水煤漿氣化爐新型工藝燒嘴冷卻機構(gòu)的研制和應(yīng)用

胡振中，畢大鵬，張建勝

（清華大學(xué)山西清潔能源研究院，山西 太原030032）

煤氣化是煤制化學(xué)品（合成氨、甲醇、乙二醇等）、煤制油、煤制氫、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）、氣化聯(lián)合燃料電池發(fā)電（IGFC）的關(guān)鍵核心技術(shù)，其中，水煤漿氣流床氣化具有氣化壓力高、燃料輸送穩(wěn)定等優(yōu)勢，是煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向[1]。

工藝燒嘴是水煤漿氣流床氣化爐的核心設(shè)備，承擔(dān)著將氣化工質(zhì)（水煤漿和氧氣）連續(xù)穩(wěn)定地輸送至氣化室并合理組織燃燒的任務(wù)。水煤漿氣化反應(yīng)一般為劇烈的高溫高壓燃燒過程，氣化過程產(chǎn)生大量的高含固合成氣和熔融液渣。由于工藝燒嘴直接與氣化室相連，因此工作環(huán)境非常惡劣，燒嘴頭部端面直接暴露在1 500℃以上的高溫環(huán)境中，承受高強度的輻射熱負荷，長期工作極易因熱疲勞而產(chǎn)生裂紋，影響氣化爐的運行安全。通常，需要在工藝燒嘴外層套設(shè)冷卻機構(gòu)，對燒嘴進行保護，但即便如此，工藝燒嘴的使用壽命一般也僅在60 d左右，制約了氣化爐的連續(xù)運行時間，對企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生了明顯的影響，提升燒嘴的使用壽命已成為水煤漿氣流床氣化技術(shù)的熱點問題和重要發(fā)展方向。

在此背景下，本文以水煤漿氣化爐工藝燒嘴冷卻保護機構(gòu)為研究對象，通過傳熱分析、建立模型，提出了一種基于增材制造（3D打?。┘夹g(shù)的新型高效換熱工藝燒嘴冷卻機構(gòu)，并對該新型冷卻機構(gòu)的性能和實踐效果進行了分析。

1 工藝燒嘴冷卻機構(gòu)的特點

目前，水煤漿氣化爐工藝燒嘴采用飽和循環(huán)水進行冷卻，傳統(tǒng)的冷卻機構(gòu)可分為盤管式和夾套式兩種形式。盤管式冷卻機構(gòu)工藝燒嘴結(jié)構(gòu)和端蓋處水流方向示意圖分別見圖1和圖2。該冷卻機構(gòu)由內(nèi)、外兩層螺旋盤管和頭部的水腔組成。螺旋盤管在燒嘴頭部嵌套形成冷卻水的進、出通道，冷卻水由內(nèi)層盤管流至工藝燒嘴頭部一側(cè)后進入水腔，并從水腔另一側(cè)流出后經(jīng)外層盤管返回冷卻水系統(tǒng)。在水腔內(nèi)部，工藝燒嘴端蓋和管壁共同形成了環(huán)形的冷卻水通道（見圖2），冷卻水進入水腔后，在端蓋內(nèi)壁做環(huán)形繞流運動，吸收來自氣化爐內(nèi)高溫合成氣的熱量。

圖1 盤管式冷卻機構(gòu)工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 盤管式冷卻機構(gòu)工藝燒嘴端蓋水流方向示意圖

夾套式冷卻機構(gòu)工藝燒嘴結(jié)構(gòu)和端蓋水流方向示意圖分別見圖3和圖4。該冷卻機構(gòu)由內(nèi)、外兩層套管和頭部環(huán)形頂板組成。內(nèi)、外層套管在燒嘴頭部通過環(huán)形頂板密封連接，形成冷卻水的進、出通道，冷卻水由內(nèi)層套管流至工藝燒嘴頭部，經(jīng)環(huán)形頂板折返后流入外層套管，返回冷卻水系統(tǒng)。在環(huán)形頂板內(nèi)表面，冷卻水自內(nèi)側(cè)流入后，沿環(huán)形頂板徑向流動至頂板外側(cè)（見圖4），進入外套管，吸收來自氣化爐內(nèi)高溫合成氣的熱量。

