水煤浆气化炉工艺烧嘴
作者/来源：刘孝弟（北京航天动力研究所，北京 100076) 日期：
2005-9-16
1 水煤浆气化炉工艺烧嘴简要描述
1.1 烧嘴技术性能、参数
北京航天动力研究所是从事液体火箭发动机研究的科研单位。从1984年军转民以来，利用多年来军品技术上的优势，开发了大量新产品、新技术用于工业生产，水煤浆气化炉的工艺烧嘴就是其中的一项。典型的水煤浆气化炉工艺烧嘴结构及尺寸如图1所示。
1995年，我所与上海焦化有限公司合作，将工艺烧嘴国产化，取得了成功。第一批国产化烧嘴共三台总成，三套喷嘴备件及三套冷却水盘管。1998年4月开始投用，其使用寿命与进口产品相当，燃烧所产生的气体成分亦相当。同年6月2日、3日对国产烧嘴和进口烧嘴分别进行了燃气成分测定，结果见表1、2。
图1 典型气化炉工艺烧嘴结构及尺寸
表1 我所的烧嘴使用在4炉上的参数
#
表2 国外进口烧嘴使用在1炉上的参数 #
从表1、2可知，两者应用效果基本一致，国产烧嘴在有效气体（CO+H2）成分上稍高于进口烧嘴。2004年我所又为该公司提供3台总成烧嘴。
1998年为陕西渭河化肥厂提供2台国产化烧嘴，其烧嘴操作压力较上海焦化有限公司的为高（上海焦化有限公司总成设计压力为4.32MPa ，渭化为6.9MPa ）。年底投入使用，寿命和燃气有效气体成分与进口烧嘴相当。
1999年又为渭化改造两台烧嘴，喷嘴头部和部分零件为进口元件，其余为我所完善，使用表明，其效果、寿命与国外相当。只是中心氧偏高（约15%），希望降为12%，后由渭化自行解决。2003年又为渭化提供一台烧嘴作为备件。
2005年，在渭化双甲项目中，我们又为他们设计了两台大流量烧嘴及4套备件。
2001年与安徽淮化集团合作，将两台工艺烧嘴进行国产化改造，次年投入使用，情况良好，使用寿命和性能与进口原烧嘴相一致。
2002年又为淮化提供备用外烧嘴5件，冷却套管5套。 2003年又签订合同，提供5件外烧嘴，2件中烧嘴。 2004年和2005年为山东华鲁恒升公司分别提供12台和6台烧嘴，其中B 、C 炉共10台烧嘴，已正常开车，参数已达到工艺指标，A 炉属于四喷嘴对冲形式，目前正在试验。
2003年及2004年，我们为山西丰喜集团和陕西神木化工有限公司分别提供了3套烧嘴和6套烧嘴及大量的备件。
1.2 烧嘴设计、加工
烧嘴的工艺参数如水煤浆浓度、水煤浆流量、操作压力、操作温度，氧气的流量、操作压力、操作温度，冷却水流量等均在气化炉设计时选定。制造方就是要根据工艺要求，根据烧嘴的总体要求，设计喷头的具体结构形式，设计烧嘴的总成方案，选择合理的材质和生产工艺来保证在生产工艺条件下，烧嘴的性能达到要求。 烧嘴的总体尺寸一般由设计院完成，材料和主要几何尺寸一般均已确定，制作方需要选取合理的成型工艺及加工工艺，特别是喷头的定位、焊接成型方式、焊接工艺等，需要制作方制定，满足图纸的总体要求及烧嘴的总体参数。同时我们也可以根据气化炉的总体参数进行有关的热力计算，确定烧嘴的结构尺寸，进行烧嘴的总体设计和具体结构设计。陕西神木化学工业有限公司及陕西渭河化肥厂双甲项目与我们合作采用的就是这种方式。
在工艺烧嘴加工过程中，需解决好以下几个技术问题。
（1）焊接工艺。焊接是重要的工序。焊接材料、焊接预热温度、焊接速度、氩气的保护、工艺规范、坡口型式等都要与所焊材质相匹配。
（2）相同材质间和不同材质间的焊接应采用不同的工艺规范。
