多喷嘴对置式水煤浆气化工艺烧嘴的使用与维护

- -452010年第36期（总第171期）NO.36.2010（CumulativetyNO.171）摘要：多喷嘴对置式水煤浆气化技术的预膜式喷嘴克服了传统煤浆喷嘴易磨损、雾化效果差等缺点，取得了良好的经济效益。

文章对预膜式烧嘴在使用过程中的注意事项进行了阐述，结合已有的文献报道和操作经验，对烧嘴结构、安装以及工艺条件等方面进行了分析。

关键词：多喷嘴对置；工艺烧嘴；水煤浆气化中图分类号：TQ546 文献标识码：A 文章编号：1009-2374 （2010）36-0045-021　气流床水煤浆气化技术简介气流床水煤浆气化技术作为煤的一种洁净高效利用技术，在国内外已得到了广泛的应用。

由华东理工大学和兖矿集团有限公司共同承担的国家“863”项目，建设日处理1150吨煤的多喷嘴对置式水煤浆气化工业示范装置于2005年7月21日投产，至今已推广至15家国内外用户。

神华宁煤集团年产83万吨二甲醚项目一期工程的多喷嘴对置式水煤浆气化装置于2010年3月18日一次投料成功。

该项目建设了三套多喷嘴对置式水煤浆气化装置，单炉设计气化规模2000吨煤/天，气化压力4.0MPa，配套年产甲醇75万吨。

该气化装置也是目前国内在运行的气化规模最大的装置之一。

气流床水煤浆气化过程是一个极度复杂的物理、化学变化耦合的多相过程。

煤浆经泵送至气化炉喷嘴，在烧嘴的作用下，煤浆与氧气流进行动量交换，被雾化为细小的颗粒，雾化后的颗粒吸收热量进行蒸发、干燥、热解、燃烧与气化等过程，最终产生可用于化工合成的有效气体(CO+H 2)。

整个气化过程中，烧嘴起到了极为重要的作用，国内许多研究者一直从事有关烧嘴的试验研究和数值模拟工作。

周夏分析了水煤浆加压气化用三流道内外混工艺烧嘴的结构特点和工作原理等，并对影响工艺烧嘴的火焰长度的因素进行了初步探讨。

屠伟龙等采用数值模拟的方法，对水煤浆气化炉内热态温度场及喷嘴头部温度分布进行了分析，结果表明，采用冷却水旋流流动后，烧嘴头部温度降低，热应力集中的现象得到缓解。

李波等简述了改进后的新型三通道烧嘴在山东兖矿鲁南化肥厂气化装置上的应用情况。

在这些研究的基础上，如何更有利于延长烧嘴使用寿命，提高运行周期，对于工程实际而言显得更为重要。

2　预膜式工艺烧嘴烧嘴的结构形式很多，在气流床水煤浆气化炉中较为常用的是三通道气流式雾化烧嘴。

烧嘴是煤气化技术的核心设备之一，烧嘴性能的好坏、寿命的长短直接影响到整个装置的运行状况。

华东理工大学研制的预膜式喷嘴在多喷嘴对置式水煤浆气化炉中的应用，克服了传统煤浆喷嘴易磨损、雾化效果差等缺点，取得了良好的经济效益。

目前，GE 气化炉烧嘴采用的是三流道预混式气流雾化烧嘴，其头部示意图如图1，中心氧通道与外氧通道端面距离d 约几十毫米，由于中心氧通道和煤浆通道是内混形式，中心氧与煤浆在该腔室内混合，并将煤浆加速，致使金属磨蚀严重，一个生产周期后，烧嘴壁磨得很薄，寿命明显缩短。

图1 GE烧嘴头部示意图图2 预膜式烧嘴头部示意图为改进雾化效果和延长喷嘴使用寿命，提出的三流道预膜式、外混气流雾化喷嘴，如图2，三个通道下端面基本在同一水平面上，中心氧通道与外氧通道端面距离d 仅几个毫米，由于形成了可控煤浆膜厚，比预混式有更好的雾化性能。

同时预膜式烧嘴在氧气通道的射流角度上均做了相应调整，雾多喷嘴对置式水煤浆气化工艺烧嘴的使用与维护丁　磊（神华宁夏煤业集团煤炭化学工业公司生产技术部，宁夏 灵武 750041）化效果明显改善。

