1、第36卷第2期 化肥工业 2009年4月水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨刘孝弟。王岳，李兵科(北京航天动力研究所100076)摘要工艺烧嘴损坏是水煤浆气化炉不能长周期运行的主要原因=导致烧嘴损坏因素主要有冷却水盘冒损坏、物理磨蚀、热冲击、化学影响、应力破坏等?提出了改进措施以延长烧嘴的使用寿命。主要包括降低流速、改进材质、优化结构等，关键词水煤浆气化炉烧嘴损坏措施Inquiry Into Problen坞Related To Process Burnerin CoaI-Water SIurry Gasifier“u Xiaodi，W舳g Yue“BingI【e(Beijing Aerospa
2、ce Pmpulsion Institute 100076)Abtract Breakdown of the process bumer is the main cau鸵for the cl-们【er slurry gasifier tobe u舳ble to run for a Iong period，rhe factors which lead t0 the breakdown are principally the breakdown of the c00ling water coil。physical abrasion，the硼al shock，and suess mp【ure Imp
3、roVementme聃ures are propo辩d的to pmlong tIle 8e nrice life of the bumer，including chieny decrease innowmte，impmvement in tIle mterial ud，蚰d op“mi勰tion of the 8tmctu坨1【eywo“k coalwater 8lurry g鹪ifier bumer brkdown meu托sl 水煤浆加压气化炉工艺烧嘴存在的问题I1 工艺烧嘴设计的一般原则(1)结构形式为同心三套管形式。烧嘴中心氧管的出口设计成缩口形式，目的是对中心氧进行加速，同时其端面距
4、烧嘴断面基准面有一定的缩人量，形成一个水煤浆与中心氧的预混合腔。水煤浆的出口管路也设计成缩口形式，使进入预混合腔的水煤浆具备一定的速度。在预混合腔内，利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速改善水煤浆的流变性能，共同的作用就是为了提高水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩口比例更大些，目的是提供更高流速的氧气，使通过预混腔的水煤浆混合物得以良好雾化以便在气化炉内获得良好的气化效果。(2)无论是中心氧还是水煤浆及外氧的流通面积，均需要满足各自介质的流量要求在供应压力允许的情况下力争达到必要的混合和雾化效20果。但中心氧的比例有一定的限制条件，二般为总氧量的5一25(体积分数)其余均作为外氧。中心氧
5、量不能太小，不然达不到对煤浆的稀释和加速作用。中心氧量太大，一方面会使预混合区的混合物流速增加太多，造成中心管出口处的磨损加快，降低烧嘴的连续使用寿命，这一点正是影响烧嘴使用寿命的最主要因素；另一方面使烧嘴出口物料的轴向速度分量增大径向速度分量减小，其结果使整个烧嘴出口的火焰形状变得细长，无法与气化炉的内部型面匹配，造成较大直径的煤粉颗粒在气化炉内的停留时间缩短，炉渣中的含碳量增加引起气化效率降低，而且会使火焰直冲炉底，影响炉底激冷环的工作。 、(3)中心氧的出口流速150一180s煤浆出口流速24s，预混合腔出口平均流速1220 ms外氧的出口流速160200 ms。I2影响烧嘴使用寿命的主
