水煤浆烧嘴研究

水煤浆加压气化技术由于高效、洁净，在我国备受关注并大量推广。但水煤浆气化的烧嘴连续使用寿命较短，制约了装置的长周期运行，并影响经济效益。为此，国内科研院所、烧嘴使用单位等开展了大量的工作，从结构、形式、材质等多方面进行改进，期望提高使用寿命。本文作者多年来一直从事于水煤浆气化炉工艺烧嘴的研制工作，作为专题负责人，主持承担了“国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划专题合同：水煤浆气化炉烧嘴研制”，并成功应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司的水煤浆加压气化国产化装置。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（也称之为“非熔渣-熔渣”煤气化技术），其烧嘴也由我们提供。该技术于2007年12月6日通过了中石化协会组织的专家鉴定。本文作者全程参与了该项目的开发，在方案的选取、专利申请、气化炉结构的确定、工艺烧嘴的设计及配置、

二次补氧烧嘴的设计、配置等方面提出了建议，配套提供的专用工艺烧嘴和二次补氧烧嘴，为该工艺技术的工业实施作出了重要的贡献。本文作者就水煤浆气化炉工艺烧嘴研制方面所进行的一些工作和思考进行简单的介绍，同时对烧嘴的改进提供一些个人看法，仅供同行参考。

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工艺烧嘴的设计

目前普遍采用的气化炉工艺烧嘴头部结构如图1所示。烧嘴的设计需要考虑的因素有以下。

图1 水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构

（1）结构形式

为同心三套管。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，同时其端面相对于烧嘴断面基准面有一定的缩入量，这样形成一个水煤浆和中心氧的预混合腔，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，其目的是为了保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩入量更大一些，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进行良好的雾化，以便在气化炉内达到良好的气化效果。

（2）流通通道

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，力争达到良好的混合和雾化

效果。但是，中心氧的比例有一定的限制，一般为总氧量的5%～25%，其余均作为外氧。中心氧量不能太小，不然达不到对煤浆的稀释和加速作用。中心氧量也不能太大，一方面，太大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重，降低烧嘴的连续使用寿命；另一方面，中心氧量增大时，必然使烧嘴出口物料的轴向速度分量增大，径向速度分量减小，其结果是使整个烧嘴出口的火焰变得细长，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停留时间变短，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）流

速

中心氧的出口流速一般为150～180 m/s，煤浆出口流速一般为2～4 m/s，预混合腔出口平均流速一般为12～20 m/s，外氧的出口流速一般为160～200 m/s。

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影响烧嘴使用寿命的主要因素探讨

根据多年来从事水煤浆气化炉工艺烧嘴研制的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种：即冷却水盘管损坏；中喷头物理磨蚀；热、化学、应力使外喷头受损。以下逐一分析。

2.1 冷却水盘管损坏

冷却水盘管的作用是保护烧嘴（处于高温工艺气体的本体部分），冷

却水盘管的外部环境恶劣。损坏方式一般有以下几种。

（1）冷区水盘管和外喷头焊接处热应力损坏。原因是两个零件之间的连接为角焊缝焊接，壁厚差别较大，使用材料也不同，又处于烧嘴的端部，在使用过程中，容易产生裂纹（主要是热应力的影响）形式的损坏。我们采取的改进措施是将角焊缝处改为同一种材料，收到了一定的效果。如图2所示。

图2

改进的冷却水盘管

（2）如果冷却水盘管内的冷却水温度控制不当，会造成盘管表面低温腐蚀，一般将冷却水温度控制在170 ℃以上比较合适，但实际工艺设计中，冷却水的作温度一般在50℃以下，这样盘管表面就存在低温腐蚀。另外，盘管应选用高温性能稳定的材料，目前材料以Inconel600为最好。

（3）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。

（4）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积渣，这些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。

2.2 中喷头的物理磨蚀

物理磨损是水煤浆气化炉工艺烧嘴的致命弱点，也是影响水煤浆气化炉连续运行和整个工艺连续运行的主要因素之一。一般情况下，水煤浆气化炉工艺烧嘴连续运行30～60天，就需要停炉检修和更换，因此，水煤浆气化工艺必须有备用炉，这是造成投资费用、运行费用增加的重要原因之一。

如前文所述，为了使水煤浆中的煤粉在气化炉中充分气化，必须用一定量的氧气对水煤浆进行雾化，图3示出了水煤浆雾化液滴尺寸和雾化气体流量（即气体流速）之间的关系。为了达到良好的雾化效果，气体流速必须达到一定值。也就是说，预混合腔内的混合物（水煤浆、氧气）流速必须达到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，造成中喷头内腔磨损。

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是目前唯一可行的方法，当然还要考虑抗氧化性能。普遍采用的材料是

GH188和UMCo-50，但连续工作的时间也只有30～60天。影响运行周期的因素很多，主要有煤种、生产负荷等。据悉有关单位已经研究成功了具有较长寿命的陶瓷材料中喷头，但还没有公开的报道。我们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

用时间有一定的作用（见图5b），有关试验工作还在继续进行。

预混合腔内的混合物流速不能太小，太小会造成雾化不佳，影响总体碳转化率。流速也不能太大，太大则混合物的轴向速度分量大，火焰就会细长，甚至直冲炉底，影响部分物料的停留时间，以及碳转化率，而且，从图3中也可以看出，混合物流速到达一定值后对雾化液滴尺寸的影响也会变得很小。

图3

水煤浆雾化性能和雾化氧气流量的关系

2.3 热、化学、应力对外喷头的影响

水煤浆气化炉工艺烧嘴另外一种损坏形式，是外喷头端面出现径向放射性裂纹及不规则龟裂。烧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，见图4。