（3）供料管的直线度及与喷头焊接后的直线度是保证喷头定位块发挥作用的关键，只有这些条件具备，才能满足烧嘴各个喷头之间的同心度。
（4）为保证烧嘴总成的性能，需要制作专用工装，进行烧嘴的最终组装，保证烧嘴的所有对外连接尺寸完全满足设计要求及气化炉现场的配管要求，同时保证烧嘴的完全互换性。
1.3 烧嘴的检验
烧嘴加工完成后，除所有焊缝需要进行完整的射线探伤外，还需要对组装后的烧嘴总成进行水压试验和气密性试验，以验证焊接的强度和组装的密封性能。
（1）水压试验为停止点。水压试验前所有工序必须已经完工且检验合格。各种资料齐全后，由检验人员开具试压通知单。
（2）水压试验和气密性试验按我公司《压力容器耐压试验和气密性试验通用工艺规程》进行，以综合检查气化炉烧嘴的强度和密封性能。
（3）气化炉烧嘴制造过程中水压试验用水的氯离子含量均不得大于25mg/L，试验前应有水质化验报告。
（4）气密性试验在水压试验合格后进行，由于试验压力较高，试验前应制定安全措施。
（5）具体试验按以下过程进行。
水压试验：在专用试验台上进行，试验前须制作一套专用工艺烧嘴实验工装。此工装将烧嘴头部密封在一个能承受高压的容器中，模拟出与气化炉对接的状态。
水试时，先行灌水，将烧嘴中的空气排除干净，然后加压，当压力升至额定操作压力时，先稳定5min ，检查有无渗漏，若一切正常，则继续升压至要求的水试压力，保持5min ，若无渗漏，则视为合格。
气密试验：气密试验必须在水压试验合格后进行，气密试验程序基本上和水压试验相同，只是气密试验压力等于正常操作压力。 气密试验在专用防爆间进行，通过防爆玻璃观察窗观察。当试验压力达到要求值时，保持10min ，若有渗漏，则采取措施。若一切正常，则适当降压后，检查各密封件和焊缝处气密情况。
1.4 后续化学处理
（1）酸洗钝化前应编制详细的酸洗钝化方案。所有不锈钢表面应进行酸洗钝化处理，处理方案按照军品火箭发动机氧气管路的清洗程序，确保管路的洁净，即：烧嘴内表面采用三氯己烷清洗、设备外表面采用钝化膏方法。
（2）气化炉烧嘴酸洗钝化工艺流程：水冲洗→碱洗→水冲洗→酸洗→水冲洗→钝化→水冲洗→吹扫。按HG/T2387-92《工业设
备化学清洗质量标准》的规定检查钝化效果及水冲洗后钝化液残留量。
（3）酸洗钝化结束，用干燥、洁净的氮气吹干，并检查，确信内外部洁净后，用塑料膜包扎法兰口及喷嘴端部，防止氧气通道被油脂或其他脏物污染。
1.5 烧嘴加工执行标准及技术保证条件
1.5.1 执行标准
(1)GB150-1998《钢制压力容器》
(2)HG20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》
(3)GB/T12771-1991《输送流体用不锈钢焊接钢管》
(4)JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》
(5)JB4730-94《压力容器无损检测》
(6)JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》
(7)JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》
(8)HG/T2387-92《工业设备化学清洗质量标准》
(9)JB2536-80《压力容器油漆、包装和运输》
(10)买方提供的制造图纸、合同条款及其他技术要求等
(11)制造厂标准
以上标准如有更新，制造检验标准按本合同签订时已颁布的最新版本执行。
