水煤漿的霧化增強和氣化爐燒嘴的雙重冷卻設(shè)計

欒傲，高巧仙，尹雪，吳美玲，宋敏，張正國

（1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏銀川750021）

化學(xué)工程

水煤漿的霧化增強和氣化爐燒嘴的雙重冷卻設(shè)計

欒傲1，高巧仙2，尹雪1，吳美玲1，宋敏1，張正國1

（1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏銀川750021）

燒嘴的主要功能是借助高速氧氣流的動能將水煤漿霧化并充分混合，在爐內(nèi)形成一股有一定長度黑區(qū)的穩(wěn)定火焰，為氣化創(chuàng)造條件，是水煤漿氣化爐的核心設(shè)備之一。本文針對目前水煤漿氣化燒嘴使用壽命較短等問題，提出了增加水煤漿初次霧化工藝和設(shè)計燒嘴雙重冷卻水系統(tǒng)，對水煤漿氣化爐的穩(wěn)定運行有著重要意義。

水煤漿；霧化；雙重；冷卻；氣化爐；燒嘴

目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的水煤漿加壓氣化技術(shù)有美國的GE水煤漿氣化工藝和四噴嘴對置式水煤漿加壓氣化工藝[1]。以上2種技術(shù)使用的氣化燒嘴均為三通道組合式，目前工業(yè)大生產(chǎn)主要應(yīng)用的是外混式的三流道燒嘴。工藝燒嘴是各種水煤漿加壓氣化的核心技術(shù)裝備之一[2]。

水煤漿加壓氣化所用工藝燒嘴一般有上部進(jìn)料的單噴嘴和上部或下部進(jìn)料的多噴嘴。目前水煤漿氣化爐工藝燒嘴一般采用預(yù)膜外混式，其典型燒嘴頭部結(jié)構(gòu)（見圖1（a））。進(jìn)燒嘴的氧流股由2個流道組成，分別為一通道（即中心通道）和三通道，一通道與三通道之間為二通道，為加壓水煤漿通道。3股物流分別高速流出燒嘴，在燒嘴口外邊緣，兩側(cè)為高速流動的氧流股，且與煤漿呈一定交匯角，水煤漿被兩氧流股高速剪切、混合、振動使煤漿霧化，霧化后的水煤漿顆粒平均粒徑約為100 μm[1-3]。

圖1 （a）傳統(tǒng)工藝燒嘴結(jié)構(gòu)，（b）增加初次霧化工藝的煤氣化工藝

燒嘴在高達(dá)1 400℃左右的高溫惡劣下滿負(fù)荷運行，造成燒嘴的主體合金材料疲勞，運行幾天就會造成燒嘴頭部磨損，所以燒嘴更換較頻繁，一般在45 d到120 d不等。氣化爐燒嘴的操作不當(dāng)也會引起氣化爐內(nèi)壁的耐火磚燒蝕損壞，當(dāng)氣化爐頂部氧過量時，完全燃燒生成合成氣過程伴隨放出大量的熱，很可能造成拱頂溫度快速升高而燒蝕、損壞拱頂耐火磚。同時，燒嘴頭部還會受到合成氣中硫化物等腐蝕性氣體的化學(xué)腐蝕，合金材料雖然堅固，但是在這種復(fù)雜腐蝕氣氛環(huán)境中，壽命大大受到影響[4]。

常見的改進(jìn)措施，一般通過在燒嘴外側(cè)設(shè)置冷卻水盤管進(jìn)行降溫，以期望延長燒嘴壽命，但是在實際生產(chǎn)使用過程中，燒嘴冷卻水盤管的存在雖然有改進(jìn)，但是設(shè)備安裝、維修增加了成本。也有人提出設(shè)計冷卻水外夾套，但是在實踐運用過程中發(fā)現(xiàn)，外夾套積灰嚴(yán)重，一旦損壞造成大量冷卻水泄漏，損失更大。

