水煤漿燒嘴研究

1、水煤漿加壓氣化技術(shù)由于高效、潔凈，在我國備受關(guān)注并大量推廣。但水煤漿氣化的燒嘴連續(xù)使用壽命較短，制約了裝置的長周期運(yùn)行，并影響經(jīng)濟(jì)效益。為此，國內(nèi)科研院所、燒嘴使用單位等開展了大量的工作，從結(jié)構(gòu)、形式、材質(zhì)等多方面進(jìn)行改進(jìn)，期望提高使用壽命。本文作者多年來一直從事于水煤漿氣化爐工藝燒嘴的研制工作，作為專題負(fù)責(zé)人，主持承擔(dān)了“國家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目（科技攻關(guān)）計(jì)劃專題合同：水煤漿氣化爐燒嘴研制”，并成功應(yīng)用于山東華魯恒升化工股份有限公司的水煤漿加壓氣化國產(chǎn)化裝置。北京達(dá)立科科技有限公司、清華大學(xué)、山西豐喜肥業(yè)集團(tuán)共同開發(fā)的水煤漿分級(jí)氣化技術(shù)（也稱之為“非熔渣-熔渣”煤氣化技術(shù)），其燒嘴也由我們

2、提供。該技術(shù)于2007年12月6日通過了中石化協(xié)會(huì)組織的專家鑒定。本文作者全程參與了該項(xiàng)目的開發(fā)，在方案的選取、專利申請(qǐng)、氣化爐結(jié)構(gòu)的確定、工藝燒嘴的設(shè)計(jì)及配置、二次補(bǔ)氧燒嘴的設(shè)計(jì)、配置等方面提出了建議，配套提供的專用工藝燒嘴和二次補(bǔ)氧燒嘴，為該工藝技術(shù)的工業(yè)實(shí)施作出了重要的貢獻(xiàn)。本文作者就水煤漿氣化爐工藝燒嘴研制方面所進(jìn)行的一些工作和思考進(jìn)行簡單的介紹，同時(shí)對(duì)燒嘴的改進(jìn)提供一些個(gè)人看法，僅供同行參考。1工藝燒嘴的設(shè)計(jì)目前普遍采用的氣化爐工藝燒嘴頭部結(jié)構(gòu)如圖1所示。燒嘴的設(shè)計(jì)需要考慮的因素有以下。圖1 水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)形式為同心三套管。燒嘴中心氧管的出口設(shè)計(jì)成縮口形式

3、，目的是對(duì)中心氧進(jìn)行加速，同時(shí)其端面相對(duì)于燒嘴斷面基準(zhǔn)面有一定的縮入量，這樣形成一個(gè)水煤漿和中心氧的預(yù)混合腔，水煤漿的出口管路也設(shè)計(jì)成縮口形式，使進(jìn)入預(yù)混合腔的水煤漿具備一定的速度。在預(yù)混合腔內(nèi)，利用中心氧對(duì)水煤漿進(jìn)行稀釋和初加速，改善水煤漿的流變性能，其目的是為了保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮入量更大一些，目的是提供更高流速的氧氣，使通過預(yù)混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)到良好的氣化效果。（2）流通通道無論是中心氧、還是水煤漿及外氧的流通面積，均需要滿足各自介質(zhì)的流量要求。在供應(yīng)壓力允許的情況下，力爭達(dá)到良好的混合和霧化效果。但是，中心氧的比例有一定的限制，

4、一般為總氧量的5%25%，其余均作為外氧。中心氧量不能太小，不然達(dá)不到對(duì)煤漿的稀釋和加速作用。中心氧量也不能太大，一方面，太大會(huì)使預(yù)混合區(qū)的混合物流速增加太多，造成中心管出口處的磨損加重，降低燒嘴的連續(xù)使用壽命；另一方面，中心氧量增大時(shí)，必然使燒嘴出口物料的軸向速度分量增大，徑向速度分量減小，其結(jié)果是使整個(gè)燒嘴出口的火焰變得細(xì)長，無法與氣化爐的內(nèi)部型面匹配，造成較大直徑的煤粉顆粒在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間變短，爐渣中的含碳量增加，引起氣化效率降低，而且，會(huì)使火焰直沖爐底，影響爐底激冷環(huán)的工作。（3）流速中心氧的出口流速一般為150180 m/s，煤漿出口流速一般為24 m/s，預(yù)混合腔出口平均流速一般