实验表明，在相同条件下，其雾化性能优于GE喷嘴，例如GE喷嘴平均粒径95～100μm，预膜式喷嘴平均粒径85～90μm，滴径(SMD)降低了10%。

预膜式结构的烧嘴提高了雾化效果，延长了使用寿命，多个喷嘴在一台气化炉上使用使得该技术更适合大规模生产。

3　烧嘴使用过程中的注意事项3.1　烧嘴尺寸的确定烧嘴进厂后，首先将烧嘴按照正确方式摆放，同时测量烧嘴的环隙等尺寸以及验证同心度，确保尺寸满足工艺包要求。

烧嘴属于易损部件，其许多部件是由堆焊完成的，运输和放置过程中尽量放置在托架上，壁面烧嘴冷却水盘管着地受力，同时将头部封好，避免大颗粒物落入烧嘴环隙。

烧嘴的结构尺寸，主要是氧气流和水煤浆流的夹角、氧气环隙尺寸、煤浆通道与中心氧通道的缩进尺寸都会影响水煤浆的雾化效果和射流张角。

另外，烧嘴的长度也是要核实的一个重要参数，根据现场炉砖的实际安装情况，认真确认烧嘴安装后其端面所处的位置关系到对置烧嘴的间距，影响撞击后火焰上升高度的问题。

实验研究表明，随着烧嘴间距的增大或者气速比的减小，撞击面驻点的偏移量增加。

除了气速比和烧嘴间距外，烧嘴出口的速度分布也是影响撞击面驻点偏移的一个重要因素。

当烧嘴的几个通道不同心时，所形成的射流火焰会明显偏向环隙较窄的方向。

虽然对于多喷嘴对置式结构的火焰特性，单个喷嘴火焰的较小偏移对所形成的火焰形态的对中影响不是很大，但是长期运行，必然会对偏移一侧的耐火砖形成冲蚀和高温辐射。

因此，建议在具备条件的情况下，对安装前的新工艺烧嘴进行冷喷实验，观测喷出的水流是否有明显偏移，已决定是否直接安装使用。

3.2　烧嘴的安装在工厂实际操作过程中，由于烧嘴室的尺寸与烧嘴尺寸互相匹配，因此，若安装时烧嘴不能与烧嘴室水平，造成烧嘴安装时倾斜，烧嘴头部盘管与烧嘴室壁接触，易损坏烧嘴。

采用带液压升降装置、底部有万向调整轮的专用烧嘴推车装置，可以明显改善烧嘴安装质量。

烧嘴安装时间的选择也非常重要，待气化炉烘炉至指定温度后再安装工艺烧嘴，安装时间越短，炉温降低越慢，越有利于一次投料的成功。

安装后长时间不开车或者由于一些原因频繁改变烘炉负荷都会影响烧嘴的使用寿命。

3.3　工艺条件的选择气化炉运行都有一定的操作弹性，一般控制在50%~110%，四个烧嘴的负荷尽量保持一致，操作负荷建议以氧气流量为基准，通过调节氧气流量来稳定烧嘴出口气速，保证雾化效果，通过氧气流量对应相应的氧煤比来控制炉温，操作时应严格遵守工艺包中提供的氧气流量与气化炉压力的对应关系。

在正常操作负荷下，烧嘴雾化效果最佳，工艺烧嘴应能维持相对优化的气化效果。

除气化炉操作条件外，水煤浆自身性质，如煤浆浓度、粘度、不同粒径的颗粒物组成等对烧嘴的雾化和磨损都有不同程度的影响。

水煤浆浓度越高、粘度越大，对设备磨损越严重，高粘度的煤浆其表面张力较大，在雾化时不利于煤浆颗粒的破碎，致使雾化效果变差。

工程中，应对煤浆浓度、粘度等参数的分析数据应及时，尽量保证其稳定性。

4　烧嘴的维护与改进4.1　工艺烧嘴加工与维修质量提高烧嘴使用寿命首先要保证烧嘴的加工质量。

一般情况下，烧嘴到使用后期，由于煤浆的长时间连续磨损会使得煤浆环隙增大，进而导致雾化效果变差，直接反映为碳转化率降低，渣中含碳量升高；烧嘴磨损后还易引起偏流，影响耐火砖的寿命。

因此，提高烧嘴使用寿命的一个直观途径是改善烧嘴的材质，在满足其强度与耐温等性能的基础上，提高其耐磨性能。

目前常用的硬质合金，如UMCo50 和Hayness188等高强度耐磨材料，可以延长烧嘴使用寿命。

除直接改变烧嘴材质外，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。

一般烧嘴在使用3个月后需要需更换喷嘴头部，或在喷嘴头部堆焊耐磨材料。

张贤安等对6.5MPa水煤浆气化烧嘴的组对、焊接、组装、试压等整个修复过程进行了阐述，并从外观、材料、金相、机械性能和射线探伤等方面分析了烧嘴的损坏情况。

在工艺烧嘴维修全过程中需要确认维修、焊接工艺，在材质等方面严格要求，并做好检验(材质、焊接、尺寸等)，以保证烧嘴质量，从而满足工艺要求。

4.2　烧嘴头部的保护现用烧嘴材料需要被保护，避免硫化作用和高温下的腐蚀作用。

除此之外，如果对烧嘴头部盘管部位保护起来，使烧嘴室形成相对密闭空间，可有效防止气化炉内灰渣进入烧嘴室，既减少了烧嘴的腐蚀，又能方便烧嘴的拆卸。

目前最常用的包裹材料是氧化铝空心球浇注料。

使用时根据烧嘴室尺寸制作模具，在烧嘴头部按烧嘴室尺寸整体浇筑一次成型，待风干后便可投入使用。

某厂在使用该方法后，烧嘴寿命有明显改善。

4.3　工艺条件的稳定工艺条件的选择关系到系统的长周期稳定运行，在实际操作中应严格按照工艺包提出的烧嘴尺寸进行加工，并参照提供的负荷与气化炉压力对应关系进行操作；尽量壁面负荷的大范围波动，以及在较短时间内频繁地改变操作参数；避免频繁的开停车，最大限度减少烧嘴在高温的炉膛内受热辐射的时间。

上述合理操作可以进一步增加烧嘴使用寿命。

5　结论工艺烧嘴是水煤浆气化技术的核心设备之一，应用在多喷嘴对置式水煤浆气化技术中的预膜式烧嘴以其耐磨损、雾化效果好等优点受到了广泛的认可。

通过对烧嘴结构、尺寸的深入探讨对提高理论知识和操作经验具有重要意义。

了解烧嘴在安装和使用过程中的注意事项，对烧嘴头部进行保护以及稳定操作条件都可以延长烧嘴使用寿命。

为了实现装置的长周期、安全稳定运行，今后还需要进一步优化操作、总结经验并结合自身特点进行改进，并借鉴他人经验，从工艺、设--462010年第36期（总第171期）NO.36.2010（CumulativetyNO.171）备等多方面分析问题，为装置的顺利达产打下坚实基础。

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