水煤浆气化炉工艺烧嘴雾化性能的影响因素分析

孔德升，宋兆龙，李 露，杜 泉

(新能凤凰〔滕州〕能源有限公司 山东滕州 277527)



水煤浆气化炉工艺烧嘴雾化性能的影响因素分析

孔德升，宋兆龙，李 露，杜 泉

(新能凤凰〔滕州〕能源有限公司 山东滕州 277527)

介绍了水煤浆气化炉工艺烧嘴的雾化特点和雾化性能的判断方法。通过对影响工艺烧嘴物化性能的主要因素(介质流速、煤浆颗粒浓度、中心氧气占总氧比例)深入分析后，制定了优化和保障雾化性能的方法措施，力求达到优化生产工艺、提高工艺烧嘴雾化性能、延长工艺烧嘴和耐火砖使用周期的目的。

工艺烧嘴 雾化性能 影响因素 优化措施

新能凤凰(滕州)能源有限公司(以下简称新能凤凰公司)700 kt/a甲醇装置采用华东理工大学和国家水煤浆气化研究中心共同研发的多喷嘴对置式水煤浆气化炉(以下简称气化炉)制取原料气，预膜式三通道工艺烧嘴是该气化炉的核心技术之一。

4只设置在同一水平面的预膜式三通道工艺烧嘴利用高速氧气(体积分数99.6%以上)将质量分数约65%的水煤浆对喷进入气化炉，使其雾化并快速燃烧，在加压非催化条件下进行部分氧化反应，生成以CO和H2为有效成分的粗煤气作为甲醇合成的原料气。工艺烧嘴利用对喷撞击强化混合和雾化效果以及热质传递过程，反应过程非常迅速(一般在4～10 s完成)，具有规模大、有效气体含量高、碳转化率高、炉膛上下温差小和耐火砖使用寿命长等优点；但是，预膜式工艺烧嘴连续使用寿命较短，一般只有60 d左右，制约了装置的长周期运行。

1 工艺烧嘴雾化特点

进入气化炉工艺烧嘴的氧气与水煤浆同时离开工艺烧嘴燃烧，通过内、外侧高速氧气的切割扰动实现水煤浆的雾化和水煤浆与氧气的充分混合。与内混式喷嘴相比，该工艺烧嘴内部没有预混腔，大大降低了煤浆通道出口的物料速度，减轻了煤浆通道的磨损，对延长喷嘴寿命有利；氧气压力损失大大降低，使雾化浆滴直径(SMD)缩小约10%，其原因是水煤浆膜初始厚度减薄，更易于雾化，水煤浆离开烧嘴后发生二次震荡破碎进而形成更小的浆滴，具有雾化效果好、碳转化率高和气化效率高的特点。

4只工艺烧嘴在同一水平面上对称布置，来自高压煤浆泵的煤浆经工艺烧嘴被高速的纯氧气流雾化喷入炉膛，形成撞击流，湍流强度大，强化了质量传递，混合作用好，并在炉内形成射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区六大特征各异的流场区域，延长了煤粒在炉膛内的停留时间，使气化反应更充分、更趋于平衡。

2 影响工艺烧嘴雾化性能的因素

2.1 工艺烧嘴内介质流速

由工艺烧嘴的结构可知，水煤浆依靠高速氧气实现雾化，因此，介质流速对工艺烧嘴的雾化性能起到决定性作用，其中氧气流速对工艺烧嘴雾化性能的影响尤为突出。

工艺烧嘴的环隙尺寸是根据满负荷工况设计的，烧嘴间隙大或生产负荷低，水煤浆和氧气流量均较低，就意味着各环隙物料流速降低，水煤浆得不到有效加速、切割和二次震荡，浆滴直径增大，水分蒸发后得到的煤粒团增大，与氧气反应面积减少，碳尚未反应完全便被带出了气化炉。生产能力不同、负荷不同，对工艺烧嘴间隙尺寸的要求也不同，需通过合理设计并通过实际运行效果的对比和优化来最终确定，保证达到在要求负荷下的气流速度,以获得较好的雾化效果。一般要求满足中心氧的出口流速为150～180 m/s，水煤浆出口流速为2～4 m/s，外氧的出口流速为160～200 m/s[1]。于海龙等[2]以建筑胶水和空气作为模拟介质对多种烧嘴进行雾化试验研究，结果表明，随系统负荷的增大，雾滴的平均粒径增大。这就要求气化炉尽可能维持在设计负荷下运行，尽量避免在过低负荷下长期运行。华东理工大学[3]通过冷态模拟试验发现，在不同负荷气量条件下，随着通过模拟烧嘴水量的增大，雾滴的平均粒径增大。

