水煤浆的雾化增强和气化炉烧嘴的双重冷却设计

栾傲，高巧仙，尹雪，吴美玲，宋敏，张正国

（1.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏银川750021；2.宁夏大学生命科学学院，宁夏银川750021）

化学工程

水煤浆的雾化增强和气化炉烧嘴的双重冷却设计

栾傲1，高巧仙2，尹雪1，吴美玲1，宋敏1，张正国1

（1.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏银川750021；2.宁夏大学生命科学学院，宁夏银川750021）

烧嘴的主要功能是借助高速氧气流的动能将水煤浆雾化并充分混合，在炉内形成一股有一定长度黑区的稳定火焰，为气化创造条件，是水煤浆气化炉的核心设备之一。本文针对目前水煤浆气化烧嘴使用寿命较短等问题，提出了增加水煤浆初次雾化工艺和设计烧嘴双重冷却水系统，对水煤浆气化炉的稳定运行有着重要意义。

水煤浆；雾化；双重；冷却；气化炉；烧嘴

目前国内应用比较广泛的水煤浆加压气化技术有美国的GE水煤浆气化工艺和四喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺[1]。以上2种技术使用的气化烧嘴均为三通道组合式，目前工业大生产主要应用的是外混式的三流道烧嘴。工艺烧嘴是各种水煤浆加压气化的核心技术装备之一[2]。

水煤浆加压气化所用工艺烧嘴一般有上部进料的单喷嘴和上部或下部进料的多喷嘴。目前水煤浆气化炉工艺烧嘴一般采用预膜外混式，其典型烧嘴头部结构（见图1（a））。进烧嘴的氧流股由2个流道组成，分别为一通道（即中心通道）和三通道，一通道与三通道之间为二通道，为加压水煤浆通道。3股物流分别高速流出烧嘴，在烧嘴口外边缘，两侧为高速流动的氧流股，且与煤浆呈一定交汇角，水煤浆被两氧流股高速剪切、混合、振动使煤浆雾化，雾化后的水煤浆颗粒平均粒径约为100 μm[1-3]。

图1 （a）传统工艺烧嘴结构，（b）增加初次雾化工艺的煤气化工艺

烧嘴在高达1 400℃左右的高温恶劣下满负荷运行，造成烧嘴的主体合金材料疲劳，运行几天就会造成烧嘴头部磨损，所以烧嘴更换较频繁，一般在45 d到120 d不等。气化炉烧嘴的操作不当也会引起气化炉内壁的耐火砖烧蚀损坏，当气化炉顶部氧过量时，完全燃烧生成合成气过程伴随放出大量的热，很可能造成拱顶温度快速升高而烧蚀、损坏拱顶耐火砖。同时，烧嘴头部还会受到合成气中硫化物等腐蚀性气体的化学腐蚀，合金材料虽然坚固，但是在这种复杂腐蚀气氛环境中，寿命大大受到影响[4]。

常见的改进措施，一般通过在烧嘴外侧设置冷却水盘管进行降温，以期望延长烧嘴寿命，但是在实际生产使用过程中，烧嘴冷却水盘管的存在虽然有改进，但是设备安装、维修增加了成本。也有人提出设计冷却水外夹套，但是在实践运用过程中发现，外夹套积灰严重，一旦损坏造成大量冷却水泄漏，损失更大。

本文提出了一种新型的工艺烧嘴结构，主要改进水煤浆雾化工艺和烧嘴的冷却水系统。分别设计冷却水外夹套和内夹套双重冷却结构，该设计降低了烧嘴内外侧的温度差，减小了烧嘴合金材料因高低温造成的应力。而且在各夹套出入口设置压力变送器，以便于中控室操作人员随时监控冷却水压力变化，一旦冷却水泄漏可以及时处理。

1 水煤浆雾化工艺改进

传统雾化过程中，顶部喷嘴的高速氧气流（12 m/s～20 m/s）把中心通道的水煤浆迅速破碎、雾化喷入气化炉。雾化水煤浆在高温的燃烧室中迅速经历预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理化学过程，最后生成H2+CO为主的合成气。由于烧嘴的射流短、炉内湍流混合不强、雾化角小等问题，很容易导致煤浆小颗粒雾化不完全而且分布集中，造成局部区域的过量氧气与已生成的有效气（H2+CO）反应生成CO2。而氧气过少的地方，气化不完全的煤浆颗粒落在激冷室中，形成未燃区，导致碳转化率和气化效率降低，造成生产效率下降、成本升高。而且烧嘴在高速的煤浆颗粒冲刷下，会很快磨损变形甚至烧穿[2，4]。

因此，在水煤浆进入烧嘴二通道前，增加初次雾化过程，采用CO2气体作为雾化载气是一个不错的选择，而且CO2进入气化炉后会抑制已生成的有效气（H2+ CO）生成的CO2反应（见图1（b）和图2）。