6、要因素水煤浆加压气化技术的一大弱点就是其工艺烧嘴的一次性连续使用寿命软短影响了单台气万方数据第36卷第2期 化肥工业 2009年4月化炉的连续运行时间。因此，一般情况下均有备用炉在线，以便更换和维修工艺烧嘴。根据多年来从事水煤浆气化炉工艺烧嘴的研制经验和工业化运行的生产实际情况，水煤浆气化炉工艺烧嘴的损坏方式主要有3个方面。(J)冷却水盘管的破坏设计冷却水盘管的目的是为了保护烧嘴处于高温工艺气体的本体部分。冷却水盘管处于最苛刻的外部环境中，其破坏形式一般有下面几种。冷区水盘管和外喷头焊接处的热应力破坏。原因是两个零件之间的焊接方式为角焊缝，壁厚差别较大使用材料也不同，又处于烧嘴的端部，在使用过
7、程中容易产生裂纹(主要是热应力的影响)形式的破坏。目前采取的改进方案是将角焊缝处改为同一种材料收到了一定的效果。冷却水盘管内的冷却水温度如果控制不当，会造成盘管表面的低温腐蚀。一般应将冷却水温度控制在170 cc以上较合适。但在实际工艺设计中，冷却水的操作温度一般为50以下，这样就存在盘管表面的低温腐蚀。另外，盘管的材质应选用高温性能稳定的材料，目前可用的材料以IIlc伽e1600为最好。冷却水盘管在弯制过程中，要控制好加热温度和弯制速度，控制管材的变形量和减薄量，保证盘管成型后的整体强度和刚度。在正常运行过程中，由于工艺烧嘴端面处存在较强的气体回流，工艺烧嘴与气化炉内壁之间的空隙处经常会出现
8、积渣，在烧嘴拔出时也会造成盘管的损坏。增加盘管的壁厚等级可以有效减轻这一损坏方式。(2)中喷头的物理磨蚀为了使水煤浆中的煤粉在气化炉中充分气化必须用相应数量的氧气对水煤浆进行有效雾化，且为了达到良好的雾化效果，气体的流速必须达到一定的数值，即预混合腔内的混合物(水煤浆、氧气)流速必须达到一定的数值，但由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，这是造成中喷头内腔磨损的主要原因。为了增加中喷头内腔的抗磨损能力，选用抗磨性能良好的材料成为目前唯一可用的方法，当然还要考虑其抗氧化性能。当前普遍采用的材料是G川88和uMCo-50可以连续工作的时间也只有30一60 d。影响这一周期的因素很多主要有煤种、生产负
9、荷等。据了解有关单位已经研制成功了具有较长寿命的陶瓷材料的中喷头，但还未见公开报道。北京航天动力所在中喷头的内腔表面喷涂抗物理磨蚀的硬质合金，对提高烧嘴的连续使用时间起到了一定的作用，有关试验工作还在继续进行中。预混合腔内的混合物流速不能太小，否则会造成雾化不佳，影响总体碳转化率。流速也不能太大，否则混合物的轴向速度分量太大火焰就会变得细长。甚至直冲炉底影响部分物料的停留时间，进而影响碳转化率。混合物流速达到一定数值后。对雾化液滴尺寸的影响作用也会变得很小。(3)热、化学、应力对外喷头的影响影响水煤浆气化炉工艺烧嘴连续使用寿命的另一种损坏形式是外喷头端面的径向放射性裂纹及不规则龟裂的形成。在烧
10、嘴正常运行一段时间后沿着外喷头孔口的边沿会出现密集的径向放射性裂纹及不规则的龟裂。裂纹的产生原因目前还没有形成权威性的结论。笔者认为其影响因素主要有以下几个方面。-热冲击影响。由于外喷头的端面迎着炉内高温(一般为l 200一I 500)的工艺气体，金属材料在此高温条件下长期工作，并受到高速煤浆、氧及工艺气体回流的不断冲刷，就会使材料在冶炼和锻造过程中的所有缺陷逐渐暴露出来，这样就会形成不规则的龟裂。化学影响。由于外喷头处的氧气浓度较高，金属材料在高温的氧化环境中会发生氧化反应。在高温情况下，金属材料也会发生一定的渗碳效应使金属材料的成分和性能发生变化。另外煤中含有的硫也会使金属表面发生高温硫化
