

3 改造后烧嘴的应用效果

3.1 设备运行状况分析

2013年3月至今，改造后烧嘴在气化装置上使用的寿命最短为60 d，最长为103 d，与改造前烧嘴的使用寿命最长时间30 d相比，改造后烧嘴运行时间明显延长。应用改造后烧嘴时，每次停车对烧嘴头部进行检查，在中心氧、外环氧、焦油喷头处有0.2～0.5 cm的烧损，这与改造前烧嘴头部的烧损1.0～1.5 cm相比，烧损程度得到了有效改善（见图8）。烧嘴头部水仓以及冷却水盘管连续运行103 d无任何损伤，说明烧嘴冷却水盘管改造后所采用的金属材料能够完全满足生产需求，解决了改造前的烧嘴冷却水管路烧穿的问题。

图8 新烧嘴运行103 d后的图片Fig.8 Images of the new burner after running 103 days.

使用改造后烧嘴时，整个炉体金属外表面温度分布均匀，基本上为280 ℃；气化炉顶部法兰表面温度由应用改造前烧嘴时出现的最高温度380 ℃降至260 ℃。

改造前烧嘴长时间运行后烧嘴头部烧损严重，焦油可产生偏流，对气化炉内局部耐火砖产生严重的冲刷与火焰舔舐，使得这一部位的耐火砖变薄，寿命缩短。使用改造后烧嘴时，由于烧嘴头部结构的改进，焦油不会产生偏流，气流对耐火砖的冲刷是均匀的。通过测算得出炉砖的减薄速率由原来的5.4 μm/h降至3.8 μm/h，耐火砖的寿命得到延长。改造后烧嘴的寿命延长，使得气化炉开停车次数减少，这也减少了耐火砖的热振，能很好地起到延长耐火砖使用寿命的效果。

表2 改造后烧嘴在不同阶段的运行数据Table 2 Operating data of new structured burner in different stages

3.2 改造后烧嘴的使用效果分析

改造后烧嘴在不同阶段的运行数据见表2。

从表2可看出，在不同的运行时期，关键工艺指标，如干气组成（有效气含量（H2+CO）、二氧化碳含量）、比氧耗、比油耗和有效气产量等均较稳定，没有出现改造前烧嘴运行到后期出现的有效气产量降低、比氧耗和比油耗升高的问题；随烧嘴运行时间的延长，改造后烧嘴压差减小，烧嘴压差的变化对其使用寿命以及性能的影响是可以接受的，能够满足焦油气化装置长周期运行的需求。从改造后烧嘴的使用寿命上看，可以确定烧嘴的结构改造方案是成功的。

4 结论

1）在裂解焦油气化装置的烧嘴烧损原因分析的基础上，提出烧嘴改造方案：调整烧嘴头部的间隙、缩进量、头部冷却室结构，更换烧嘴冷却水管的金属材质。

2）与改造前烧嘴相比，改造后烧嘴使用寿命延长至103 d，减少了气化炉开停车次数。

3）使用改造后的烧嘴在其运行期间（103 d），气化装置的关键工艺指标（干气组成、比氧耗、比油耗和有效气产量）均较稳定。

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（编辑 李治泉）

Revamping and Application of Burner of Cracking Tar Gasification Installation

Gao Xiaoyu
（ PetroChina No.2 Chemical Plant of Petrochina Daqing Petrochemical Company， Daqing Helongjiang 163714， China ）

Aimed at easily burnt burner of cracking tar gasifcation installation and its service life(30 d)，some revamp measures were proposed，namely reducing spray nozzle diameter，decreasing wall thickness and retraction，changing cooling coil material quality，and improving cooling chamber structure of the burner head. Cold model experiments were carried out for the performances of the burner before and after the revamping，and the results showed that the revamping improved the performance of the burner evidently. After the revamping， the single service life of the burner reached 103 d，the total contents of both CO and hydrogen in dry gas at the outlet of carbon scrubber reached 88%-89%(φ)，temperature at the top of the gasifer lowered to 260 ℃，the burner cooling coil was not damaged，and the rate of refractory brick thinning was decreased.

cracking tar；gasifcation installation；burner；synthesis gas

1000 - 8144（2014）10 - 1196 - 05

TQ 026.4

A

2014 - 04 - 14；［修改稿日期］ 2014 - 06 - 23。

高晓宇（1980—），男，辽宁省沈阳市人，硕士，工程师，电话 13936825053，电邮 gaoxiaoyu_2006@126.com。