圖3 夾套式冷卻機構(gòu)工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 夾套式冷卻機構(gòu)工藝燒嘴端蓋水流方向示意圖

2 傳熱模型的建立

水煤漿氣化反應(yīng)是高溫高壓的放熱反應(yīng)，氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度Tg高達1 500℃以上，工藝燒嘴通常在氣化爐頂部以法蘭連接的方式與氣化爐直接相連，工藝燒嘴頭部端面直接暴露在高溫環(huán)境中，所承受的熱負荷很大。

氣化爐內(nèi)流場示意圖見圖5。氣化爐正常運行時，高速流動的氧氣攜帶著充分霧化的水煤漿自工藝燒嘴噴出，在離開工藝燒嘴一定距離的氣化爐中心位置形成主射流區(qū)（高速射流區(qū)），其內(nèi)部發(fā)生劇烈的高溫燃燒氣化反應(yīng)；而工藝燒嘴頭部端面附近，由于主射流的卷吸效應(yīng)，形成以未反應(yīng)的氧氣和水煤漿為主的低速回流區(qū)，因此，工藝燒嘴頭部端面承受的對流熱量所占份額很少，可以忽略不計，端面主要承受高溫合成氣的輻射熱量。

圖5 氣化爐內(nèi)流場示意圖

工藝燒嘴頭部端面的傳熱和溫度分布示意圖見圖6。通常采用水冷的方式對端面進行保護，來自循環(huán)水系統(tǒng)的溫度為Tw的冷卻水流經(jīng)溫度為Ti的端面內(nèi)壁，吸收高溫合成氣傳遞來的熱量，使端面外壁維持在合理的工作溫度To，從而達到延長工藝燒嘴使用壽命的目的。上述熱量傳遞過程涉及輻射、傳導(dǎo)和對流3種傳熱方式，燒嘴頭部端面外壁主要接受高溫合成氣的輻射熱量Qrd；工藝燒嘴端面壁厚一般為8 mm～10 mm，內(nèi)壁面與冷卻水接觸，由于冷卻水溫度低于高溫合成氣，在溫差的作用下，熱量由外壁通過傳導(dǎo)的方式傳遞到內(nèi)壁（傳導(dǎo)換熱量Qcn），隨后被流動的循環(huán)冷卻水以對流換熱的方式帶走（端面內(nèi)壁與冷卻水之間的對流換流量Qcv），從而完成整個冷卻換熱過程。

圖6 工藝燒嘴頭部端面?zhèn)鳠岷蜏囟确植际疽鈭D

氣化爐內(nèi)的組分極為復(fù)雜，同時存在合成氣體、液態(tài)渣、煤粉、飛灰等氣-液-固相高溫物質(zhì)，由于水煤漿工藝燒嘴位于氣化爐頂部，在工藝燒嘴附近主要以高溫合成氣的輻射換熱為主。高溫氣體輻射具有強烈的光譜選擇性和容積性，其輻射特性與氣體種類、溫度、壓力、容積形狀等多種因素有關(guān)，Edwards的指數(shù)寬帶氣體輻射特性模型是被工程實踐證明較為準確的模型之一，該模型將氣體輻射在整個光譜范圍內(nèi)按指數(shù)規(guī)律分成許多小間隔，并保證前后吸收系數(shù)相等，這樣可得到每個譜帶的一系列新的參數(shù)，并將譜帶的輻射強度與同溫度黑體輻射強度之比定義為合成氣的發(fā)射率。對于工藝燒嘴端面，將其表面的輻射強度與同溫度黑體輻射強度之比定義為燒嘴端面的發(fā)射率，則可按式（1）計算高溫合成氣和端面外壁之間的輻射換熱量。