11、腐蚀。应力影响。径向放射性裂纹的源头是外喷头的孔口。这里是该零件机械加工后应力集中的部位，在高温条件下应力的释放是造成放射性裂纹的根源，也是外喷头破坏的最主要因素。工艺烧嘴的出口处存在较高的射流也是高温工艺气体回流速度最高的区域，外喷头的端面受到含有固体煤粉颗粒的高温工艺气体的不断冲刷也是造成破坏的一个因素。气化炉炉拱耐火砖易遭损坏的事实也可证明这一点。2l万方数据第36卷第2期 化肥T业 2009年4月2 提高水煤浆加压气化炉工艺烧嘴寿命的途径21 中喷头(1)在满足流量要求和雾化要求的前提下，应尽量降低预混合腔的出口流速。一般的金属材料在受到含固体颗粒的流体冲刷时，其磨损率与颗粒流速之间的
12、关系见图l。当颗粒流速达到某一数值(临界速度)时，磨损率就会明显增大。尽量使预混合腔出口物料的流速低于材料磨损的临界流速，必然会延长中喷头的使用寿命。粒谴遗图l 材料磨损速率与颗粒流速之间的关系(2)从图l还可以看出：对于不同的材料，其抗磨性能有一定的差异。如：材料D在低速时抗磨性能比材料C差，但其临界速度偏高高速时的抗磨性能明显高于材料C。因此，在预混合腔出口物料流速的最低值确定以后，寻找具有较高临界磨损速度(针对水煤浆)的材料制作中喷头，使其临界磨损速度高于预混合腔出口物料流速，其现实意义十分重大。(3)优化结构尺寸也可以提高中喷头的抗磨性能。材料磨损速率与颗粒冲撞角度之间的关系见图2。囊
13、粒冲掩角度圈2材料磨损速率与颗粒冲撞角度之间的关系从图2可以看出，固体颗粒冲撞角度对材料表面的磨损速；私影响甚大，在某一角度(临界角度)时，磨损速率存在壤大值：在设计中喷头内22型面时，使冲撞角度尽量远离临界角度对减轻材料的磨损速率也会带来益处。(4)改善表面结构性能，如保证表面的光洁度、保证材料内在质量的均匀、在中喷头内孔表面喷涂抗磨材料(硬质合金等)，以改善其抗磨性能。需要注意的是：涂层的厚度具有一定的限制，不然会造成脱落，因此这种改进也是有局限性的。22外喷头解决外喷头存在问题的最直接方法就是有效改变材料的耐高温腐蚀和耐热冲击的性能，同时在外喷头加工完成后有效消除应力。目前普遍认为最好并
14、采用的材料是GHl88和UMCo50但离实际生产中所需的长周期运行要求仍然差距很大。为了解决这一问题，广大科研人员在以下几个方面已经有所考虑和尝试。(1)将外喷头的材料改成多孔陶瓷或多孔金属，使部分氧气通过多孑L介质直接喷入气化炉可保证端面的有效冷却，防止高温带来的所有问题。如果能用多孔陶瓷实施，化学腐蚀和物理磨损也有可能同时得到解决。美国专利(专利号为CNl056916C)提出了实施的原理。但是多孔材料特别是陶瓷的连接方式(保证密封和耐压条件)将会带来新问题，至今尚无实际运行的产品。(2)为外喷头的端面加装防热保护板，保护板的材料选择及连接方式应该是需要解决的主要问题。美国专利(专利号为CN
15、lll0358c)提出按照外喷头的端面形式，用特种材料匹配一种防热保护板，避免了密封条件的限制，但也没有实际使用的报道。(3)利用热喷涂技术将特种耐热、耐腐蚀的合金粉末喷涂到外喷头端面，可以起到良好的防热、防腐作用，大大延长外喷头的使用寿命。通过筛选特种合金粉末的种类和改良热喷涂工艺，相信这种方案能够取得令人满意的效果。目前该工艺方案已经开始实施，工业化运行效果令人满意。23其它途经通过以上分析还可以得出：在保证气化炉总体性能的前提下，如果能够通过其它途经缓解要求T艺烧嘴对水煤浆雾化的程度，就可以降低预混合腔出口的混合物流速必然会降低中喷头的物理磐损速率；如果能够通过其它途径降低烧嘴外喷头端而
16、的温度必然能降低外喷头受热、化万方数据第36卷第2期 化肥工业 2009年4月学、应力破坏的速度。由北京达立科科技有限公司、清华大学、山西丰喜肥业集团共同开发的水煤浆分级气化技术(“非熔渣一熔渣”煤气化技术)，就是从以上两点进行改进的。(I)将工艺烧嘴的氧气流量降至普通气化工艺(也可称之为一级气化)烧嘴氧量的80(体积分数)左右，通过外氧和中心氧的再分配后预混合腔的流速就会出现明显下降(下降幅度约为20)，这样中喷头的物理磨损速率就会下降。这一点可以用冲量公式(忽略摩擦损失和混合损失)粗略估计出来：G。=C+G，吒 (1)式中：Go，G，C、分别为混合物、水煤浆、中心氧气质量流量；，K，K分别
