孔德升，宋兆龍，李 露，杜 泉

(新能鳳凰〔滕州〕能源有限公司 山東滕州 277527)

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水煤漿氣化爐工藝燒嘴霧化性能的影響因素分析

孔德升，宋兆龍，李 露，杜 泉

(新能鳳凰〔滕州〕能源有限公司 山東滕州 277527)

介紹了水煤漿氣化爐工藝燒嘴的霧化特點(diǎn)和霧化性能的判斷方法。通過對(duì)影響工藝燒嘴物化性能的主要因素(介質(zhì)流速、煤漿顆粒濃度、中心氧氣占總氧比例)深入分析后，制定了優(yōu)化和保障霧化性能的方法措施，力求達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高工藝燒嘴霧化性能、延長(zhǎng)工藝燒嘴和耐火磚使用周期的目的。

工藝燒嘴 霧化性能 影響因素 優(yōu)化措施

新能鳳凰(滕州)能源有限公司(以下簡(jiǎn)稱新能鳳凰公司)700 kt/a甲醇裝置采用華東理工大學(xué)和國家水煤漿氣化研究中心共同研發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐(以下簡(jiǎn)稱氣化爐)制取原料氣，預(yù)膜式三通道工藝燒嘴是該氣化爐的核心技術(shù)之一。

4只設(shè)置在同一水平面的預(yù)膜式三通道工藝燒嘴利用高速氧氣(體積分?jǐn)?shù)99.6%以上)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)約65%的水煤漿對(duì)噴進(jìn)入氣化爐，使其霧化并快速燃燒，在加壓非催化條件下進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成以CO和H2為有效成分的粗煤氣作為甲醇合成的原料氣。工藝燒嘴利用對(duì)噴撞擊強(qiáng)化混合和霧化效果以及熱質(zhì)傳遞過程，反應(yīng)過程非常迅速(一般在4～10 s完成)，具有規(guī)模大、有效氣體含量高、碳轉(zhuǎn)化率高、爐膛上下溫差小和耐火磚使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但是，預(yù)膜式工藝燒嘴連續(xù)使用壽命較短，一般只有60 d左右，制約了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 工藝燒嘴霧化特點(diǎn)

進(jìn)入氣化爐工藝燒嘴的氧氣與水煤漿同時(shí)離開工藝燒嘴燃燒，通過內(nèi)、外側(cè)高速氧氣的切割擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)水煤漿的霧化和水煤漿與氧氣的充分混合。與內(nèi)混式噴嘴相比，該工藝燒嘴內(nèi)部沒有預(yù)混腔，大大降低了煤漿通道出口的物料速度，減輕了煤漿通道的磨損，對(duì)延長(zhǎng)噴嘴壽命有利；氧氣壓力損失大大降低，使霧化漿滴直徑(SMD)縮小約10%，其原因是水煤漿膜初始厚度減薄，更易于霧化，水煤漿離開燒嘴后發(fā)生二次震蕩破碎進(jìn)而形成更小的漿滴，具有霧化效果好、碳轉(zhuǎn)化率高和氣化效率高的特點(diǎn)。

4只工藝燒嘴在同一水平面上對(duì)稱布置，來自高壓煤漿泵的煤漿經(jīng)工藝燒嘴被高速的純氧氣流霧化噴入爐膛，形成撞擊流，湍流強(qiáng)度大，強(qiáng)化了質(zhì)量傳遞，混合作用好，并在爐內(nèi)形成射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)六大特征各異的流場(chǎng)區(qū)域，延長(zhǎng)了煤粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，使氣化反應(yīng)更充分、更趨于平衡。

2 影響工藝燒嘴霧化性能的因素

2.1 工藝燒嘴內(nèi)介質(zhì)流速

由工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)可知，水煤漿依靠高速氧氣實(shí)現(xiàn)霧化，因此，介質(zhì)流速對(duì)工藝燒嘴的霧化性能起到?jīng)Q定性作用，其中氧氣流速對(duì)工藝燒嘴霧化性能的影響尤為突出。