图2 水煤浆初次雾化器

2 烧嘴双重冷却系统设计

常见的烧嘴故障原因主要可简化为：（1）由于长期高温使烧嘴端部金相组织劣化，烧嘴的热应力分布不均匀，容易在端面产生裂纹，烧嘴水室端面裂纹严重时可能贯穿烧嘴水室，导致烧嘴损坏、冷却水泄漏、气化炉装置停车；（2）在高温、高压及因氧气气流扰动的共同作用下，煤浆颗粒对烧嘴喷头的顶端会造成严重磨损，该磨损直接影响到烧嘴的雾化效果，并会恶化气化炉耐火砖的损蚀[5]。

因此，通过在外环氧和水煤浆通道之间设置了一个冷却水通道，结合最外侧的夹套冷却水（最外侧也可采用冷却水盘管），即烧嘴双重冷却设计（见图3）。这样使得烧嘴始终在同一低温下，热量分布更加均匀，烧嘴合金材料热应力均匀，减小了由于热应力分布不均匀而产生裂纹的可能性，使得烧嘴寿命得到延长。

图3 工艺烧嘴双重冷却系统示意图

国内目前还无生产过程中在线检测烧嘴冷却水进、出口焊缝处的质量检测方法，一旦最外侧冷却水夹套（或冷却水盘管）前部弯头与外侧氧通道喷头连接处焊缝开裂，导致冷却水泄漏，必须停车更换新的工艺烧嘴[6]。当烧嘴冷却水泄漏后，高压合成气首先窜入冷却水回水管线，这样会减弱对冷却水单向阀的止逆作用，导致现场和远传压力和水入口流量变化延迟，不能及时报警，相关联的停车程序也会延迟，有可能造成事故进一步扩大。

图4 具有双重冷却水系统的烧嘴口表面挂渣情况（烧嘴孔径为40 mm）

因此，可在各夹套冷却水出入口设置流量计、压力变送器、温度变送器，将进水流量低、压力高和回水温度高指标引入气化装置紧急联锁停车（ESD）三选二联锁[7，8]，有效避免事故的进一步扩大（见图4）。

具有双重冷却水系统的烧嘴使用后，烧嘴口外侧会因为氧气流和水煤浆的喷射形成局部低压，该低压区域内不断有煤粉颗粒滞留，煤粉颗粒在烧嘴外堆积形成相对稳定的挂渣层，该挂渣层可以保护烧嘴头部遭到腐蚀性气体的腐蚀，有效隔离保护烧嘴本体。

3 结论

水煤浆的雾化增强和气化炉烧嘴的双重冷却设计相对于传统的三流道工艺烧嘴具有使用寿命更长、气化效率更高和对耐火砖冲刷小等优点。具有双重冷却水系统的烧嘴使用后，烧嘴外侧形成了有效的挂渣保护层。该设计提高了水煤浆雾化效果、延长了烧嘴的使用寿命，对煤气化技术具有重要理论意义。

［1］闫庆国，邱峰.水煤浆气化炉烧嘴对生产的影响及对策［J］.中氮肥，2014，（6）：50-52.

［2］唐煜.一种新型工艺烧嘴系统设计［J］.化学工程与装备，2010，（4）：86-87.

［3］李佳.GE三通道水煤浆烧嘴工业应用及故障分析［J］.齐鲁石油化工，2013，41（4）：317-321.

［4］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，2009，36（2）：20-23.

［5］路光彬.四喷嘴对置式水煤浆气化装置优化运行［D］.上海：华东理工大学，2015.

［6］张华，冯晓斌，简廷强.合成氨节能降耗措施实施探讨［J］.石油化工应用，2015，34（2）：107-108.

［7］张正国，杨晋，朱桂花，等.雷达物位计在流化床反应器中的应用［J］.石油化工自动化，2013，49（6）：61-63.

［8］朱旻旻，王威达，匡慧芳，等.基于单片机的数字液位计测控系统的综述［J］.广东化工，2015，42（2）：109-110.

The enhanced atomization of coal-water slurry and dual cooling design of gasifier burner

LUAN Ao1，GAO Qiaoxian2，YIN Xue1，WU Meiling1，SONG Min1，ZHANG Zhengguo1
（1.School of Chemistry Engineering，Beifang University of Nationalities，Yinchuan Ningxia 750021，China；2.School of Life Science，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021，China）

Burner is one of the core equipment of coal-water slurry gasifier,it is efficient used for vigorous mixing and atomizing the coal-water slurry with the aid of high-speed flow of oxygen and resulting a certain length in furnace to form a stable flame black area to create conditions for gasification.In this paper,considering the current coal-water slurry gasification burner problems such as short service life,an enhanced atomization of coal-water slurry and dual cooling design are designed for the gasifier,which has great significance to the stable operation of coal-water slurry gasifier.

coal-water slurry；atomization；dual；cooling；gasifier；burner

TQ051.1

A

1673-5285（2016）12-0123-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.030

2016－11-08

国家自然科学基金，项目编号：21565001；北方民族大学科研项目，项目编号：2015KJ30，2016HG-KY05。