含水甲醇与弛放气在水煤浆气化炉烘炉中的应用实践

李晓鹏，朱晓龙

（西安航天源动力工程有限公司，陕西 西安710100）

以耐火砖结构为代表的热壁气化炉，其预热烧嘴用于将气化炉的炉膛温度由环境温度升高到1 250℃左右，也用于气化炉的热备以及耐火材料施工后的烘炉和养护。原始设计的预热烧嘴主要由长明灯、液化石油气喷枪、柴油喷枪、火焰监测系统组成。气化炉烘炉时，低温段使用液化石油气喷枪，高温段需更换为柴油喷枪。

甲醇作燃料相比柴油燃烧更完全，所排放的碳氢化合物、氮氧化物和一氧化碳等有害气体少，能避免柴油烘炉时燃烧不充分出现的“冒黑烟”现象。基于甲醇作燃料的优势和水煤浆气化炉烘炉时使用的液化石油气/天然气、柴油等燃料大部分需外购并需现场储存管理等弊端，笔者设计了水煤浆气化炉一体化预热烧嘴（已申请实用新型专利），将点火装置、高低温喷嘴以及火焰监测系统集成一体化。该一体化预热烧嘴使用化工厂自产的含水甲醇为主烧嘴燃料、弛放气为点火烧嘴燃料，能满足烘炉和日常升温的需求。与原预热烧嘴相比，一体化预热烧嘴不仅可减轻现场人员的安全和管理压力，降低操作难度，还可以降低气化炉的烘炉成本。以重庆某化工企业为示范用户，对该烧嘴进行了计算设计和试验测试，并在该企业完成了一体化预热烧嘴的首次工业应用，现介绍如下。

1 基础参数

1.1 物料参数

该化工企业主要产品为甲醇，使用生产装置产生的含水甲醇和弛放气作为一体化预热烧嘴的燃料，含水甲醇中水的质量分数约5%；弛放气组分：H2体积分数70%、CO体积分数5%、C H4体积分数4%，燃料主要参数见表1。

表1 燃料主要参数

1.2 技术参数

一体化预热烧嘴设计使用含水甲醇作为主燃料，弛放气为点火燃料，空气作为氧化剂和雾化剂。甲醇喷枪为内混式高压气动雾化结构，甲醇在混合室内与空气混合后，从喷孔喷出并膨胀雾化。良好的预混合雾化有利于减少气耗，提高燃烧速度，缩短火焰长度[1]。

低流速下甲醇对碳钢材料不具有腐蚀性，故使用原有的柴油管道可满足0.4 m/s的甲醇输送要求。一体化预热烧嘴热负荷调节范围为2.34×106k J/h～2.34×107k J/h，一体化预热烧嘴设计参数见表2。

表2 一体化预热烧嘴设计参数

1.3 外形结构

一体化预热烧嘴为抽风倒焰式，主要由弛放气喷枪、甲醇喷枪、高能点火装置、火焰监测系统组成，烧嘴外形示意图如图1所示。气化炉烘炉时，先通入助燃空气和弛放气，同时启动高能点火枪进行点火，待火焰监测系统观察到预热烧嘴点燃并稳定运行后，停止高能点火枪。气化炉开始升温，随着炉温不断升高，根据升温速率要求，投用甲醇喷枪，开始通入雾化空气和含水甲醇，并调节风门开度，观察到甲醇喷枪雾化完全、燃烧稳定后，可停止弛放气喷枪。

图1 一体化预热烧嘴外形示意图

2 试验测试

一体化预热烧嘴制造完成后，需先进行冷态雾化试验，观察、测量不同流量下雾化粒径和雾化角度是否满足设计要求。在冷态雾化试验完成后，需要进行点火试验，在不同流量下测试烧嘴的点火成功率、燃烧稳定性，同时测量火焰长度是否和气化炉膛尺寸匹配。

2.1 冷态雾化试验

一体化预热烧嘴雾化试验使用水和压缩空气作为试验介质，雾化空气设计压力为0.40 MPa、流量为56 g/s，水按甲醇折算后对应流量为350 g/s，压力为0.30 MPa。雾化试验开始前分别进行通水和通气试验，以检验设计参数和试验数据的偏差范围。通水试验结果：水流量为350 g/s时，对应水压力为0.25 MPa～0.30 MPa；通气试验结果：空气流量为56 g/s时，对应空气压力为0.35 MPa。考虑到烧嘴加工精度和测量误差，预热烧嘴结构尺寸满足设计要求。