工藝燒嘴的環(huán)隙尺寸是根據(jù)滿負(fù)荷工況設(shè)計(jì)的，燒嘴間隙大或生產(chǎn)負(fù)荷低，水煤漿和氧氣流量均較低，就意味著各環(huán)隙物料流速降低，水煤漿得不到有效加速、切割和二次震蕩，漿滴直徑增大，水分蒸發(fā)后得到的煤粒團(tuán)增大，與氧氣反應(yīng)面積減少，碳尚未反應(yīng)完全便被帶出了氣化爐。生產(chǎn)能力不同、負(fù)荷不同，對(duì)工藝燒嘴間隙尺寸的要求也不同，需通過合理設(shè)計(jì)并通過實(shí)際運(yùn)行效果的對(duì)比和優(yōu)化來最終確定，保證達(dá)到在要求負(fù)荷下的氣流速度,以獲得較好的霧化效果。一般要求滿足中心氧的出口流速為150～180 m/s，水煤漿出口流速為2～4 m/s，外氧的出口流速為160～200 m/s[1]。于海龍等[2]以建筑膠水和空氣作為模擬介質(zhì)對(duì)多種燒嘴進(jìn)行霧化試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨系統(tǒng)負(fù)荷的增大，霧滴的平均粒徑增大。這就要求氣化爐盡可能維持在設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，盡量避免在過低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行。華東理工大學(xué)[3]通過冷態(tài)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同負(fù)荷氣量條件下，隨著通過模擬燒嘴水量的增大，霧滴的平均粒徑增大。

2.2 煤漿粒度分布及濃度的影響

合成氣中的有效氣CO+H2來自氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)，屬于加壓氣流床非催化反應(yīng)體系，氣化反應(yīng)主要在煤粒表面進(jìn)行，煤粒越大，比表面積越小，煤粒內(nèi)部氣體分子擴(kuò)散阻力大，越不利于氧氣與煤粒氣化反應(yīng)的進(jìn)行；若粒度過細(xì)，雖然有利于增大煤粒與氧氣的反應(yīng)面積，但從霧化角度而言，煤漿黏度越大，霧化阻力越大，相同的霧化效果時(shí)需要的氧氣流速就越高。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，水煤漿的濃度越高則黏度越大，水煤漿在流動(dòng)時(shí)對(duì)煤漿通道環(huán)隙的磨損就越大。

由于工藝燒嘴水平布置，長(zhǎng)期使用后的燒嘴下部較上部磨損嚴(yán)重，當(dāng)下部磨損至一定程度時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)偏噴現(xiàn)象，導(dǎo)致煤漿霧化不均勻。水煤漿的穩(wěn)定性對(duì)煤漿環(huán)隙的磨損至關(guān)重要，穩(wěn)定性差的水煤漿會(huì)加劇工藝燒嘴下部噴頭的磨損。

2.3 中心氧氣占總氧比例

工藝燒嘴中心氧氣的作用主要是增大水煤漿的動(dòng)能，使水煤漿獲得較大的加速度，然后與高速外環(huán)氧氣流碰撞，從而實(shí)現(xiàn)切割霧化，改善工藝燒嘴噴出流體的流量密度分布。在對(duì)三流道結(jié)構(gòu)工藝燒嘴的物理參數(shù)測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)中心氧流量的增加可使工藝燒嘴噴出流體的流量密度分布趨于均勻，但SMD卻有所增大，且霧炬的表觀張角也有所增大。在實(shí)際操作中，隨著系統(tǒng)負(fù)荷和壓力的改變，其中心氧氣流量占總氧比例都存在一最佳值[4]，體積分?jǐn)?shù)一般為15%～20%，這就要求操作人員應(yīng)根據(jù)爐溫、爐況及出渣中的殘?zhí)己康惹闆r及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以使工藝燒嘴達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

3 工藝運(yùn)行中霧化效果的判斷

3.1 氣化爐局部超溫

工藝燒嘴磨損偏噴或異物堵塞燒嘴間隙時(shí)，會(huì)造成水煤漿與氧氣混合狀況變差、分布不均勻、局部區(qū)域出現(xiàn)過氧現(xiàn)象。部分企業(yè)的氣化爐拱頂出現(xiàn)超溫現(xiàn)象后，經(jīng)停車檢查，均發(fā)現(xiàn)工藝燒嘴存在堵塞問題。