式中：Qrd為輻射換熱量，W；σ0為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；A為工藝燒嘴端部表面積，m2；Tg為合成氣平均溫度，K；To為工藝燒嘴端面外壁溫度，K；εg為合成氣發(fā)射率；εo為工藝燒嘴端面外壁發(fā)射率。

來自氣化爐內(nèi)高溫合成氣的輻射熱量到達工藝燒嘴端面外壁后，在內(nèi)外溫差的作用下，通過傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞至端面內(nèi)壁，傳導(dǎo)換熱量可按式（2）進行計算。

式中：Qcn為傳導(dǎo)換熱量，W；λ為燒嘴端部鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Ti為燒嘴端面內(nèi)壁溫度，K；δ為燒嘴端面厚度，m。

對于燒嘴端面內(nèi)壁和冷卻水之間的對流換熱，可按式（3）計算對流換熱量[2]。

式中：Qcv為對流換熱量，W；h為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Acv為冷卻水和燒嘴內(nèi)壁的接觸面積，m2；Tw為冷卻水平均溫度，K。

式（3）中的對流換熱系數(shù)h的影響因素眾多，如冷卻水的物理性質(zhì)（黏度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等）、端面內(nèi)表面的形狀和位置、冷卻水的流動狀態(tài)等。通常，對流換熱系數(shù)h和努塞爾數(shù)Nu之間的關(guān)系見式（4）。

式中：λw為冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Nu為努塞爾數(shù)；L為特征長度，m。

而對于端面內(nèi)壁這類流體橫掠表面的對流換熱，Nu數(shù)可用式（5）進行計算。

式中：Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

根據(jù)熱量傳遞過程的連續(xù)性，燒嘴端面承受的輻射換熱量Qrd、端面內(nèi)外壁之間的傳導(dǎo)換熱量Qcn以及端面內(nèi)壁和冷卻水之間的對流換熱量Qcv之間應(yīng)滿足等式（6）。

根據(jù)式（1）～式（6），可通過迭代計算的方式計算出工藝燒嘴端面內(nèi)壁溫度和外壁溫度。

燒嘴端面外壁溫度To是衡量工藝燒嘴冷卻機構(gòu)效果的主要指標，良好的冷卻應(yīng)該能使To降低并維持在一個合理的水平，從而保證工藝燒嘴能夠長時間運行而不開裂失效。

對于上述傳熱過程，冷卻水和端面內(nèi)壁之間的對流換熱強度是影響工藝燒嘴冷卻效果的主要因素。由式（3）～（5）可知，對流換熱的計算關(guān)鍵在于求取Nu數(shù)，而對于相同的冷卻介質(zhì)，Pr數(shù)是相同的，因此，影響對流換熱的主要因素是Re數(shù)。

對于不同的冷卻機構(gòu)，冷卻水在端面內(nèi)壁的流動狀態(tài)是不同的，導(dǎo)致Re數(shù)存在顯著的差別，進而表現(xiàn)為冷卻水對端面內(nèi)壁的對流換熱強度差異，影響冷卻機構(gòu)的整體換熱效果。因此，對工藝燒嘴冷卻機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)著眼于改善冷卻水的流動狀態(tài)，提高對流換熱效率，增大對流換熱面積，達到強化換熱，提升燒嘴使用壽命的目的。

3 新型水煤漿工藝燒嘴的設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用

對燒嘴的傳熱分析表明，燒嘴端面內(nèi)壁和冷卻水之間的對流換熱是燒嘴冷卻最重要的環(huán)節(jié)，而從式（3）可以看出，在換熱溫差不變的條件下，增大冷卻水與燒嘴內(nèi)壁之間的對流換熱面積，同時改善冷卻水在腔體內(nèi)的流動，提高換熱系數(shù)，是提高對流換熱效率的有效途徑，從而改善冷卻機構(gòu)的冷卻效果。