5、為1220 m/s，外氧的出口流速一般為160200 m/s。2影響燒嘴使用壽命的主要因素探討根據(jù)多年來從事水煤漿氣化爐工藝燒嘴研制的經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)化運(yùn)行的生產(chǎn)實(shí)際情況，水煤漿氣化爐工藝燒嘴的損壞方式主要有種：即冷卻水盤管損壞；中噴頭物理磨蝕；熱、化學(xué)、應(yīng)力使外噴頭受損。以下逐一分析。2.1 冷卻水盤管損壞冷卻水盤管的作用是保護(hù)燒嘴（處于高溫工藝氣體的本體部分），冷卻水盤管的外部環(huán)境惡劣。損壞方式一般有以下幾種。（1）冷區(qū)水盤管和外噴頭焊接處熱應(yīng)力損壞。原因是兩個(gè)零件之間的連接為角焊縫焊接，壁厚差別較大，使用材料也不同，又處于燒嘴的端部，在使用過程中，容易產(chǎn)生裂紋（主要是熱應(yīng)力的影響）形式的損壞。

6、我們采取的改進(jìn)措施是將角焊縫處改為同一種材料，收到了一定的效果。如圖2所示。圖2改進(jìn)的冷卻水盤管（2）如果冷卻水盤管內(nèi)的冷卻水溫度控制不當(dāng)，會(huì)造成盤管表面低溫腐蝕，一般將冷卻水溫度控制在170 以上比較合適，但實(shí)際工藝設(shè)計(jì)中，冷卻水的作溫度一般在50以下，這樣盤管表面就存在低溫腐蝕。另外，盤管應(yīng)選用高溫性能穩(wěn)定的材料，目前材料以Inconel600為最好。（3）冷卻水盤管在彎制過程中，要控制好加熱溫度和彎制速度，控制管材的變形量和減薄量，保證盤管成型后的整體強(qiáng)度和剛度。（4）在正常運(yùn)行過程中，由于工藝燒嘴端面處存在較強(qiáng)的氣體回流，工藝燒嘴與氣化爐內(nèi)壁之間的空隙處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)積渣，這些積渣在燒嘴拔

7、出時(shí)也會(huì)造成盤管的損壞，增加盤管的壁厚等級(jí)可以有效減輕這一損壞。2.2 中噴頭的物理磨蝕物理磨損是水煤漿氣化爐工藝燒嘴的致命弱點(diǎn)，也是影響水煤漿氣化爐連續(xù)運(yùn)行和整個(gè)工藝連續(xù)運(yùn)行的主要因素之一。一般情況下，水煤漿氣化爐工藝燒嘴連續(xù)運(yùn)行3060天，就需要停爐檢修和更換，因此，水煤漿氣化工藝必須有備用爐，這是造成投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用增加的重要原因之一。如前文所述，為了使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣化，必須用一定量的氧氣對(duì)水煤漿進(jìn)行霧化，圖3示出了水煤漿霧化液滴尺寸和霧化氣體流量（即氣體流速）之間的關(guān)系。為了達(dá)到良好的霧化效果，氣體流速必須達(dá)到一定值。也就是說，預(yù)混合腔內(nèi)的混合物（水煤漿、氧氣）流速必

8、須達(dá)到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固體顆粒，造成中噴頭內(nèi)腔磨損。為了增加中噴頭內(nèi)腔的抗磨損能力，選用抗磨性能良好的材料是目前唯一可行的方法，當(dāng)然還要考慮抗氧化性能。普遍采用的材料是GH188和UMCo-50，但連續(xù)工作的時(shí)間也只有3060天。影響運(yùn)行周期的因素很多，主要有煤種、生產(chǎn)負(fù)荷等。據(jù)悉有關(guān)單位已經(jīng)研究成功了具有較長壽命的陶瓷材料中噴頭，但還沒有公開的報(bào)道。我們?cè)谥袊婎^的內(nèi)腔表面噴涂抗物理磨蝕的硬質(zhì)合金，對(duì)提高燒嘴的連續(xù)使用時(shí)間有一定的作用（見圖5b），有關(guān)試驗(yàn)工作還在繼續(xù)進(jìn)行。預(yù)混合腔內(nèi)的混合物流速不能太小，太小會(huì)造成霧化不佳，影響總體碳轉(zhuǎn)化率。流速也不能太大，太大則混合物的軸向

