德士古气化炉烧嘴泄漏的监测和判断

德士古气化炉烧嘴泄漏的监测和判断艾尔肯·牙森何辉伟孔晨辉(中石油乌鲁木齐石化分公司化肥厂，新疆乌鲁木齐，830019) 2004-12-16中石油乌鲁木齐石化分公司化肥厂第一套合成氨装置中的气化炉采用德士古专利，其原理是将渣油、蒸汽和氧气以适当配比混合，不完全燃烧生成工艺气。

高压氧气(25℃、9.60MPa)和经过预热的渣油(315℃、10.0MPa)及蒸汽(320℃、10.0MPa)分别通过烧嘴的中心管和环隙喷人气化炉燃烧室，雾化混合燃烧。

烧嘴加装在燃烧室顶部，并设有冷却水盘管及夹套。

冷却水进出口温度分别为38℃、40℃，压力分别为1.47MPa、 0.098MPa。

气化炉燃烧室温度1350℃。

尽管烧嘴正常工作时，冷却水及物流对烧嘴起冷却保护作用，但高速物流的冲刷及含硫工艺气的侵蚀，以及低负荷高温热区的上移都会对烧嘴损害很大。

同时在停车期间，烧嘴头部受高温辐射，部分区域得不到保护，易发生泄漏。

进入20世纪90年代，全国大化肥逐步实现设备国产化，气化炉的德士古烧嘴也改为由国内制造。

由于烧嘴头与冷却水盘管的使用条件比较苛刻，在1350℃以上的高温炉膛内，承受炉内火焰和物料的冲刷。

同时由于国内材料质量不过关，制造技术存在一定的不足，因此在烧嘴国产化后出现了更多次烧嘴泄漏等问题[1]。

烧嘴所用冷却水在2～3台气化炉烧嘴中循环利用，当发现烧嘴泄漏时停整套气化装置，检查所有烧嘴并修复泄漏烧嘴是不现实的。

所以需借助化验分析手段来准确判断哪一台烧嘴在泄漏，泄漏程度的大小等。

当气化炉烧嘴泄漏达到一定程度时，应及时停下发生泄漏的部分进行检修。

生产装置可以处于减负荷运行，避免整套装置停工，节省费用。

1 实验部分1.1 原理利用稀溶液中亨利定律确定冷却水中溶解度较小的永久性气体(H2，CO，N2等)含量，工艺气中溶解度比较小的永久性气体在水中溶解度与气相中分压呈正比关系。

以上气体在高压下已泄漏到烧嘴冷却水中，并大量溶解，在常压下由于气相中分压降低，气体解吸释放出所溶解的大部分气体，通过一定的手段取出冷却水所释放出的气体，在气相色谱仪上进行分析，通过分析数据判断烧嘴泄漏程度的大小。

亨利定律：在一定温度和平衡状态下，挥发性溶质i的分压p i和它在溶液内的摩尔分数x i成正比。

即：p i＝k i x i。

对于泄漏的氢气： p i高压氢＝k氢x高压氢，p i低压氢＝k氢x低压氢。

一般情况下大气中摩尔分数xi变化不太明显，解吸气中漏的氢含量等于k氢(x高压氢－x低压氢)，而氢气等水中溶解度比较小的永久性气体本身在常压环境中x低压氢值变化不会太大，所以解吸气中x高压氢值比较大，表明泄漏程度就会比较明显。

1.2 取样从图1中可以看到烧嘴盘管所用冷却水的流程，选取4个取样监测点：4112-V1、FT-11、FT-12和FT-311。

图1中4112-V1取样点取的是气样，因是微正压，用双联球取样。

在色谱仪上进行分析H2和CO含量，根据色谱仪的灵敏度和试验情况，当4112-V1中的H2+CO含量大于0.01％时，确认烧嘴发生泄漏。

此时开始做FT-11、FT-12和 FT-311分析。

Ft-11，FT-12或FT-311是水样，用一定的取样装置(已申报国家专利)来取出冷却水中溶解的气体样品。

在气相色谱仪上分析样品中 H2和CO含量，通过对以上分析数据的比较，就可以确认发生泄漏的气化炉烧嘴，从而给烧嘴的更换提供准确的信息。

2 讨论以前判断气化炉烧嘴泄漏时，首先当4112-V1分析中发现有异常超标数据后，分别在FT-11，FT-12或FT-311样点取一定量的冷却水样品，测定此样品的pH值和电导率值，然后通过其检测数据的变化判断烧嘴泄漏程度。