傳統(tǒng)的水煤漿氣化爐工藝燒嘴采用機加工的方式進行生產(chǎn)制造，無法對冷卻水夾套內(nèi)表面進行精細化加工。通常采用套管的方式形成水冷夾套，其內(nèi)表面為平滑的加工面，這就限制了冷卻水在通道內(nèi)的換熱能力。

3D打印技術(shù)是一種快速成形的先進制造技術(shù)，其本質(zhì)原理是離散與堆積，即在計算機的輔助下，通過對實體模型進行切片處理，把三維實體的制造轉(zhuǎn)換成二維層面的堆積和沿成形方向上的不斷疊加，最終實現(xiàn)三維實體的制造。相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印具有制造周期短、成形不受零件復(fù)雜程度限制以及節(jié)材、節(jié)能等優(yōu)勢[3]。將3D打印技術(shù)引入水煤漿氣化爐工藝燒嘴的生產(chǎn)制造，可實現(xiàn)燒嘴冷卻夾套的換熱精細化設(shè)計，有望大幅優(yōu)化水煤漿燒嘴的冷卻效果，延長燒嘴的使用壽命。

基于3D打印技術(shù)和強化換熱的理念，清華大學(xué)山西清潔能源研究院技術(shù)團隊設(shè)計開發(fā)出一種新型高效換熱水冷夾套，并進行了理論計算和工業(yè)試燒。

新型高效換熱水冷夾套結(jié)構(gòu)和端蓋水流方向示意圖分別見圖7和圖8。其冷卻水輸送段設(shè)計采用螺旋筋板結(jié)構(gòu)，形成冷卻水進出水通道。在端面內(nèi)表面設(shè)置螺旋擾流片，使冷卻水在端面內(nèi)表面呈螺旋流動（見圖8），延長冷卻水流動路徑，增大換熱表面積。同時，端面擾流片的設(shè)置也強化了冷卻水的流動，消除了死區(qū)，達到了強化換熱的目的。

圖7 新型高效換熱水冷夾套結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 新型冷卻機構(gòu)燒嘴端蓋水流方向示意圖

采用3種不同冷卻機構(gòu)的日投煤量1 500 t級水煤漿燒嘴的換熱計算結(jié)果見表1。由表1可知，假設(shè)氣化爐內(nèi)煙氣溫度為2 000 K，根據(jù)傳熱模型，計算出盤管式燒嘴端面內(nèi)壁溫度為608 K，夾套式燒嘴端面內(nèi)壁溫度為580 K，而新型高效換熱水冷夾套燒嘴端面內(nèi)壁溫度僅為523 K，燒嘴端面的工作條件得到了改善。

表1 3種不同冷卻機構(gòu)換熱計算結(jié)果

為驗證新型水冷夾套的使用效果，對某化肥廠氣化車間1臺日投煤量500 t的頂置單燒嘴水煤漿氣化爐工藝燒嘴進行了改造，使用新型水冷夾套替代傳統(tǒng)的水冷盤管。改造后燒嘴各項工藝指標良好，使用壽命延長（改造前不足60 d），運行80 d后燒嘴端面基本無可見裂紋，達到了預(yù)期效果。

4 結(jié) 語

工藝燒嘴是水煤漿氣化爐的關(guān)鍵設(shè)備，目前，工藝燒嘴使用壽命短仍是整個氣化爐的短板，制約系統(tǒng)的連續(xù)運行周期。高溫環(huán)境下的燒蝕和開裂是造成燒嘴失效的主要原因，良好的冷卻是保證燒嘴正常運行、延長燒嘴使用壽命的有效手段。清華大學(xué)山西清潔能源研究院從強化換熱角度出發(fā)，基于燒嘴冷卻水夾套的換熱原理和計算方法，采用3D打印技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出了一種新型高效換熱水冷夾套，計算對比和工業(yè)試燒結(jié)果證明了計算模型的可靠性和新型結(jié)構(gòu)的可行性，對水煤漿氣化爐工藝燒嘴冷卻水夾套的設(shè)計和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。