雾化试验时，依次进行了10%～110%流量负荷下的全工况雾化试验，给定水的流量，通过调节雾化空气的流量，测得满足平均雾化粒径要求时的空气压力和气液比数据并记录。通过分析上述试验数据得出：一体化预热烧嘴在不同流量下雾化均匀，雾化角度为39°～41°，平均雾化粒径为100μm～150μm，完全雾化距离约为150 mm。试验结果表明一体化预热烧嘴雾化效果良好，满足设计要求。

2.2 点火试验

点火试验时，弛放气使用外购天然气代替，通过限流孔板将天然气流量控制在0.35 g/s～0.50 g/s，压力稳定在0.5 MPa左右；通过限流孔板将助燃空气流量控制在3.4 g/s～5.0 g/s，压力稳定在0.5 MPa左右。弛放气喷枪为预混式结构，试验开始时高能点火装置启动打火，依次通入空气、天然气，一体化预热烧嘴能够快速点火成功，并稳定燃烧。

含水甲醇喷枪点火试验时，含水甲醇利用泵进行加压，流量、压力控制在设计值；雾化空气使用瓶装压缩空气，通过试验平台调节装置，使流量、压力控制在设计值。试验时，待弛放气点火烧嘴燃烧稳定后，开始通入含水甲醇和雾化空气，调节气液比在设计范围内，进行不同流量下的燃烧试验并记录数据。点火试验结果表明：一体化预热烧嘴燃烧完全，火焰稳定，在不同甲醇流量负荷下均能稳定燃烧，停止弛放气喷枪后，甲醇喷枪仍能稳定燃烧。

3 工业应用及效果

在试验测试的基础上，2018年5月一体化预热烧嘴首次应用在该化工企业气化装置上。按照操作规程，先将一体化预热烧嘴中心的弛放气喷枪点燃，待运行稳定后，通入雾化空气和含水甲醇，利用弛放气喷枪点燃甲醇喷枪。观察现场运行情况，一体化预热烧嘴的弛放气喷枪和甲醇喷枪都能稳定燃烧和运行，在气化炉升温低温段（＜200℃），可考虑继续投用弛放气喷枪，这样有利于甲醇喷枪稳定燃烧，高温段则停用弛放气喷枪，通入少量空气保护即可。

首次运行的数据表明，一体化预热烧嘴燃烧完全，运行稳定，在气化炉升温过程中烧嘴操作调节简单，火焰监测系统工作正常，排放烟气中无有害物质，对环境友好。气化炉从环境温度升温到150℃烘干耐火材料时，能满足10℃/h～30℃/h的升温速率要求，在高温段（800℃～1 250℃）可保证以50℃/h～80℃/h的速率升温，且能保持在1 250℃左右恒温。

核算气化炉升温运行消耗数据发现，在使用一体化预热烧嘴后，采用甲醇作燃料，相比原始采用液化石油气和柴油作为燃料，每次烘炉成本可降低约33%。

设计的一体化预热烧嘴除使用甲醇作燃料外，后续也可开发使用化工企业产生的具有一定热值的废液（低黏度废油）和废气作燃料，从而实现废弃物的资源化利用，减少污染排放。

4 结 论

4.1 应用实践表明，一体化预热烧嘴雾化效果好，燃烧完全，运行稳定，能满足气化炉对不同升温速率的要求，也能保持气化炉在1 250℃左右进行恒温。烧嘴点火成功率高，火焰监测系统工作正常。

4.2 使用一体化预热烧嘴，以清洁燃料甲醇作为燃料，可显著降低气化炉烘炉成本。

4.3 一体化预热烧嘴的燃料也可使用具有一定热值的生产废液、废油以及废气，能有效提高企业经济效益。

4.4 相比原始预热烧嘴，一体化预热烧嘴具有节能环保、操作维护简单、可处理废液废气等优势，化工企业用户可根据自身产品特点进行技术改造升级。