1.5.2 技术保证条件
(1)气化炉工艺烧嘴设备的主要元件所选用的板材、合金钢管
及其锻件提供材料制造厂的材质单，制造前对以上材料进行化学成分分析复验或认可，确认与材质单无误后方可施工。
(2)严格按生产厂家企业标准和制造质保体系进行制造和验收。
(3)喷嘴加工时必须严格按图纸和工艺要求，保证各项尺寸偏差、形位偏差（包括内外壁的同心度、端面垂直度等）在规定的范围内，并保证其加工光洁度。采取必要措施和专用工装进行组装，保证内、中、外管与烧嘴及法兰组对时的高度同心。
(4)所有焊接采用氩弧焊，对接焊缝100％射线检测，符合JB4730Ⅱ级合格。法兰等锻件按JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》制造、检验和验收，3A 级为合格级别。
(5)烧嘴焊接要求
① 焊前对所焊部件进行清理，特别对坡口及其母材两侧表面20mm 范围内的油污、防腐剂等杂物，用丙酮擦洗干净。
② 准备不锈钢丝刷、刚玉砂轮等专用工具用以清理焊缝表面。
③ 焊缝组对时按工艺要求进行，均匀点固，对口错边量严格按焊接工艺卡进行控制。对于单面对接焊缝，背面应充氩气保护，打底层焊缝应保证根部焊缝质量，两侧熔合良好。
④ 焊缝完成氩弧焊打底后，及时作着色检测，确信气孔、裂纹等缺陷满足相应的焊缝等级要求后继续施焊。施焊时严格控制焊接线能量，尽量采用较小的焊接线能量施焊，避免焊缝局部过热。
焊接时采用小电流、快速、短弧焊，应尽量避免焊条横向摆动。 ⑤ 所有焊缝应与母材圆滑过渡，有高低差的部分应打磨平滑。
2 水煤浆气化炉工艺烧嘴相关业绩（表3、4）
表3 相关业绩
表4 相关业绩
水煤浆气化炉工艺烧嘴
作者/来源：刘孝弟（北京航天动力研究所，北京 100076) 日期：
2005-9-16
1 水煤浆气化炉工艺烧嘴简要描述
1.1 烧嘴技术性能、参数
北京航天动力研究所是从事液体火箭发动机研究的科研单位。从1984年军转民以来，利用多年来军品技术上的优势，开发了大量新产品、新技术用于工业生产，水煤浆气化炉的工艺烧嘴就是其中的一项。典型的水煤浆气化炉工艺烧嘴结构及尺寸如图1所示。
1995年，我所与上海焦化有限公司合作，将工艺烧嘴国产化，取得了成功。第一批国产化烧嘴共三台总成，三套喷嘴备件及三套冷却水盘管。1998年4月开始投用，其使用寿命与进口产品相当，燃烧所产生的气体成分亦相当。同年6月2日、3日对国产烧嘴和进口烧嘴分别进行了燃气成分测定，结果见表1、2。
图1 典型气化炉工艺烧嘴结构及尺寸
表1 我所的烧嘴使用在4炉上的参数
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表2 国外进口烧嘴使用在1炉上的参数 #
从表1、2可知，两者应用效果基本一致，国产烧嘴在有效气体（CO+H2）成分上稍高于进口烧嘴。2004年我所又为该公司提供3台总成烧嘴。
1998年为陕西渭河化肥厂提供2台国产化烧嘴，其烧嘴操作压力较上海焦化有限公司的为高（上海焦化有限公司总成设计压力为4.32MPa ，渭化为6.9MPa ）。年底投入使用，寿命和燃气有效气体成分与进口烧嘴相当。
1999年又为渭化改造两台烧嘴，喷嘴头部和部分零件为进口元件，其余为我所完善，使用表明，其效果、寿命与国外相当。只是中心氧偏高（约15%），希望降为12%，后由渭化自行解决。2003年又为渭化提供一台烧嘴作为备件。