2.2 煤浆粒度分布及浓度的影响

合成气中的有效气CO+H2来自气化炉内的气化反应，属于加压气流床非催化反应体系，气化反应主要在煤粒表面进行，煤粒越大，比表面积越小，煤粒内部气体分子扩散阻力大，越不利于氧气与煤粒气化反应的进行；若粒度过细，虽然有利于增大煤粒与氧气的反应面积，但从雾化角度而言，煤浆黏度越大，雾化阻力越大，相同的雾化效果时需要的氧气流速就越高。运行数据表明，水煤浆的浓度越高则黏度越大，水煤浆在流动时对煤浆通道环隙的磨损就越大。

由于工艺烧嘴水平布置，长期使用后的烧嘴下部较上部磨损严重，当下部磨损至一定程度时，便会出现偏喷现象，导致煤浆雾化不均匀。水煤浆的稳定性对煤浆环隙的磨损至关重要，稳定性差的水煤浆会加剧工艺烧嘴下部喷头的磨损。

2.3 中心氧气占总氧比例

工艺烧嘴中心氧气的作用主要是增大水煤浆的动能，使水煤浆获得较大的加速度，然后与高速外环氧气流碰撞，从而实现切割雾化，改善工艺烧嘴喷出流体的流量密度分布。在对三流道结构工艺烧嘴的物理参数测定中，发现中心氧流量的增加可使工艺烧嘴喷出流体的流量密度分布趋于均匀，但SMD却有所增大，且雾炬的表观张角也有所增大。在实际操作中，随着系统负荷和压力的改变，其中心氧气流量占总氧比例都存在一最佳值[4]，体积分数一般为15%～20%，这就要求操作人员应根据炉温、炉况及出渣中的残碳含量等情况及时进行调整，以使工艺烧嘴达到最佳的工作状态。

3 工艺运行中雾化效果的判断

3.1 气化炉局部超温

工艺烧嘴磨损偏喷或异物堵塞烧嘴间隙时，会造成水煤浆与氧气混合状况变差、分布不均匀、局部区域出现过氧现象。部分企业的气化炉拱顶出现超温现象后，经停车检查，均发现工艺烧嘴存在堵塞问题。

3.2 炉渣判断

雾化效果良好时，捞渣机的渣量适中且渣粒均匀，渣中可燃物质量分数<5%；雾化效果差时，捞渣机的渣量增加且粗渣粒增多，渣粒内包裹未反应的碳，渣中可燃物含量大幅升高。

3.3 气体成分变化

雾化效果好时，气化炉产气量大，有效气成分含量高，CO含量适中，CH4含量适宜；雾化效果差时，气化炉产气量小，有效气成分、CO2和CO含量高，CH4含量低。

3.4 煤浆通道环隙磨损的判断

判断煤浆通道环隙磨损程度的参数是煤浆烧嘴压差，即工艺烧嘴前煤浆管线压力与气化炉燃烧室压力的差值。由于生产负荷、系统压力和高压煤浆泵打量情况均会对煤浆烧嘴压差产生较大影响，故不能单纯根据煤浆烧嘴压差的大小来判断工艺烧嘴运行时的雾化性能，需综合氧气烧嘴压差、煤浆烧嘴压差和中心氧气流量自开车以来的整体变化趋势进行分析，若三者均降低，则表明工艺烧嘴煤浆通道的环隙增大。

3.5 工艺烧嘴和烧嘴室砖的烧蚀

工艺烧嘴雾化效果差时，雾化角增大，氧气与水煤浆混合不均匀，出现局部过氧，部分未完全反应的氧夹杂在回流流股中并与工艺烧嘴端面和烧嘴室向火面砖发生撞击，造成工艺烧嘴端面龟裂、烧蚀和耐火砖烧蚀，工艺烧嘴头部氧化铝保护层受到冲刷，工艺烧嘴冷却水盘管外露。