9、速度分量大，火焰就會(huì)細(xì)長，甚至直沖爐底，影響部分物料的停留時(shí)間，以及碳轉(zhuǎn)化率，而且，從圖3中也可以看出，混合物流速到達(dá)一定值后對(duì)霧化液滴尺寸的影響也會(huì)變得很小。圖3水煤漿霧化性能和霧化氧氣流量的關(guān)系2.3 熱、化學(xué)、應(yīng)力對(duì)外噴頭的影響水煤漿氣化爐工藝燒嘴另外一種損壞形式，是外噴頭端面出現(xiàn)徑向放射性裂紋及不規(guī)則龜裂。燒嘴正常運(yùn)行一段時(shí)間后，沿著外噴頭孔口的邊沿會(huì)出現(xiàn)密集的徑向放射性裂紋及不規(guī)則的龜裂，見圖4。裂紋產(chǎn)生的原因?qū)τ诹鸭y產(chǎn)生的原因，目前還沒有權(quán)威性的結(jié)論，作者認(rèn)為，其影響因素主要有以下幾個(gè)方面。圖4外噴頭典型的損壞形式（1）熱沖擊影響。由于外噴頭的端面向著爐內(nèi)高溫工藝氣體，一般為120

10、01500 ，金屬材料在這樣的高溫條件下長期工作，并受到高速煤漿、氧及回流的工藝氣體沖刷，冶煉和鍛造過程中的所有缺陷都會(huì)逐漸暴露出來，這樣就會(huì)形成不規(guī)則龜裂。（2）化學(xué)影響。由于外噴頭處的氧氣濃度較高，金屬材料在高溫的氧化環(huán)境中，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。高溫情況下，金屬材料也會(huì)發(fā)生一定的滲碳，使金屬材料的成分和性能發(fā)生變化。另外，煤中的硫，也會(huì)使金屬表面發(fā)生高溫硫化腐蝕。（3）應(yīng)力影響。徑向放射性裂紋的源頭是外噴頭的孔口，這是零件機(jī)械加工后的應(yīng)力集中部位，在高溫條件下，應(yīng)力釋放是形成放射性裂紋的根源，也是外噴頭損壞的最主要因素。工藝燒嘴的出口處存在較高的射流，此處也是高溫工藝氣體回流速度最高的區(qū)域，外

11、噴頭的端面受到含有固體煤粉顆粒的高溫工藝氣體沖刷，這也是造成損壞的一個(gè)因素，從氣化爐爐拱耐火磚易遭損壞的事實(shí)也可證明這一點(diǎn)。3提高工藝燒嘴壽命的途徑探討如前文所述，影響水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用壽命的因素主要有兩方面，即中噴頭的物理磨損和外噴頭因熱、化學(xué)、應(yīng)力損壞。下面作者提出一些觀點(diǎn)和想法，供同行專家和技術(shù)人員參考。3.1中噴頭的物理磨損問題我們可以從以下幾個(gè)方面著手改進(jìn)，以提高使用壽命。（1）在滿足流量和霧化要求的前提下，盡量降低預(yù)混合腔的出口流速。一般的金屬材料，在受到含固體顆粒的流體沖刷時(shí)，磨損率和流體流動(dòng)速度之間的關(guān)系如圖5?？梢钥闯?，當(dāng)流體流動(dòng)速度達(dá)到某一數(shù)值（可以稱之為臨界速度）時(shí)

12、，磨損率就會(huì)有明顯增大，若使預(yù)混合腔出口的流速低于材料磨損的臨界流速，就可以延長中噴頭的使用壽命。（2）從圖5還可以看出，不同的材料，抗磨性能有一定的差異。盡管材料D在低速時(shí)抗磨性能比材料C差，但其臨界速度較高，高速時(shí)的抗磨性能明顯高于材料C，因此，在預(yù)混合腔出口流速的最低值確定以后，尋找具有較高臨界磨損速度（當(dāng)然是針對(duì)水煤漿）的材料制作中噴頭，使其臨界磨損速度高于預(yù)混合腔出口流速，其現(xiàn)實(shí)意義十分重大。圖5材料磨損速率和顆粒流速之間的關(guān)系（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，也可以提高中噴頭的抗磨性能。圖6為固體顆粒沖撞角度與磨損速率之間的關(guān)系?？梢钥闯?，固體顆粒沖撞角度對(duì)材料表面的磨損速率影響甚大，磨損速率在