2005年，在渭化双甲项目中，我们又为他们设计了两台大流量烧嘴及4套备件。
2001年与安徽淮化集团合作，将两台工艺烧嘴进行国产化改造，次年投入使用，情况良好，使用寿命和性能与进口原烧嘴相一致。
2002年又为淮化提供备用外烧嘴5件，冷却套管5套。 2003年又签订合同，提供5件外烧嘴，2件中烧嘴。 2004年和2005年为山东华鲁恒升公司分别提供12台和6台烧嘴，其中B 、C 炉共10台烧嘴，已正常开车，参数已达到工艺指标，A 炉属于四喷嘴对冲形式，目前正在试验。
2003年及2004年，我们为山西丰喜集团和陕西神木化工有限公司分别提供了3套烧嘴和6套烧嘴及大量的备件。
1.2 烧嘴设计、加工
烧嘴的工艺参数如水煤浆浓度、水煤浆流量、操作压力、操作温度，氧气的流量、操作压力、操作温度，冷却水流量等均在气化炉设计时选定。制造方就是要根据工艺要求，根据烧嘴的总体要求，设计喷头的具体结构形式，设计烧嘴的总成方案，选择合理的材质和生产工艺来保证在生产工艺条件下，烧嘴的性能达到要求。 烧嘴的总体尺寸一般由设计院完成，材料和主要几何尺寸一般均已确定，制作方需要选取合理的成型工艺及加工工艺，特别是喷头的定位、焊接成型方式、焊接工艺等，需要制作方制定，满足图纸的总体要求及烧嘴的总体参数。同时我们也可以根据气化炉的总体参数进行有关的热力计算，确定烧嘴的结构尺寸，进行烧嘴的总体设计和具体结构设计。陕西神木化学工业有限公司及陕西渭河化肥厂双甲项目与我们合作采用的就是这种方式。
在工艺烧嘴加工过程中，需解决好以下几个技术问题。
（1）焊接工艺。焊接是重要的工序。焊接材料、焊接预热温度、焊接速度、氩气的保护、工艺规范、坡口型式等都要与所焊材质相匹配。
（2）相同材质间和不同材质间的焊接应采用不同的工艺规范。
（3）供料管的直线度及与喷头焊接后的直线度是保证喷头定位块发挥作用的关键，只有这些条件具备，才能满足烧嘴各个喷头之间的同心度。
（4）为保证烧嘴总成的性能，需要制作专用工装，进行烧嘴的最终组装，保证烧嘴的所有对外连接尺寸完全满足设计要求及气化炉现场的配管要求，同时保证烧嘴的完全互换性。
1.3 烧嘴的检验
烧嘴加工完成后，除所有焊缝需要进行完整的射线探伤外，还需要对组装后的烧嘴总成进行水压试验和气密性试验，以验证焊接的强度和组装的密封性能。
（1）水压试验为停止点。水压试验前所有工序必须已经完工且检验合格。各种资料齐全后，由检验人员开具试压通知单。
（2）水压试验和气密性试验按我公司《压力容器耐压试验和气密性试验通用工艺规程》进行，以综合检查气化炉烧嘴的强度和密封性能。
（3）气化炉烧嘴制造过程中水压试验用水的氯离子含量均不得大于25mg/L，试验前应有水质化验报告。
（4）气密性试验在水压试验合格后进行，由于试验压力较高，试验前应制定安全措施。
（5）具体试验按以下过程进行。
水压试验：在专用试验台上进行，试验前须制作一套专用工艺烧嘴实验工装。此工装将烧嘴头部密封在一个能承受高压的容器中，模拟出与气化炉对接的状态。
水试时，先行灌水，将烧嘴中的空气排除干净，然后加压，当压力升至额定操作压力时，先稳定5min ，检查有无渗漏，若一切正常，则继续升压至要求的水试压力，保持5min ，若无渗漏，则视为合格。
气密试验：气密试验必须在水压试验合格后进行，气密试验程序基本上和水压试验相同，只是气密试验压力等于正常操作压力。 气密试验在专用防爆间进行，通过防爆玻璃观察窗观察。当试验压力达到要求值时，保持10min ，若有渗漏，则采取措施。若一切正常，则适当降压后，检查各密封件和焊缝处气密情况。