本文提出了一種新型的工藝燒嘴結(jié)構(gòu)，主要改進(jìn)水煤漿霧化工藝和燒嘴的冷卻水系統(tǒng)。分別設(shè)計冷卻水外夾套和內(nèi)夾套雙重冷卻結(jié)構(gòu)，該設(shè)計降低了燒嘴內(nèi)外側(cè)的溫度差，減小了燒嘴合金材料因高低溫造成的應(yīng)力。而且在各夾套出入口設(shè)置壓力變送器，以便于中控室操作人員隨時監(jiān)控冷卻水壓力變化，一旦冷卻水泄漏可以及時處理。

1 水煤漿霧化工藝改進(jìn)

傳統(tǒng)霧化過程中，頂部噴嘴的高速氧氣流（12 m/s～20 m/s）把中心通道的水煤漿迅速破碎、霧化噴入氣化爐。霧化水煤漿在高溫的燃燒室中迅速經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物的裂解燃燒以及碳的氣化等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程，最后生成H2+CO為主的合成氣。由于燒嘴的射流短、爐內(nèi)湍流混合不強、霧化角小等問題，很容易導(dǎo)致煤漿小顆粒霧化不完全而且分布集中，造成局部區(qū)域的過量氧氣與已生成的有效氣（H2+CO）反應(yīng)生成CO2。而氧氣過少的地方，氣化不完全的煤漿顆粒落在激冷室中，形成未燃區(qū)，導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率降低，造成生產(chǎn)效率下降、成本升高。而且燒嘴在高速的煤漿顆粒沖刷下，會很快磨損變形甚至燒穿[2，4]。

因此，在水煤漿進(jìn)入燒嘴二通道前，增加初次霧化過程，采用CO2氣體作為霧化載氣是一個不錯的選擇，而且CO2進(jìn)入氣化爐后會抑制已生成的有效氣（H2+ CO）生成的CO2反應(yīng)（見圖1（b）和圖2）。

圖2 水煤漿初次霧化器

2 燒嘴雙重冷卻系統(tǒng)設(shè)計

常見的燒嘴故障原因主要可簡化為：（1）由于長期高溫使燒嘴端部金相組織劣化，燒嘴的熱應(yīng)力分布不均勻，容易在端面產(chǎn)生裂紋，燒嘴水室端面裂紋嚴(yán)重時可能貫穿燒嘴水室，導(dǎo)致燒嘴損壞、冷卻水泄漏、氣化爐裝置停車；（2）在高溫、高壓及因氧氣氣流擾動的共同作用下，煤漿顆粒對燒嘴噴頭的頂端會造成嚴(yán)重磨損，該磨損直接影響到燒嘴的霧化效果，并會惡化氣化爐耐火磚的損蝕[5]。

因此，通過在外環(huán)氧和水煤漿通道之間設(shè)置了一個冷卻水通道，結(jié)合最外側(cè)的夾套冷卻水（最外側(cè)也可采用冷卻水盤管），即燒嘴雙重冷卻設(shè)計（見圖3）。這樣使得燒嘴始終在同一低溫下，熱量分布更加均勻，燒嘴合金材料熱應(yīng)力均勻，減小了由于熱應(yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生裂紋的可能性，使得燒嘴壽命得到延長。

圖3 工藝燒嘴雙重冷卻系統(tǒng)示意圖

國內(nèi)目前還無生產(chǎn)過程中在線檢測燒嘴冷卻水進(jìn)、出口焊縫處的質(zhì)量檢測方法，一旦最外側(cè)冷卻水夾套（或冷卻水盤管）前部彎頭與外側(cè)氧通道噴頭連接處焊縫開裂，導(dǎo)致冷卻水泄漏，必須停車更換新的工藝燒嘴[6]。當(dāng)燒嘴冷卻水泄漏后，高壓合成氣首先竄入冷卻水回水管線，這樣會減弱對冷卻水單向閥的止逆作用，導(dǎo)致現(xiàn)場和遠(yuǎn)傳壓力和水入口流量變化延遲，不能及時報警，相關(guān)聯(lián)的停車程序也會延遲，有可能造成事故進(jìn)一步擴大。

