水煤漿氣化爐工藝燒嘴工程設(shè)計(jì)理論研究

顧學(xué)穎，馬 帥，吳凱迪，李少昆，韓 鵬，劉孝弟

(1.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

水煤漿加壓氣化技術(shù)是由美國GE公司(原美國TEXCO公司)在渣油加壓氣化工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)的潔凈煤氣化技術(shù)，經(jīng)過多年來國內(nèi)技術(shù)人員的共同努力，通過引進(jìn)、消化、吸收及改進(jìn)提高，發(fā)展形成了多元料漿氣化技術(shù)、熔渣-非熔渣(分級(jí))氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式氣化技術(shù)、水冷壁爐水煤漿氣化技術(shù)等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全方位水煤漿氣化技術(shù),并針對(duì)國內(nèi)的煤種特性及不同的終端產(chǎn)品需求，使水煤漿加壓氣化技術(shù)的工藝運(yùn)行指標(biāo)及操作條件改善取得了長足的進(jìn)步，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

水煤漿氣化爐工藝燒嘴是氣化爐中的關(guān)鍵設(shè)備，在材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面處理等方面，研究者們進(jìn)行了大量的工作，使工藝燒嘴在減緩物理沖刷、化學(xué)侵蝕、抵抗高溫環(huán)境等方面均取得了可喜的成績，部分燒嘴的最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過了300 d[1-7]。

1 工藝燒嘴頭部結(jié)構(gòu)和工作原理

典型的水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)

工藝燒嘴通常為同軸三套管形式。中心氧管設(shè)計(jì)成縮口結(jié)構(gòu)，目的是形成高速的中心氧流(約150 m/s)，同時(shí)其出口和水煤漿管端面縮入一定尺寸，造成一個(gè)中心氧和水煤漿的預(yù)混合腔。在預(yù)混合腔內(nèi)，利用中心氧對(duì)水煤漿進(jìn)行懸浮分散和初加速(約20 m/s)，改善水煤漿的流變性能。外氧管口的縮變量更大一些，目的是提供更高流速的氧氣(約200 m/s)，使通過預(yù)混合腔的水煤漿混合物進(jìn)行良好的霧化，以便在氣化爐內(nèi)達(dá)到良好的燃燒和氣化效果[2]。

2 設(shè)計(jì)原則

工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)明確要求，工藝燒嘴的中心氧流量占總氧流量的13%～15%。若占比過小，最終達(dá)不到水煤漿的基本霧化要求;若占比過大，預(yù)混合腔出口的水煤漿和氧氣的混合物流速超過額定值，會(huì)加快中噴頭的物理磨損速度，降低中噴頭的連續(xù)使用壽命。因此，內(nèi)噴頭和中噴頭的噴口尺寸設(shè)計(jì)和匹配關(guān)系是整個(gè)工藝燒嘴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。外噴頭的氧氣出口流速(包括流出角度)需要達(dá)到對(duì)水煤漿的最終霧化要求，滿足水煤漿在氣化爐內(nèi)的燃燒需求及整體的火焰分布，主要考慮對(duì)氣化爐壁面的火焰沖刷以及爐壁可靠掛渣的設(shè)計(jì)原則，保證氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 工程理論計(jì)算方法

3.1 中噴頭流量計(jì)算

中噴頭提供水煤漿，屬于不可壓縮流，計(jì)算相對(duì)來說比較簡單。相關(guān)流量計(jì)算公式為:

(1)

(2)

(3)

式中：qm2為水煤漿的質(zhì)量流量；C2為中噴頭的流量系數(shù)(和噴嘴的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，必要時(shí)還需要考慮到摩擦阻力的影響);S21為截面21的面積；S22為截面22的面積；ρ2為中噴頭內(nèi)水煤漿的密度；v21、v22分別為截面21、截面22處的水煤漿速度;v2m為匹配點(diǎn)m處的水煤漿速度;p21為截面21的水煤漿壓力;p22為截面22的水煤漿壓力;S2m為匹配點(diǎn)m處的水煤漿流通面積，和m處的中心氧的流通面積S1m互為耦合關(guān)系;p2m為匹配點(diǎn)m處的水煤漿壓力。

3.2 內(nèi)噴頭和外噴頭的流量計(jì)算

內(nèi)外噴頭均為氧氣，屬于可壓縮流體，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜一些，相關(guān)流量的計(jì)算公式為：

(4)

式中：qm為流體質(zhì)量流量；So為噴頭出口面積；ε為考慮可壓縮性的壓縮因子，po為噴頭出口壓力，pi為噴頭入口壓力，Si為噴頭入口面積,γ為氣體的絕熱指數(shù);C為噴頭的流量系數(shù)；ρi為入口流體的密度；Δp為噴頭進(jìn)出口壓差。

