第36卷第2期化肥工業(yè).2009年4月水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問題的探討劉孝弟,王岳,李兵科(北京航天動力研究所100076)摘要工藝燒嘴損壞是水堞漿氣化爐 不能長周期運行的主要原因。導(dǎo)致燒嘴損壞因素主要有冷卻水盤官損壞、物理磨蝕、熱沖擊、化學(xué)影響、應(yīng)力破壞等:提出了改進(jìn)措施以延長燒嘴的使用壽命,主要包括降低流速、改進(jìn)材質(zhì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等,關(guān)鍵詞水煤漿氣化爐 燒嘴損壞措施Inquiry Into Problems Related To Process Burnerin Coal-Water Slurry GasifierLiu Xiaodi, Wang Yue, Li Bingke( Bejing Aerospace Propulsion Insitute 100076)Abstract Breakdown of the process bumer is the main cause for the coal-waler slumy gasifier tobe unable to run for a long period. The factors which lead to the breakdown are principally the break-down of the cooling water coil, physical abrasion, thermnal shock, and stress rupture. Improvementmeasures are proposed so a to prolong the service life of the bumer, including chiefly decrease inflowrate. , improvement in the material used, and optimization of the structure.Keywords coal-water slurry gasifier bumer breakdown measures1水煤漿加壓 氣化爐工藝燒嘴存在的問果。但中心氧的比例有一定的限制條件,一般為總氧量的5% ~25% (體積分?jǐn)?shù)) ,其余均作為外題氧。中心氧量不能太小，不然達(dá)不到對煤漿的稀1.1 工藝燒嘴設(shè)計的一般原則釋和加速作用。中心氧量太大,-方面會使預(yù)混(1)結(jié)構(gòu)形式為同心三套管形式。燒嘴中心合區(qū)的混合物流速增加太多,造成中心管出口處氧管的出口設(shè)計成縮口形式,目的是對中心氧進(jìn)的磨損加快,降低燒嘴的連續(xù)使用壽命,這一點正行加速,同時其端面距燒嘴斷面基準(zhǔn)面有一定的是影響燒嘴使用壽命的最主要因素;另一方面使縮入量,形成一個水煤漿與中心氧的預(yù)混合腔。燒嘴出口物料的軸向速度分量增大.徑向速度分水煤漿的出口管路也設(shè)計成縮口形式,使進(jìn)人預(yù)量減小,其結(jié)果使整個燒嘴出口的火焰形狀變得混合腔的水煤漿具備一定的速度。在預(yù)混合腔細(xì)長,無法與氣化爐的內(nèi)部型面匹配，造成較大直內(nèi),利用中心氧對水煤漿進(jìn)行稀釋和初加速.改善徑的煤粉顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時間縮短.爐渣水煤漿的流變性能,共同的作用就是為了提高水中的含碳量增加,引起氣化效率降低，而且會使火煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮口焰直沖爐底,影響爐底激冷環(huán)的工作。比例更大些，目的是提供更高流速的氧氣,使通過(3)中心氧的出口流速150~ 180 m/s,煤漿預(yù)混腔的水煤漿混合物得以良好霧化.以便在氣.出口流速2 ~4 m/s,預(yù)混合腔出口平均流速12 ~化爐內(nèi)獲得良好的氣化效果。20 r中國煤化工m/sc(2)無論是中心氧還是水煤漿及外氧的流通1.2CH.CNMHC素，面積,均需要滿足各自介質(zhì)的流量要求.在供應(yīng)壓水煤漿加比氣化技術(shù)的-大弱點就是其工藝力允許的情況下,力爭達(dá)到必要的混合和霧化效燒嘴的一次性連續(xù)使用壽命較短.