此种方法取出来的样品缺乏代表性，影响因素比较复杂。

一方面气化炉所用原料组分含量变化是无法准确预测；另一方面烧嘴冷却水中泄漏的酸性气体、一些金属离子或其他杂质的微小变化，直接影响pH值或电导率值的分析数据。

pH值和电导率变化不仅仅是反映烧嘴的泄漏程度，也反映工艺气中某些组分含量的变化，所以根据pH值和电导率检测结果无法准确判断同时运行的几台气化炉烧嘴泄漏的程度和位置。

为了验证以上观点的正确性，做一系列实验：首先选择一次烧嘴泄漏的时间，然后在以上3个取样点同时用两种取样方法进行取样、监测。

具体分析数据的变化见图2，3，4。

从曲线图2，3中可以看出，通过pH值或电导率的分析数据无法准确判断同时运行的两台气化炉烧嘴中正在泄漏的一台，但通过分析冷却水释放出的气体含量来判断比较准确和直观。

从图4中可判断FT-11气化炉的烧嘴正在泄漏。

3 结论1995年在一化肥气化炉烧嘴测漏中采用新分析方法后，判断气化炉烧嘴泄漏程度和位置的准确率达到100％。

1998年该法用于第二套天然气合成氨装置废热锅炉(换热器)的泄漏监测，效果令人满意。

从多年的实践经验看出，该方法所取出的样品具有一定的代表性，完全可以使用在石油化工行业高压工艺气换热设备(冷却水)泄漏分析中。

但工艺气中必须含有一定量的在水中溶解度较小的气体(如H2，CO，N2等)，并且该气体在气相中和溶液中分子状态必须相同。

这样做出的分析结果准确可靠，能为工艺提供可靠的分析依据。

德士古气化炉渣堵机理探讨朱冬梅，聂成元(山东兖矿鲁南化肥厂滕州 277527) 2002-06-161 气化炉渣堵现象根据目前德士古装置运行的实际情况来看，气化炉的渣堵现象可以分为3类：(1)熔渣堵塞渣口，使燃烧室的灰渣无法排出，堆满燃烧室的底部。