13、某一角度（可以稱之為臨界角度）時(shí)最大。設(shè)計(jì)中噴頭內(nèi)型面時(shí)，盡量使沖撞角度遠(yuǎn)離臨界角度，也能減輕材料的磨損。圖6 材料磨損速率和顆粒沖撞角度之間的關(guān)系（4）改善表面結(jié)構(gòu)性能。首先，要保證材料表面的光潔度；其次，要保證材料的內(nèi)在質(zhì)量均勻；還有一點(diǎn)很重要，就是在中噴頭內(nèi)孔的表面噴涂抗磨材料（例如硬質(zhì)合金等），改善抗磨性能。圖7b所示的中噴頭就是噴涂過硬質(zhì)合金的產(chǎn)品，可以看出具有比較明顯的效果。需要注意的是，涂層的厚度有一定的限制，太厚可能會(huì)脫落。因此，這種改進(jìn)也是有局限的。3.2外噴頭的延壽措施解決外噴頭問題的最直接方法，就是改變材料的耐高溫腐蝕和耐熱沖擊性能，同時(shí)在外噴頭加工完成后作消除應(yīng)力處理。

14、目前公認(rèn)最好的材料是GH188和UMCo-50，但即便是用這兩種材料制作的噴頭，運(yùn)行周期離生產(chǎn)要求的也很遠(yuǎn)。為了解決這一問題，廣大科研人員在以下幾個(gè)方面有所考慮和嘗試。（1）改外噴頭的材料為多孔陶瓷或多孔金屬，將部分氧氣通過多孔介質(zhì)直接噴入氣化爐，這樣可以保證端面的有效冷卻，防止高溫帶來的所有問題。如果能用多孔陶瓷，化學(xué)腐蝕和物理磨損問題也有可能同時(shí)解決。美國專利（專利號(hào)CN1056916C）中提出了實(shí)施的原理，但是，多孔材料（特別是陶瓷）如何保證密封和耐壓將是新的問題。直至目前，還沒有看到實(shí)際運(yùn)行的產(chǎn)品。（2）在外噴頭的端面加裝防熱保護(hù)板，保護(hù)板的材料選擇及聯(lián)結(jié)則是需要解決的主要問題。美國專

15、利（專利號(hào)CN1110358C）提出，按照外噴頭的端面形式，用特種材料適配一種防熱保護(hù)板，避開密封條件的限制，但也沒有實(shí)際使用的報(bào)道。（3）利用熱噴涂技術(shù)將特種耐熱、耐腐蝕的合金粉末噴涂到外噴頭的端面，可以起到良好的防熱、防腐作用，大大延長外噴頭的使用壽命。通過選擇特種合金粉末和改良熱噴涂工藝，相信這種方式能夠取得令人滿意的效果。目前，這種方法我們已經(jīng)開始實(shí)施，工業(yè)化運(yùn)行效果令人滿意。如圖7a、7b所示，外噴頭經(jīng)過熱噴涂后，性能得到了非常明顯的改善。圖7a燒嘴正常使用一個(gè)周期后圖7b熱噴涂后燒嘴使用一個(gè)周期后3.3其他途經(jīng)通過以上分析，得出結(jié)論是，導(dǎo)致水煤漿氣化爐工藝燒嘴壽命短的外部原因，一是

16、含有固體顆粒的水煤漿對(duì)中噴頭的物理磨損；二是高溫工藝氣體對(duì)外噴頭的熱、化學(xué)、應(yīng)力損壞。關(guān)于中噴頭的物理磨損前文已經(jīng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的討論，雖然對(duì)外噴頭在高溫氣體環(huán)境下的化學(xué)腐蝕機(jī)理還沒有定論，但是，降低外噴頭端面的氣體溫度和氧氣濃度以及工藝氣體回流速度，肯定會(huì)減小外噴頭因受熱、化學(xué)、應(yīng)力損壞的速度和強(qiáng)度。在保證氣化爐總體性能的前提下，如果能夠通過其他途徑緩解工藝燒嘴對(duì)水煤漿霧化程度的要求，就可以降低預(yù)混合腔出口混合物的流速，這樣必然會(huì)降低中噴頭的物理磨損速率。如果能夠通過其他途徑降低燒嘴外噴頭端面的溫度，也能降低外噴頭受熱、化學(xué)、應(yīng)力損壞的速度。3.4燒嘴改進(jìn)示例由北京達(dá)立科科技有限公司、清華大