3.2.1 內(nèi)噴頭流量計(jì)算

內(nèi)噴頭的氧氣和水煤漿在預(yù)混合腔內(nèi)相遇，二者在此處需要達(dá)到壓力的平衡。

假定截面11處中心氧速度v11，計(jì)算所有進(jìn)口參數(shù)和駐點(diǎn)參數(shù):

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

qm1=ρ11v11S11

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：T10為中心氧滯止溫度；T11為截面11處中心氧溫度；R1為中心氧氣體常數(shù)；v11為截面11處中心氧速度；Ma11為截面11處馬赫數(shù)；p10為中心氧滯止壓力；p11為截面11處中心氧壓力；ρ10為中心氧滯止密度；qm1為中心氧質(zhì)量流量；ρ11為截面11處中心氧密度；S11為截面11的面積；v12為截面12處中心氧速度；p12為截面12處中心氧壓力；ρ12為截面12處中心氧密度；T12為截面12處中心氧溫度；a12為當(dāng)?shù)匾羲?；Ma12為當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)；S12a為截面12處試算出的氣體流通面積。

將S12與S12a比較，然后修正v11重復(fù)計(jì)算。直到|S12-S12a|/S12≤ε。

在預(yù)混合腔內(nèi)給出一匹配點(diǎn)m，由m處直徑dm算出S1m(S1m和S2m共同組成預(yù)混合腔的總面積)處的中心氧壓力，將其與m處的水煤漿壓力p2m比較(即對(duì)應(yīng)于m處的p12和p22)，然后迭代，直到兩者之差小于設(shè)定值。

3.2.2 外噴頭流量計(jì)算

外噴頭的氧氣流量計(jì)算方法和內(nèi)噴頭完全一致，即由上述式(5)～式(16)計(jì)算得出。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算過程

根據(jù)上述的理論計(jì)算方法，針對(duì)圖1所示的氣化爐工藝燒嘴頭部結(jié)構(gòu)，對(duì)有關(guān)的計(jì)算過程進(jìn)行簡單描述。

中心氧由截面11流向截面12，水煤漿由截面12流向截面22，外氧由截面31流向截面32。在截面22處，中心氧和水煤漿進(jìn)行混合，水煤漿屬于不可壓縮流體，中心氧屬于可壓縮流體，兩者流動(dòng)的相互干擾，各自的實(shí)際流通面積(S1m和S2m)需要進(jìn)行匹配才能得出，各自實(shí)際流量取決于實(shí)際流通面積。

4.1 外氧流量計(jì)算

已知外通道流動(dòng)介質(zhì)為氧氣，其氣體絕熱指數(shù)、氣體分子量、截面31處外氧溫度、截面31處外氧壓力、截面32處外氧壓力(爐膛壓力)、截面31的面積、截面32的面積、流量系數(shù)均已知。

首先假定截面31處外氧速度v31，計(jì)算所有進(jìn)口參數(shù)和駐點(diǎn)參數(shù)。

將截面32的面積與截面32的試算面積S32a比較，然后修正v31重復(fù)計(jì)算，直到|S32-S32a|/S32≤σ(σ為預(yù)先設(shè)定的計(jì)算誤差)。

4.2 水煤漿流量計(jì)算

給定水煤漿密度、截面21處水煤漿壓力、截面21的面積、截面22的面積，假定截面12和截面22重合，在此處水煤漿和中心氧進(jìn)行混合，形成一個(gè)匹配的共同壓力(p2m)，同時(shí)滿足兩者的流動(dòng)要求。

4.3 中心氧流量計(jì)算

(1)首先假定v11，計(jì)算所有進(jìn)口參數(shù)和駐點(diǎn)參數(shù)。

(2)將S12與S12a比較，然后修正v11重復(fù)計(jì)算，直到|S12-S12a|/S12≤σ。

在截面12(截面22與之重合)處，首先假設(shè)一個(gè)S1m(中心氧和水煤漿混合后的實(shí)際流通面積，S2m也就可以同時(shí)得出)，計(jì)算得出匹配點(diǎn)m處的中心氧壓力p1m，然后將p1m和p2m比較，迭代計(jì)算，使誤差滿足預(yù)先的設(shè)定值，最終得出中心氧在預(yù)混合腔中的實(shí)際流通面積。當(dāng)然，在得出S1m的過程中，中心氧流量的計(jì)算過程也需要進(jìn)入迭代計(jì)算之中。S1m得出后，S2m也就可以同時(shí)得到。

5 計(jì)算結(jié)果討論

選取一個(gè)典型的氣化爐燒嘴的結(jié)構(gòu)尺寸(見圖2)，燒嘴的實(shí)際工作參數(shù)為：排出壓力6.3 MPa(氣化爐運(yùn)行壓力)，氧氣供應(yīng)壓力8.2 MPa，水煤漿供應(yīng)壓力6.9 MPa，進(jìn)行了有關(guān)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算。