1.4 后续化学处理
（1）酸洗钝化前应编制详细的酸洗钝化方案。所有不锈钢表面应进行酸洗钝化处理，处理方案按照军品火箭发动机氧气管路的清洗程序，确保管路的洁净，即：烧嘴内表面采用三氯己烷清洗、设备外表面采用钝化膏方法。
（2）气化炉烧嘴酸洗钝化工艺流程：水冲洗→碱洗→水冲洗→酸洗→水冲洗→钝化→水冲洗→吹扫。按HG/T2387-92《工业设
备化学清洗质量标准》的规定检查钝化效果及水冲洗后钝化液残留量。
（3）酸洗钝化结束，用干燥、洁净的氮气吹干，并检查，确信内外部洁净后，用塑料膜包扎法兰口及喷嘴端部，防止氧气通道被油脂或其他脏物污染。
1.5 烧嘴加工执行标准及技术保证条件
1.5.1 执行标准
(1)GB150-1998《钢制压力容器》
(2)HG20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》
(3)GB/T12771-1991《输送流体用不锈钢焊接钢管》
(4)JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》
(5)JB4730-94《压力容器无损检测》
(6)JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》
(7)JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》
(8)HG/T2387-92《工业设备化学清洗质量标准》
(9)JB2536-80《压力容器油漆、包装和运输》
(10)买方提供的制造图纸、合同条款及其他技术要求等
(11)制造厂标准
以上标准如有更新，制造检验标准按本合同签订时已颁布的最新版本执行。
1.5.2 技术保证条件
(1)气化炉工艺烧嘴设备的主要元件所选用的板材、合金钢管
及其锻件提供材料制造厂的材质单，制造前对以上材料进行化学成分分析复验或认可，确认与材质单无误后方可施工。
(2)严格按生产厂家企业标准和制造质保体系进行制造和验收。
(3)喷嘴加工时必须严格按图纸和工艺要求，保证各项尺寸偏差、形位偏差（包括内外壁的同心度、端面垂直度等）在规定的范围内，并保证其加工光洁度。采取必要措施和专用工装进行组装，保证内、中、外管与烧嘴及法兰组对时的高度同心。
(4)所有焊接采用氩弧焊，对接焊缝100％射线检测，符合JB4730Ⅱ级合格。法兰等锻件按JB4728-2000《压力容器用不锈钢锻件》制造、检验和验收，3A 级为合格级别。
(5)烧嘴焊接要求
① 焊前对所焊部件进行清理，特别对坡口及其母材两侧表面20mm 范围内的油污、防腐剂等杂物，用丙酮擦洗干净。
② 准备不锈钢丝刷、刚玉砂轮等专用工具用以清理焊缝表面。
③ 焊缝组对时按工艺要求进行，均匀点固，对口错边量严格按焊接工艺卡进行控制。对于单面对接焊缝，背面应充氩气保护，打底层焊缝应保证根部焊缝质量，两侧熔合良好。
④ 焊缝完成氩弧焊打底后，及时作着色检测，确信气孔、裂纹等缺陷满足相应的焊缝等级要求后继续施焊。施焊时严格控制焊接线能量，尽量采用较小的焊接线能量施焊，避免焊缝局部过热。
焊接时采用小电流、快速、短弧焊，应尽量避免焊条横向摆动。 ⑤ 所有焊缝应与母材圆滑过渡，有高低差的部分应打磨平滑。
2 水煤浆气化炉工艺烧嘴相关业绩（表3、4）
表3 相关业绩
表4 相关业绩