影響了單臺氣20第36卷第2期化肥工業(yè)2009年4月.. 化爐的連續(xù)運行時間。因此,一般情況下均有備有30~60 d。影響這一周期的因素很多,主要有用爐在線,以便更換和維修工藝燒嘴。根據(jù)多年煤種、生產(chǎn)負(fù)荷等。據(jù)了解,有關(guān)單位已經(jīng)研制成來從事水煤漿氣化爐工藝燒嘴的研制經(jīng)驗和工業(yè)功了具有較長壽命的陶瓷材料的中噴頭,但還未化運行的生產(chǎn)實際情況，水煤漿氣化爐工藝燒嘴見公開報道。北京航天動力所在中噴頭的內(nèi)腔表的損壞方式主要有3個方面。面噴涂抗物理磨蝕的硬質(zhì)合金,對提高燒嘴的連(1)冷卻水盤管的破壞續(xù)使用時間起到了一定的作用,有關(guān)試驗工作還設(shè)計冷卻水盤管的目的是為了保護(hù)燒嘴處于在繼續(xù)進(jìn)行中。高溫工藝氣體的本體部分。冷卻水盤管處于最苛預(yù)混合腔內(nèi)的混合物流速不能太小。否則會刻的外部環(huán)境中,其破壞形式- -般有下面幾種。造成霧化不佳,影響總體碳轉(zhuǎn)化率。流速也不能①冷區(qū)水盤管和外噴頭焊接處的熱應(yīng)力破太大，否則混合物的軸向速度分量太大,火焰就會壞。原因是兩個零件之間的焊接方式為角焊縫,變得細(xì)長,甚至直沖爐底,影響部分物料的停留時壁厚差別較大,使用材料也不同,又處于燒嘴的端間,進(jìn)而影響碳轉(zhuǎn)化率?；旌衔锪魉龠_(dá)到一定數(shù)部,在使用過程中容易產(chǎn)生裂紋(主要是熱應(yīng)力值后,對霧化液滴尺寸的影響作用也會變得很小。的影響)形式的破壞。目前采取的改進(jìn)方案是將(3)熱、化學(xué)應(yīng)力對外噴頭的影響角焊縫處改為同- -種材料收到了一定的效果。影響水煤漿氣化爐工藝燒嘴連續(xù)使用壽命的②冷卻水盤管內(nèi)的冷卻水溫度如果控制不另一種損壞形式是外噴頭端面的徑向放射性裂紋當(dāng),會造成盤管表面的低溫腐蝕。-般應(yīng)將冷卻及不規(guī)則龜裂的形成。在燒嘴正常運行一段時間水溫度控制在170心以上較合適。但在實際工藝后,沿著外噴頭孔口的邊沿會出現(xiàn)密集的徑向放設(shè)計中,冷卻水的操作溫度一般為50 C以下,這射性裂紋及不規(guī)則的龜裂。裂紋的產(chǎn)生原因目前樣就存在盤管表面的低溫腐蝕。另外,盤管的材還沒有形成權(quán)威性的結(jié)論,筆者認(rèn)為其影響因素質(zhì)應(yīng)選用高溫性能穩(wěn)定的材料,目前可用的材料主要有以下幾個方面。以Inconel600為最好。①熱沖擊影響。由于外噴頭的端面迎著爐③冷卻水盤管在彎制過程中,要控制好加熱內(nèi)高溫(一般為1 200~1 500 C)的工藝氣體,金溫度和彎制速度,控制管材的變形量和減薄量,保屬材料在此高溫條件下長期工作,并受到高速煤證盤管成型后的整體強度和剛度。漿氧及工藝氣體回流的不斷沖刷,就會使材料在④在正常運行過程中,由于工藝燒嘴端面處冶煉和鍛造過程中的所有缺陷逐漸暴露出來,這存在較強的氣體回流,工藝燒嘴與氣化爐內(nèi)壁之樣就會形成不規(guī)則的龜裂。間的空隙處經(jīng)常會出現(xiàn)積渣,在燒嘴拔出時也會②化學(xué)影響。由于外噴頭處的氧氣濃度較造成盤管的損壞。增加盤管的壁厚等級可以有效高,金屬材料在高溫的氧化環(huán)境中會發(fā)生氧化反減輕這一損壞方式。應(yīng)。在高溫情況下,金屬材料也會發(fā)生一定的滲(2)中噴頭的物理磨蝕碳效應(yīng),使金屬材料的成分和性能發(fā)生變化。另，為了使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣外,煤中含有的硫也會使金屬表面發(fā)生高溫硫化化,必須用相應(yīng)數(shù)量的氧氣對水煤漿進(jìn)行有效霧腐蝕。化,且為了達(dá)到良好的霧化效果,氣體的流速必須③應(yīng)力影響。徑向放射性裂紋的源頭是外達(dá)到一定的數(shù)值,即預(yù)混合腔內(nèi)的混合物(水煤噴頭的孔口。這里是該零件機械加工后應(yīng)力集中漿、氧氣)流速必須達(dá)到一定的數(shù)值,但由于混合的部位,在高溫條件下,應(yīng)力的釋放是造成放射性物中含有大量的煤粉固體顆粒,這是造成中噴頭裂紋的根源,也是外噴頭破壞的最主要因素。