圖4 具有雙重冷卻水系統(tǒng)的燒嘴口表面掛渣情況（燒嘴孔徑為40 mm）

因此，可在各夾套冷卻水出入口設(shè)置流量計、壓力變送器、溫度變送器，將進(jìn)水流量低、壓力高和回水溫度高指標(biāo)引入氣化裝置緊急聯(lián)鎖停車（ESD）三選二聯(lián)鎖[7，8]，有效避免事故的進(jìn)一步擴大（見圖4）。

具有雙重冷卻水系統(tǒng)的燒嘴使用后，燒嘴口外側(cè)會因為氧氣流和水煤漿的噴射形成局部低壓，該低壓區(qū)域內(nèi)不斷有煤粉顆粒滯留，煤粉顆粒在燒嘴外堆積形成相對穩(wěn)定的掛渣層，該掛渣層可以保護(hù)燒嘴頭部遭到腐蝕性氣體的腐蝕，有效隔離保護(hù)燒嘴本體。

3 結(jié)論

水煤漿的霧化增強和氣化爐燒嘴的雙重冷卻設(shè)計相對于傳統(tǒng)的三流道工藝燒嘴具有使用壽命更長、氣化效率更高和對耐火磚沖刷小等優(yōu)點。具有雙重冷卻水系統(tǒng)的燒嘴使用后，燒嘴外側(cè)形成了有效的掛渣保護(hù)層。該設(shè)計提高了水煤漿霧化效果、延長了燒嘴的使用壽命，對煤氣化技術(shù)具有重要理論意義。

［1］閆慶國，邱峰.水煤漿氣化爐燒嘴對生產(chǎn)的影響及對策［J］.中氮肥，2014，（6）：50-52.

［2］唐煜.一種新型工藝燒嘴系統(tǒng)設(shè)計［J］.化學(xué)工程與裝備，2010，（4）：86-87.

［3］李佳.GE三通道水煤漿燒嘴工業(yè)應(yīng)用及故障分析［J］.齊魯石油化工，2013，41（4）：317-321.

［4］劉孝弟，王岳，李兵科.水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問題的探討［J］.化肥工業(yè)，2009，36（2）：20-23.

［5］路光彬.四噴嘴對置式水煤漿氣化裝置優(yōu)化運行［D］.上海：華東理工大學(xué)，2015.

［6］張華，馮曉斌，簡廷強.合成氨節(jié)能降耗措施實施探討［J］.石油化工應(yīng)用，2015，34（2）：107-108.

［7］張正國，楊晉，朱桂花，等.雷達(dá)物位計在流化床反應(yīng)器中的應(yīng)用［J］.石油化工自動化，2013，49（6）：61-63.

［8］朱旻旻，王威達(dá)，匡慧芳，等.基于單片機的數(shù)字液位計測控系統(tǒng)的綜述［J］.廣東化工，2015，42（2）：109-110.

The enhanced atomization of coal-water slurry and dual cooling design of gasifier burner

LUAN Ao1，GAO Qiaoxian2，YIN Xue1，WU Meiling1，SONG Min1，ZHANG Zhengguo1
（1.School of Chemistry Engineering，Beifang University of Nationalities，Yinchuan Ningxia 750021，China；2.School of Life Science，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021，China）

Burner is one of the core equipment of coal-water slurry gasifier,it is efficient used for vigorous mixing and atomizing the coal-water slurry with the aid of high-speed flow of oxygen and resulting a certain length in furnace to form a stable flame black area to create conditions for gasification.In this paper,considering the current coal-water slurry gasification burner problems such as short service life,an enhanced atomization of coal-water slurry and dual cooling design are designed for the gasifier,which has great significance to the stable operation of coal-water slurry gasifier.

coal-water slurry；atomization；dual；cooling；gasifier；burner

TQ051.1

A

1673-5285（2016）12-0123-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.030

2016－11-08

國家自然科學(xué)基金，項目編號：21565001；北方民族大學(xué)科研項目，項目編號：2015KJ30，2016HG-KY05。