圖2 計(jì)算用氣化爐工藝燒嘴設(shè)計(jì)尺寸

5.1 計(jì)算結(jié)果與分析

中間管水煤漿供應(yīng)壓力對(duì)內(nèi)外管氧流量和水煤漿流量的影響見圖3、圖4。由圖3、圖4可以看出：隨著中間管水煤漿來流壓力的增大(保持氧氣供應(yīng)壓力為設(shè)計(jì)值)，水煤漿質(zhì)量流量增大，外氧的體積流量基本保持不變，而中心氧體積流量減小明顯。這說明水煤漿質(zhì)量流量的增加，對(duì)于外氧的流動(dòng)影響很小，而由于預(yù)混合腔的存在，中心氧的流通面積受到擠壓，流量逐漸減小，甚至可能出現(xiàn)斷流，這在噴嘴的設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中需要引起足夠的重視。

圖3 中間管水煤漿供應(yīng)壓力對(duì)內(nèi)外管氧流量的影響

圖4 中間管水煤漿供應(yīng)壓力對(duì)水煤漿流量的影響

內(nèi)外管氧氣供應(yīng)壓力與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖5，內(nèi)外管氧氣供應(yīng)壓力對(duì)水煤漿流量的影響見圖6。

圖5 內(nèi)外管氧氣供應(yīng)壓力與流量的關(guān)系

圖6 氧氣供應(yīng)壓力對(duì)水煤漿流量的影響

由圖5、圖6可以看出：隨著氧氣的來流壓力增大(保持水煤漿供應(yīng)壓力為設(shè)計(jì)值)，中心氧和外氧的體積流量同時(shí)增大，由于預(yù)混合腔中水煤漿的存在，中心氧體積流量增大的速度明顯小于外氧體積流量的增大速度。同時(shí)由于中心氧體積流量增大對(duì)水煤漿流動(dòng)的擠壓作用，水煤漿的質(zhì)量流量也相應(yīng)有所減小。

氣化爐操作壓力(背壓)對(duì)氧氣流量和水煤漿流量的影響見圖7、圖8。由圖7、圖8可以看出：在水煤漿和氧氣供應(yīng)壓力不變的情況下，隨著背壓的增大，水煤漿、氧氣的流量均減小，由于水煤漿屬于不可壓縮流體，質(zhì)量流量減小得最快，相應(yīng)的中心氧體積流量減小最慢，而外氧體積流量減小居中。

圖7 背壓對(duì)氧氣流量的影響

圖8 背壓對(duì)水煤漿流量的影響

5.2 氣化爐操作條件下考慮真實(shí)氣體的必要性

在以上計(jì)算過程中，將氧氣按照理想氣體進(jìn)行處理。如果按照真實(shí)氣體進(jìn)行計(jì)算，可以采用范德瓦爾斯方程[8],即

(17)

式中：p為氣體的壓力；a與b是與氣體種類有關(guān)的修正常數(shù)，稱為范德瓦爾常數(shù);Vm為氣體的摩爾體積；R為摩爾氣體常數(shù)。

在27 ℃時(shí)，氧氣壓力為0～10 MPa，利用理想氣體和非理想氣體處理氧氣產(chǎn)生的誤差見表1。

表1 27 ℃(300 K)時(shí)氧氣在不同壓力下的理想氣體體積和實(shí)際氣體差別

由表1可見：氧氣壓力為0～10 MPa時(shí)，兩個(gè)狀態(tài)方程給出的結(jié)果誤差不大，在此范圍內(nèi)按照理想氣體進(jìn)行處理，作為工程計(jì)算是可以接受的。

6 結(jié)語

對(duì)于常見的水煤漿氣化爐三通道燒嘴的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)，從基本的流體力學(xué)出發(fā)，進(jìn)行了工程理論的設(shè)計(jì)探討，得出了初步的設(shè)計(jì)方法和操作參數(shù)對(duì)于流動(dòng)的影響趨勢(shì)，對(duì)于該工藝燒嘴的基本設(shè)計(jì)尺寸確定及操作參數(shù)的調(diào)節(jié)具有一定的參考作用。實(shí)際運(yùn)行中，還需要根據(jù)氣化爐的負(fù)荷、氣化爐運(yùn)行壓力及使用煤種的變化，在工藝燒嘴定型的前提下，對(duì)于水煤漿和氧氣的供應(yīng)壓力及流量進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)然，根據(jù)氣化參數(shù)和有效氣體成分的具體要求，對(duì)于中心氧和外氧，采用不同的供應(yīng)壓力也是必要的常見的措施之一。