17、为混合物、水煤浆、中心氧气流速。(2)在水煤浆流量保持不变的情况下，由于通过工艺烧嘴的氧气流量下降了20左右，在烧嘴出口处的高温工艺气体回流量也会下降从式(2)可以明显看出这一点：CGo+l=O。32(pt如)影盛 (2)式中：G。，岛分别为回流高温工艺气体流量和工艺烧嘴的总流量；凤回流介质的密度；p0主流介质的密度；妊一离开喷嘴出口的距离；毛喷嘴的出口直径。结果：由于工艺烧嘴的总氧量下降使烧嘴外喷头断面的氧气浓度下降，局部的氧化放热反应减弱；由于工艺烧嘴的总流量减少，会使高温工艺气体回流量减少，烧嘴外喷头端面处的环境气体温度就会下降。清华大学在实验室中测出的温度下降幅度约为200(图3)。这
18、对于工艺烧嘴外喷头的工作环境改善非常重要。实际生产中的下降幅度可能会有所差异，但其结果是烧嘴外喷头端面受到高温而产生的热、化学、应力的影响均会有明显减弱。本应从工艺烧嘴进入气化炉的其余20(体积分数)氧气通过2个二次补氧烧嘴送人气化炉中既满足气化炉的总体氧量要求又利用高速喷人的氧4e对工艺烧嘴喷出的末完成雾化的水煤2釜：沿气化譬厦田图3分级气化(两段式气化)与一级气化(连续气化)的温度场比较浆进行二次雾化不仅解决了工艺烧嘴工作寿命问题，而且气化炉内的温度场也得到了改善。由于氧气的二次加入，相对来说延缓了氧化反应的过程因此要加大炉膛的轴向尺寸来进行弥补。典型情况下炉膛轴向尺寸要加大500 mm左
19、右。根据以上改进方案，北京航天动力研究所研制了相应的水煤浆工艺烧嘴和二次补氧的氧气烧嘴。该工程项目于2007年12月6日通过了中国石油和化学工业协会组织的专家鉴定，研制的两种烧嘴均得到了好评。经山西丰喜肥业集团现场使用，证明气化炉工艺烧嘴的中喷头可持续运行时间超过100 d，外喷头的可持续运行时间超过200 d，氧气烧嘴的可持续运行时间预期可超过5年。在中喷头耐磨材料和外喷头抗化学腐蚀材料喷涂试验完成以后，用于分级气化的工艺烧嘴的连续使用寿命还将延长。华东理工大学的水煤浆四对置烧嘴工艺技术。由于烧嘴流出的物料在炉内实现了二次对冲，所以可以考虑降低单烧嚏的出口流速。这一方面可以减轻中喷头的磨损另
20、一方面对冲流速也会降低可以减轻对气化炉炉顶砖的冲刷，延长炉顶砖的使用寿命。另外，如果将四对置烧嘴改为二对置烧嘴也可以达到对冲的目的，同时达到节约投资和减少控制点的目的。3 结语相对而言，水煤浆加压气化技术具有气化压力高、气化炉结构简单、投资费用低等优点；其缺点之一就是烧嘴使用寿命短，影响气化炉的连续运行周期。对于如何提高烧嘴的使用寿命提出的一系列观点和建议，有些可能不成熟。有些实现起来还需要做许多研究和试验工作特别是中喷头新型耐磨材料的应用、通道型面的优化、中喷头耐磨层的喷涂、外喷头抗高温踌蚀材料的喷涂等均需耍进行艰苦的努力才能有重大突破。(收稿日期20081124)23万方数据水煤浆气化炉工
21、艺烧嘴有关问题的探讨作者： 刘孝弟， 王岳， 李兵科， Liu Xiaodi， Wang Yue， Li Bingke作者单位： 北京航天动力研究所,100076刊名： 化肥工业英文刊名： JOURNAL OF THE CHEMICAL FERTILIZER INDUSTRY年，卷(期)： 2009,36(2)被引用次数： 3次本文读者也读过(10条)1. 苏付伟.孙志萍.马军 壳牌气化炉煤烧嘴异常波动的原因及措施期刊论文-河南化工2010,27(8)2. 唐煜 一种新型工艺烧嘴系统设计期刊论文-化学工程与装备2010(4)3. 邵明才.江传国 德士古工艺烧嘴修复浅谈期刊论文-煤矿现代化201
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