17、學(xué)、山西豐喜肥業(yè)集團(tuán)共同開發(fā)的水煤漿分級(jí)氣化技術(shù)（也稱為“非熔渣-熔渣”煤氣化技術(shù)，氣化爐的進(jìn)料方式見圖8），就是從以上兩方面進(jìn)行改進(jìn)的。圖8 水煤漿分級(jí)氣化技術(shù)氣化爐進(jìn)料方式（1）將工藝燒嘴的氧氣流量降到普通氣化工藝（也可稱之為一級(jí)氣化）燒嘴氧量的80%左右。氧氣按外氧和中心氧再分配后，預(yù)混合腔的流速明顯下降，下降幅度為20%左右，這樣中噴頭的物理磨損速率就會(huì)下降。下降量可以用下面的沖量公式（忽略摩擦損失和混合損失）粗略估計(jì)出來。G0V0GsVsGyVy其中，G0、Gs、Gy 分別為混合物、水煤漿、中心氧氣質(zhì)量流量；V0、Vs、Vy<, /SUB>分別為混合物、水煤漿、中心氧氣流

18、速。（2）在水煤漿流量保持不變的情況下，由于通過工藝燒嘴的氧氣流量下降了20%左右，燒嘴出口處高溫工藝氣體的回流量也會(huì)下降，下降量計(jì)算如下。Ge/G010.32(e/0)X/d0其中，Ge、G0分別為回流高溫工藝氣體流量和工藝燒嘴的總流量?？偟慕Y(jié)果是，一方面，通過工藝燒嘴的總氧量下降，使燒嘴外噴頭斷面的氧氣濃度下降，局部的氧化放熱反應(yīng)減弱；另一方面，由于工藝燒嘴的總流量降低，高溫工藝氣體回流量減少，相應(yīng)燒嘴外噴頭端面處的氣體溫度下降。清華大學(xué)在試驗(yàn)室中測出的溫度下降值大約為200 （見圖9），這對(duì)改善工藝燒嘴外噴頭的工作環(huán)境非常重要，實(shí)際生產(chǎn)中的下降幅度與試驗(yàn)值可能有所差異，但燒嘴外噴頭端面受

19、高溫而產(chǎn)生的熱、化學(xué)、應(yīng)力的影響均會(huì)明顯減弱。圖9 分級(jí)氣化（兩段式氣化）與一級(jí)氣化（連續(xù)氣化）的溫度場比較其余20%本應(yīng)從工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐的氧氣，通過圖8所示的兩個(gè)二次補(bǔ)氧燒嘴送入氣化爐中，一方面滿足氣化爐的總氧量要求，同時(shí)利用高速噴入的氧氣，對(duì)工藝燒嘴噴出的未霧化水煤漿進(jìn)行二次霧化。除了解決工藝燒嘴的工作壽命問題以外，氣化爐內(nèi)的溫度場也得到了改善。由于氧氣的二次加入，相對(duì)來說延緩了氧化反應(yīng)的進(jìn)程，因此要加大爐膛的軸向尺寸來彌補(bǔ)，典型情況下，爐膛軸向尺寸要加長0.5 m左右。受以上三方的委托，根據(jù)以上改進(jìn)方案的要求，我們研制了水煤漿工藝燒嘴和二次補(bǔ)氧的氧氣燒嘴。該項(xiàng)目于2007年12月6日通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，我們研制的兩種燒嘴均得到了較高的評(píng)價(jià)。山西豐喜肥業(yè)集團(tuán)現(xiàn)場使用表明，氣化爐工藝燒嘴的中噴頭可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過100天，外噴頭可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過200天，氧氣燒嘴的可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間預(yù)期超過5年。在中噴頭耐磨材料和外噴頭抗化學(xué)腐蝕材料噴涂試驗(yàn)完成以后，再制作分級(jí)氣化的工藝燒嘴，其連續(xù)使用壽命還將更長。華東理工大學(xué)的水煤漿四對(duì)沖燒嘴工藝技術(shù)，存在氣化爐頂部耐火磚磨蝕較快和爐頂超溫的問題3。由于燒嘴流出的物料在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)了二次對(duì)沖，可