3.2 爐渣判斷

霧化效果良好時(shí)，撈渣機(jī)的渣量適中且渣粒均勻，渣中可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%；霧化效果差時(shí)，撈渣機(jī)的渣量增加且粗渣粒增多，渣粒內(nèi)包裹未反應(yīng)的碳，渣中可燃物含量大幅升高。

3.3 氣體成分變化

霧化效果好時(shí)，氣化爐產(chǎn)氣量大，有效氣成分含量高，CO含量適中，CH4含量適宜；霧化效果差時(shí)，氣化爐產(chǎn)氣量小，有效氣成分、CO2和CO含量高，CH4含量低。

3.4 煤漿通道環(huán)隙磨損的判斷

判斷煤漿通道環(huán)隙磨損程度的參數(shù)是煤漿燒嘴壓差，即工藝燒嘴前煤漿管線壓力與氣化爐燃燒室壓力的差值。由于生產(chǎn)負(fù)荷、系統(tǒng)壓力和高壓煤漿泵打量情況均會(huì)對(duì)煤漿燒嘴壓差產(chǎn)生較大影響，故不能單純根據(jù)煤漿燒嘴壓差的大小來判斷工藝燒嘴運(yùn)行時(shí)的霧化性能，需綜合氧氣燒嘴壓差、煤漿燒嘴壓差和中心氧氣流量自開車以來的整體變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，若三者均降低，則表明工藝燒嘴煤漿通道的環(huán)隙增大。

3.5 工藝燒嘴和燒嘴室磚的燒蝕

工藝燒嘴霧化效果差時(shí)，霧化角增大，氧氣與水煤漿混合不均勻，出現(xiàn)局部過氧，部分未完全反應(yīng)的氧夾雜在回流流股中并與工藝燒嘴端面和燒嘴室向火面磚發(fā)生撞擊，造成工藝燒嘴端面龜裂、燒蝕和耐火磚燒蝕，工藝燒嘴頭部氧化鋁保護(hù)層受到?jīng)_刷，工藝燒嘴冷卻水盤管外露。

4 優(yōu)化、保障工藝燒嘴霧化效果的措施

4.1 工藝燒嘴使用前的驗(yàn)收和檢查

新制造或檢修后的工藝燒嘴必須運(yùn)用卡尺、塞尺等測(cè)量工具仔細(xì)檢查通道內(nèi)是否有異物堵塞、3個(gè)套管是否同心、各環(huán)隙尺寸是否合格[5]；工藝燒嘴投用前，應(yīng)進(jìn)行探傷檢查和霧化試驗(yàn)。霧化試驗(yàn)是利用空氣或氮?dú)獯嫜鯕?，用清水代替水煤漿，在空曠環(huán)境下模擬工藝燒嘴噴射過程，通過目測(cè)的方法即可判斷出工藝燒嘴內(nèi)有無異物堵塞、霧化角度是否合適、霧化是否均勻。

4.2 工藝燒嘴使用后的檢查

工藝燒嘴使用后期，煤漿通道環(huán)隙磨損、端面龜裂嚴(yán)重、霧化效果變差，水煤漿得不到充分混合，會(huì)在氣化爐爐膛內(nèi)出現(xiàn)局部富氧區(qū)；若富氧區(qū)靠近耐火磚則會(huì)造成耐火磚燒蝕，而靠近工藝燒嘴則會(huì)造成工藝燒嘴燒蝕，甚至出現(xiàn)工藝燒嘴燒穿事故。運(yùn)行時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)燒嘴壓差數(shù)據(jù)、灰渣可燃物含量和水煤氣成分等霧化性能數(shù)據(jù)的收集。停車后，應(yīng)做好工藝燒嘴各環(huán)隙尺寸和耐火磚使用情況的檢測(cè)工作，檢查工藝燒嘴各環(huán)隙的磨損情況、端面燒蝕情況、各通道是否同心及耐火磚是否局部燒蝕，找出工藝燒嘴霧化效果變差的節(jié)點(diǎn)，以便確定合理的工藝燒嘴更換周期。