目前国内德士古装置还未出现这种类型的渣堵。

(2)熔渣逐渐积累到下降管内壁上，直至挂满下降管而堵塞气体通道。

这种类型的渣堵仅上海焦化厂报道过，其它厂家还未出现此问题。

(3)激冷后的大块灰渣堆积在气化炉锁斗上部LHV—51阀的上部，锁斗排渣无法顺顷利进行而造成渣堵。

这种现象较为普遍，本文主要对这种渣堵现象进行分析。

生产中渣堵现象的具体表现如下：(1)渣堵时，气化炉的渣口压差变大，而且压力波动很大。

(2)锁斗循环泵的流量由正常的22.0m3／h锐减至10.0m3／h左右，严重时降至零，锁斗系统无法运行。

(3)渣量由正常的3～5 t／d降至极少，气化炉排出物甚至出现清水。

(4)大量的细灰渣被带入闪蒸系统，闪蒸罐及其管线出现渣堵，沉降槽底部排出的几乎全部为细灰渣。

兖矿鲁南化肥厂自1994年气化炉运行达到设计能力后，至1997年渣堵现象并不明显。

1997年后，由于B炉拆除了破渣机，渣堵问题逐渐暴露出来，每年均有数次严重渣堵，影响气化炉的安全运行。

特别是在2001年1月至4月间，B炉出现20余次渣堵，致使气化炉被迫减负荷。

其中特别严重的渣堵有3次，锁斗及闪蒸管线均被灰渣：堵死，致使气化炉被迫停车处理。

打开人孔检查，灰渣已堆到气化炉的入孔以上，并发现大量直径在200～300 mn左右的块渣及20 mm左右的渣块，很难处理，严重影响厂生产。

2 渣堵的原因分析2.1 炉渣的组成与分类根据渣的组成和生成原因，炉渣可以分为4类。

（1）灰渣灰渣为直径0.5～5.0mm的渣粒，主要来源于气化炉内煤浆颗粒在雾化燃烧过程中，微粒间碰撞烧结后，随着气流进入激冷水浴，经过激冷破碎而成。

其主要成份见表1。

(2)块渣直径在5.0mm以上的为块渣，但质地较为疏松，主要来源于沿炉壁流下的熔渣。

当温度低时，炉壁积累了厚厚的渣层，当温度突然升高时，大片的熔渣被烧下来，进入激冷室，未能被完全激冷破碎。

其主要成份与灰渣相同。

(3)疤渣疤渣为块渣，但质地较为坚硬且致密。

成因是熔渣的组份渗透熔解耐火砖的组份后，形成了低熔点化合物：当熔渣的侵蚀作用加强、生成的低熔点化合物较多时，就进入激冷室。

这种熔渣通常难以被激冷破碎，其主要组成包括Ca2SiO4、Ca2SiO5、CaAl2Fe2O7、CaO·Al2O3，SiO2、CaCrO3、CaZrO4等低熔点化合物，质地较为坚硬，大都呈熔融玻璃状。

(4)砖渣砖渣主要是一些损蚀剥落的耐火砖碎块：熔渣的主要成份逐渐沿着耐火砖的气孔或裂纹侵入耐火砖内，形成共熔物。

开停车过程中，压力、温度巨变时，共熔物发生热应力膨胀，沿着气孔或裂纹使砖分离、剥落，进入激冷室成为砖渣。

主要成份和耐火砖略为不同，见表2。

2.2 渣堵原因分析(1)原料煤种变化的影响入炉煤中灰份含量的变化及灰渣组份的变化，也会影响到灰渣的熔融特性(即确定气化炉操作温度所需要测定的入炉煤浆的灰熔点T3)。

灰熔点过高或过低，均会使气化炉温度发生变化，影响气化炉排渣。

煤灰渣的组份又是灰渣粘温特性的主要影响因素之一，其中A12O3、SiO2的含量过高均会使灰渣熔点升高，粘度变差，而灰渣中Fe2O3、CaO的含量也会影响灰渣的熔点和粘度。

因而，如果煤种的灰份含量增高，灰渣中的Fe2O3、CaO含量过高，将会导致灰渣的熔点过高，粘温特性变差，灰渣的焦渣特性(即灰渣的粘结指数)变大，容易形成质地坚硬、体积较大的块渣，造成渣堵。

(2)耐火砖的损蚀过程发生变化在气化炉的反应区，熔渣会与耐火砖形成一层低熔点化合物。

随着外界因素如气化炉操作工况、煤灰组份等的变化，会加剧灰渣对耐火砖的损蚀，使低熔点化合物逐层被剥蚀下来，形成大块的疤渣。

当投料或压力波动较大时，也会使耐火砖沿裂纹剥落，形成大块的砖渣，使锁斗排渣困难，造成渣堵。

这种渣堵一般较难处理，需停车处理。

另外，耐火砖的自身质量及砌砖的整体质量也是决定结渣快慢的一个因素。

若耐火砖的含铬量，高、气孔率小、砌筑砖缝小、且灰浆饱满，其相应抵抗灰渣的侵蚀性也强，不易结渣。

(3)气化炉操作工况的影响气化炉的操作工况较为复杂，其中操作炉温是影响气化炉渣堵的一个主要因素。

①由于外界工况如氧压的变化，炉温由高到低变化幅度较大时，炉温低时挂在耐火砖表面的厚厚熔渣及低熔物脱落，在激冷室形成块渣和疤渣。

另外，炉温高时，熔渣中的各侵蚀性金属元素活跃，极易渗透进入耐火砖本体，加快砖的损蚀。

高炉温也会使砖的抗侵蚀能力和机械强度下降，加快耐火砖的烧损，这就不可避免地造成气化炉的渣堵。

工业试验证明，炉温每升高100℃，熔渣对砖的损蚀就会加快1倍。

②压力的影响较炉温而言相对较弱，但其影响也不容忽视，因而气化炉操作压力应尽可能保持稳定。

(4)设备因素设置破渣机的目的是为防止大块的熔渣和砖渣所造成的渣堵。

但从装置投用至矍997年底，并未暴露出特别严重的渣堵现象，相反由于破渣机轴封泄漏原因，严重影响了气化炉的安全运行，因而将破渣机拆除，并与A炉作对比试验。

这也是由于存在设备缺陷而造成2000年初B炉渣堵特别严重的又——重要因素。

(5)其它影响因素由于烧嘴装配尺寸不匹配或烧嘴使用后期磨损较为严重而形成偏喷，发生反应区偏流现象，使煤浆与氧的反应过程变化而导致渣的生成状态也发生变化，形成大块渣，造成渣堵。