內(nèi)腔磨損的主要原因。工藝燒嘴的出口處存在較高的射流,也是高為了增加中噴頭內(nèi)腔的抗磨損能力,選用抗畢,外噴頭的端面磨性能良好的材料成為目前唯一可用的方法,當(dāng)受至刷.H中國煤化工藝氣體的不斷沖然還要考慮其抗氧化性能。當(dāng)前普遍采用的材料CN M H G氣化爐爐拱耐火是CH188和UMCo-50.可以連續(xù)工作的時間也只磚易遭損壞的事實也可證明這一點。21第36卷第2期化肥工業(yè)2009年4月.型面時,使沖撞角度盡量遠(yuǎn)離臨界角度.對減輕材2提高水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴壽命料的磨損速率也會帶來益處。的途徑(4)改善表面結(jié)構(gòu)性能,如保證表面的光潔2.1中噴頭度保證材料內(nèi)在質(zhì)量的均勻、在中噴頭內(nèi)孔表面(1)在滿足流量要求和霧化要求的前提下，噴涂抗磨材料(硬質(zhì)合金等),以改善其抗磨性應(yīng)盡量降低預(yù)混合腔的出口流速。一般的金屬材能。需要注意的是:涂層的厚度具有一-定的限制，料在受到含固體顆粒的流體沖刷時,其磨損率與不然會造成脫落,因此這種改進(jìn)也是有局限性的c顆粒流速之間的關(guān)系見圖1。當(dāng)顆粒流速達(dá)到某2.2外噴頭-數(shù)值(臨界速度)時,磨損率就會明顯增大。盡解決外噴頭存在問題的最直接方法就是有效量使預(yù)混合腔出口物料的流速低于材料磨損的臨改變材料的耐高溫腐蝕和耐熱沖擊的性能,同時界流速,必然會延長中噴頭的使用壽命c在外噴頭加工完成后有效消除應(yīng)力。目前普遍認(rèn)為最好并采用的材料是CHI88和UMCo-50,但離實際生產(chǎn)中所需的長周期運行要求仍然差距很大。為了解決這一問題,廣大科研人員在以下幾個方面已經(jīng)有所考慮和嘗試。Jc(1)將外噴頭的材料改成多孔陶瓷或多孔金屬,使部分氧氣通過多孔介質(zhì)直接噴人氣化爐,可保證端面的有效冷卻,防止高溫帶來的所有問題。顫粒流速如果能用多孔陶瓷實施,化學(xué)腐蝕和物理磨損也圖1材料磨損速率與顆粒流速之間的關(guān)系有可能同時得到解決。美國專利(專利號為(2)從圖1還可以看出:對于不同的材料.其CN1056916C)提出了實施的原理。但是多孔材料抗磨性能有- -定的差異。如:材料D在低速時抗特別是陶瓷的連接方式(保證密封和耐壓條件)磨性能比材料C差,但其臨界速度偏高,高速時將會帶來新問題,至今尚無實際運行的產(chǎn)品。的抗磨性能明顯高于材料C。因此,在預(yù)混合腔(2)為外噴頭的端面加裝防熱保護(hù)板,保護(hù)出口物料流速的最低值確定以后,尋找具有較高板的材料選擇及連接方式應(yīng)該是需要解決的主要臨界磨損速度(針對水煤漿)的材料制作中噴頭,問題。美國專利(專利號為CN1110358C)提出，使其臨界磨損速度高于預(yù)混合腔出口物料流速，按照外噴頭的端面形式,用特種材料匹配- -種防其現(xiàn)實意義十分重大。熱保護(hù)板，避免了密封條件的限制,但也沒有實際(3)優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸也可以提高中噴頭的抗磨使用的報道。性能。材料磨損速率與顆粒沖撞角度之間的關(guān)系(3)利用熱噴涂技術(shù)將特種耐熱、耐腐蝕的見圖2。合金粉末噴涂到外噴頭端面,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,120目|000目篩選特種合金粉末的種類和改良熱噴涂工藝,相信這種方案能夠取得令人滿意的效果。目前該工藝方案已經(jīng)開始實施,工業(yè)化運行效果令人滿意。2.3其 它途經(jīng)通過以上分析還可以得出:在保證氣化爐總順教沖捕危度體性能的前提下,如果能夠通過其它途經(jīng)緩解要圍2材料磨 損速率與顆粒沖撞角度之間的關(guān)系求] |中國煤化工.就可以降低預(yù)從圖2可以看出，固體顆粒沖撞角度對材料會降低中噴頭的MHCNMH E途徑降低燒嘴表面的磨損速率影響甚大.在某一角度(臨界角物理石頂還干，川不比V心從代度)時,麋損速率存在最大值。在設(shè)計中噴頭內(nèi)外噴頭瑞面的溫度必然能降低外噴頭受熱.化22第36卷第2期化肥工業(yè)2009年4月學(xué)、應(yīng)力破壞的速度。