4 优化、保障工艺烧嘴雾化效果的措施

4.1 工艺烧嘴使用前的验收和检查

新制造或检修后的工艺烧嘴必须运用卡尺、塞尺等测量工具仔细检查通道内是否有异物堵塞、3个套管是否同心、各环隙尺寸是否合格[5]；工艺烧嘴投用前，应进行探伤检查和雾化试验。雾化试验是利用空气或氮气代替氧气，用清水代替水煤浆，在空旷环境下模拟工艺烧嘴喷射过程，通过目测的方法即可判断出工艺烧嘴内有无异物堵塞、雾化角度是否合适、雾化是否均匀。

4.2 工艺烧嘴使用后的检查

工艺烧嘴使用后期，煤浆通道环隙磨损、端面龟裂严重、雾化效果变差，水煤浆得不到充分混合，会在气化炉炉膛内出现局部富氧区；若富氧区靠近耐火砖则会造成耐火砖烧蚀，而靠近工艺烧嘴则会造成工艺烧嘴烧蚀，甚至出现工艺烧嘴烧穿事故。运行时，应加强对烧嘴压差数据、灰渣可燃物含量和水煤气成分等雾化性能数据的收集。停车后，应做好工艺烧嘴各环隙尺寸和耐火砖使用情况的检测工作，检查工艺烧嘴各环隙的磨损情况、端面烧蚀情况、各通道是否同心及耐火砖是否局部烧蚀，找出工艺烧嘴雾化效果变差的节点，以便确定合理的工艺烧嘴更换周期。

4.3 强化水煤浆质量管理

选取可磨指数大的煤种可减轻煤浆通道的磨损，有利于制取高浓度、细粒度的优质煤浆，也有利于提高气液比、增大煤粒的反应表面积。加强一级滚筒筛和二级滚筒筛筛网的修补工作，杜绝大颗粒及其他异物混入水煤浆中而堵塞工艺烧嘴煤浆通道环隙。

4.4 中心氧气流量的控制

中心氧与外环氧的比例及工艺流速决定了出工艺烧嘴后水煤浆液滴的密度分布、燃烧火焰的长短及烧嘴端面的温度。在实际操作中，一般要求开车初期控制中心氧气体积流量占入炉总氧气体积流量的15%～20%。随着系统运行时间的延长，工艺烧嘴的雾化效果呈下降趋势，可适当增加中心氧气比例来提高工艺烧嘴的雾化效果。由于硬件原因而导致中心氧气流量无法调节时，可适当降低气化炉炉膛压力以增大介质流速，在一定范围内改善工艺烧嘴的雾化效果；但是，系统压力降低幅度不能过大，否则会造成煤粒在炉膛内的停留时间缩短，不利于气化反应的进行，应结合水煤气成分和炉渣情况综合确定。

4.5 强制性保护措施

在工艺烧嘴头部增设氧化铝保护层，用以隔绝工艺烧嘴与高温水煤气和熔融灰渣直接接触，同时也可避免灰渣进入烧嘴室后造成烧嘴抽出困难。投料前和停车后，应保证工艺烧嘴冷却水的正常供应量和高压氮气的吹扫量，防止工艺烧嘴头部受热变形、间隙发生变化而影响工艺烧嘴的雾化效果。

5 结语

工艺烧嘴的雾化性能与气化炉的多个关键技术参数相关，通过对工艺烧嘴环隙尺寸的优化调整、使用前的检查试验、运行时的保护和工况的稳定控制，可有效保持工艺烧嘴良好的雾化效果，同时也延长了工艺烧嘴和耐火砖的使用寿命。

[1] 刘孝弟，王岳，李兵科.水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨[J].化肥工业，2009(2)：20- 23.

[2] 于海龙，张传名，刘建忠，等.新型水煤浆喷嘴雾化性能实验研究[J].中国电机工程学报，2005(22)：102- 106.

[3] 王洪记，张琦，龚欣，等.水煤浆气化耐磨烧嘴的研发与应用[J].化肥工业，2013(5)：31- 35.

[4] 王旭宾.德士古煤气化工艺烧嘴的探讨[J].上海化工，2000(11)：15- 18.

[5] 王彦海，张克峰，邹宇.四喷嘴对置式气化炉工艺烧嘴使用经验[J].化肥工业，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，技师，从事煤气化生产工作；ds519520@163.com。

TQ546.2

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1006- 7779(2016)05- 0034- 03

2014- 10- 16)