4.3 強(qiáng)化水煤漿質(zhì)量管理

選取可磨指數(shù)大的煤種可減輕煤漿通道的磨損，有利于制取高濃度、細(xì)粒度的優(yōu)質(zhì)煤漿，也有利于提高氣液比、增大煤粒的反應(yīng)表面積。加強(qiáng)一級(jí)滾筒篩和二級(jí)滾筒篩篩網(wǎng)的修補(bǔ)工作，杜絕大顆粒及其他異物混入水煤漿中而堵塞工藝燒嘴煤漿通道環(huán)隙。

4.4 中心氧氣流量的控制

中心氧與外環(huán)氧的比例及工藝流速?zèng)Q定了出工藝燒嘴后水煤漿液滴的密度分布、燃燒火焰的長(zhǎng)短及燒嘴端面的溫度。在實(shí)際操作中，一般要求開車初期控制中心氧氣體積流量占入爐總氧氣體積流量的15%～20%。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，工藝燒嘴的霧化效果呈下降趨勢(shì)，可適當(dāng)增加中心氧氣比例來提高工藝燒嘴的霧化效果。由于硬件原因而導(dǎo)致中心氧氣流量無法調(diào)節(jié)時(shí)，可適當(dāng)降低氣化爐爐膛壓力以增大介質(zhì)流速，在一定范圍內(nèi)改善工藝燒嘴的霧化效果；但是，系統(tǒng)壓力降低幅度不能過大，否則會(huì)造成煤粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間縮短，不利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，應(yīng)結(jié)合水煤氣成分和爐渣情況綜合確定。

4.5 強(qiáng)制性保護(hù)措施

在工藝燒嘴頭部增設(shè)氧化鋁保護(hù)層，用以隔絕工藝燒嘴與高溫水煤氣和熔融灰渣直接接觸，同時(shí)也可避免灰渣進(jìn)入燒嘴室后造成燒嘴抽出困難。投料前和停車后，應(yīng)保證工藝燒嘴冷卻水的正常供應(yīng)量和高壓氮?dú)獾拇祾吡?，防止工藝燒嘴頭部受熱變形、間隙發(fā)生變化而影響工藝燒嘴的霧化效果。

5 結(jié)語

工藝燒嘴的霧化性能與氣化爐的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)相關(guān)，通過對(duì)工藝燒嘴環(huán)隙尺寸的優(yōu)化調(diào)整、使用前的檢查試驗(yàn)、運(yùn)行時(shí)的保護(hù)和工況的穩(wěn)定控制，可有效保持工藝燒嘴良好的霧化效果，同時(shí)也延長(zhǎng)了工藝燒嘴和耐火磚的使用壽命。

[1] 劉孝弟，王岳，李兵科.水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問題的探討[J].化肥工業(yè)，2009(2)：20- 23.

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[4] 王旭賓.德士古煤氣化工藝燒嘴的探討[J].上?；ぃ?000(11)：15- 18.

[5] 王彥海，張克峰，鄒宇.四噴嘴對(duì)置式氣化爐工藝燒嘴使用經(jīng)驗(yàn)[J].化肥工業(yè)，2007(6)：49- 50.

Influencing Factors Analysis of Atomization Property of Process Nozzle of Coal- Water Slurry Gasifier

KONG Desheng, SONG Zhaolong, LI Lu, DU Quan

(Xinneng Fenghuang 〔Tengzhou〕 Energy Source Co., Ltd. Shandong Tengzhou 277527)

The judgment method of atomization characteristics and atomization property of process nozzle of coal-water slurry gasifier are introduced. After an in-depth analysis of main factors influencing the atomization property of process nozzle, such as flow speed of medium, particle concentration of coal-water slurry, ratio of oxygen of in center channel of the nozzle to total oxygen, solutions and measures of optimizing and ensuring atomization property are established, aiming at the goal of optimizing production process, improving atomization property of process nozzle, and prolonging use cycle of process nozzle and firebricks.

process nozzle atomization property influence factor optimization measures

孔德升(1986—)，男，技師，從事煤氣化生產(chǎn)工作；ds519520@163.com。

TQ546.2

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1006- 7779(2016)05- 0034- 03

2014- 10- 16)