200一段式氣化由北京達(dá)立科科技有限公司、清華大學(xué)、山西HI 1000豐喜肥業(yè)集團(tuán)共同開發(fā)的水煤漿分級氣化技術(shù)900101214(“非熔渣-熔渣"煤氣化技術(shù)) ,就是從以上兩點沁氣化窒高度/田進(jìn)行改進(jìn)的。圄3分級氣化(兩段式氣化)與- -級(1)將工藝燒嘴的氧氣流量降至普通氣化工氣化(連續(xù)氣化)的溫度場比較藝(也可稱之為一級氣化)燒嘴氧量的80%(體積漿進(jìn)行二次霧化,不僅解決了工藝燒嘴工作壽命分?jǐn)?shù))左右,通過外氧和中心氧的再分配后.預(yù)混向題.而且氣化爐內(nèi)的溫度場也得到了改善。由合腔的流速就會出現(xiàn)明顯下降(下降幅度約為于氧氣的二次加入,相對來說延緩了氧化反應(yīng)的20%) ,這樣中噴頭的物理磨損速率就會下降。過程,因此要加大爐膛的軸向尺寸來進(jìn)行彌補。這一點可以用沖量公式(忽略摩擦損失和混合損典型情況下,爐膛軸向尺寸要加大500 mm左右。失)粗略估計出來: .根據(jù)以上.改進(jìn)方案.北京航天動力研究所研GoVo=G,V, +C,V,(1)制了相應(yīng)的水煤漿工藝燒嘴和二次補氧的氧氣燒式中:G6,G,,C,-分別為混合物 、水煤漿、嘴。該工程項目于2007年12月6日通過了中國中心氧氣質(zhì)量流量;石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定,研制的兩.Vo.V..V,-分 別為混合物、水煤漿、種燒嘴均得到了好評。中心氧氣流速。經(jīng)山西豐喜肥業(yè)集團(tuán)現(xiàn)場使用，證明氣化爐工(2)在水煤漿流量保持不變的情況下,由于藝燒嘴的中噴頭可持續(xù)運行時間超過100 d,外噴通過工藝燒嘴的氧氣流量下降了20%左右,在燒頭的可持續(xù)運行時間超過200 d,氧氣燒嘴的可持嘴出口處的高溫工藝氣體回流量也會下降,從式續(xù)運行時間預(yù)期可超過5年。在中噴頭耐磨材料(2)可以明顯看出這一點: .和外噴頭抗化學(xué)腐蝕材料噴涂試驗完成以后,用于C./G。+1 =0.32(p./po)X/d。(2)分級氣化的工藝燒嘴的連續(xù)使用壽命還將延長。式中:G.,Co一分別為回流高溫工藝氣體流華東理工大學(xué)的水煤漿四對置燒嘴工藝技量和工藝燒嘴的總流量;術(shù),由于燒嘴流出的物料在爐內(nèi)實現(xiàn)了二次對沖，ρ.- - -回流介 質(zhì)的密度;所以可以考慮降低單燒嘴的出口流速。這一方面po一- -主流介質(zhì)的密度;可以減輕中噴頭的磨損,另一方面對沖流速也會X一-離開噴嘴出口的距離;降低,可以減輕對氣化爐爐頂磚的沖刷,延長爐頂do-- -噴嘴的出口直徑。磚的使用壽命。另外,如果將四對置燒嘴改為二結(jié)果:①由于工藝燒嘴的總氧量下降,使燒對置燒嘴,也可以達(dá)到對沖的目的,同時達(dá)到節(jié)約嘴外噴頭斷面的氧氣濃度下降,局部的氧化放熱投資和減少控制點的目的。反應(yīng)減弱;②由于工藝燒嘴的總流量減少,會使3結(jié)語高溫工藝氣體回流量減少,燒嘴外噴頭端面處的環(huán)境氣體溫度就會下降。清華大學(xué)在實驗室中測相對而言,水煤漿加壓氣化技術(shù)具有氣化壓出的溫度下降幅度約為200 C(圖3)。這對于工力高氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、投資費用低等優(yōu)點;其缺藝燒嘴外噴頭的工作環(huán)境改善非常重要。實際生點之一就是燒嘴使用壽命短,影響氣化爐的連續(xù)產(chǎn)中的下降幅度可能會有所差異,但其結(jié)果是燒運行周期。對于如何提高燒嘴的使用壽命提出的嘴外噴頭端面受到高溫而產(chǎn)生的熱化學(xué)、應(yīng)力的一系列觀點和建議,有些可能不成熟,有些實現(xiàn)起影響均會有明顯減弱。來還需要做許多研究和試驗工作,特別是中噴頭本應(yīng)從工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐的其余20% (體新型耐磨材料的應(yīng)用通道型面的優(yōu)化中噴頭耐積分?jǐn)?shù))氧氣通過2個二次補氧燒嘴送人氣化磨層中國煤化工料的噴涂等,均爐中.既滿足氣化妒的總體氧最要求.又利用高速需要!Y片CN MH G突破c噴入的氧(對工藝燒嘴噴出的未完成霧化的水煤(收稿日期 2008-11-24)23