水煤漿氣化爐工藝燒嘴霧化性能的影響因素分析

孔德升，宋兆龍，李 露，杜 泉

(新能鳳凰〔滕州〕能源有限公司 山東滕州 277527)

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水煤漿氣化爐工藝燒嘴霧化性能的影響因素分析

孔德升，宋兆龍，李 露，杜 泉

(新能鳳凰〔滕州〕能源有限公司 山東滕州 277527)

介紹了水煤漿氣化爐工藝燒嘴的霧化特點和霧化性能的判斷方法。通過對影響工藝燒嘴物化性能的主要因素(介質流速、煤漿顆粒濃度、中心氧氣占總氧比例)深入分析后，制定了優化和保障霧化性能的方法措施，力求達到優化生產工藝、提高工藝燒嘴霧化性能、延長工藝燒嘴和耐火磚使用周期的目的。

工藝燒嘴 霧化性能 影響因素 優化措施

新能鳳凰(滕州)能源有限公司(以下簡稱新能鳳凰公司)700 kt/a甲醇裝置采用華東理工大學和國家水煤漿氣化研究中心共同研發的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(以下簡稱氣化爐)制取原料氣，預膜式三通道工藝燒嘴是該氣化爐的核心技術之一。

4只設置在同一水平面的預膜式三通道工藝燒嘴利用高速氧氣(體積分數99.6%以上)將質量分數約65%的水煤漿對噴進入氣化爐，使其霧化并快速燃燒，在加壓非催化條件下進行部分氧化反應，生成以CO和H2為有效成分的粗煤氣作為甲醇合成的原料氣。工藝燒嘴利用對噴撞擊強化混合和霧化效果以及熱質傳遞過程，反應過程非常迅速(一般在4～10 s完成)，具有規模大、有效氣體含量高、碳轉化率高、爐膛上下溫差小和耐火磚使用壽命長等優點；但是，預膜式工藝燒嘴連續使用壽命較短，一般只有60 d左右，制約了裝置的長周期運行。

1 工藝燒嘴霧化特點

進入氣化爐工藝燒嘴的氧氣與水煤漿同時離開工藝燒嘴燃燒，通過內、外側高速氧氣的切割擾動實現水煤漿的霧化和水煤漿與氧氣的充分混合。與內混式噴嘴相比，該工藝燒嘴內部沒有預混腔，大大降低了煤漿通道出口的物料速度，減輕了煤漿通道的磨損，對延長噴嘴壽命有利；氧氣壓力損失大大降低，使霧化漿滴直徑(SMD)縮小約10%，其原因是水煤漿膜初始厚度減薄，更易于霧化，水煤漿離開燒嘴后發生二次震蕩破碎進而形成更小的漿滴，具有霧化效果好、碳轉化率高和氣化效率高的特點。

4只工藝燒嘴在同一水平面上對稱布置，來自高壓煤漿泵的煤漿經工藝燒嘴被高速的純氧氣流霧化噴入爐膛，形成撞擊流，湍流強度大，強化了質量傳遞，混合作用好，并在爐內形成射流區、撞擊區、撞擊流股、回流區、折返流區和管流區六大特征各異的流場區域，延長了煤粒在爐膛內的停留時間，使氣化反應更充分、更趨于平衡。

2 影響工藝燒嘴霧化性能的因素

2.1 工藝燒嘴內介質流速

由工藝燒嘴的結構可知，水煤漿依靠高速氧氣實現霧化，因此，介質流速對工藝燒嘴的霧化性能起到決定性作用，其中氧氣流速對工藝燒嘴霧化性能的影響尤為突出。

工藝燒嘴的環隙尺寸是根據滿負荷工況設計的，燒嘴間隙大或生產負荷低，水煤漿和氧氣流量均較低，就意味著各環隙物料流速降低，水煤漿得不到有效加速、切割和二次震蕩，漿滴直徑增大，水分蒸發后得到的煤粒團增大，與氧氣反應面積減少，碳尚未反應完全便被帶出了氣化爐。生產能力不同、負荷不同，對工藝燒嘴間隙尺寸的要求也不同，需通過合理設計并通過實際運行效果的對比和優化來最終確定，保證達到在要求負荷下的氣流速度,以獲得較好的霧化效果。一般要求滿足中心氧的出口流速為150～180 m/s，水煤漿出口流速為2～4 m/s，外氧的出口流速為160～200 m/s[1]。于海龍等[2]以建筑膠水和空氣作為模擬介質對多種燒嘴進行霧化試驗研究，結果表明，隨系統負荷的增大，霧滴的平均粒徑增大。這就要求氣化爐盡可能維持在設計負荷下運行，盡量避免在過低負荷下長期運行。華東理工大學[3]通過冷態模擬試驗發現，在不同負荷氣量條件下，隨著通過模擬燒嘴水量的增大，霧滴的平均粒徑增大。

2.2 煤漿粒度分布及濃度的影響

合成氣中的有效氣CO+H2來自氣化爐內的氣化反應，屬于加壓氣流床非催化反應體系，氣化反應主要在煤粒表面進行，煤粒越大，比表面積越小，煤粒內部氣體分子擴散阻力大，越不利于氧氣與煤粒氣化反應的進行；若粒度過細，雖然有利于增大煤粒與氧氣的反應面積，但從霧化角度而言，煤漿黏度越大，霧化阻力越大，相同的霧化效果時需要的氧氣流速就越高。運行數據表明，水煤漿的濃度越高則黏度越大，水煤漿在流動時對煤漿通道環隙的磨損就越大。

由于工藝燒嘴水平布置，長期使用后的燒嘴下部較上部磨損嚴重，當下部磨損至一定程度時，便會出現偏噴現象，導致煤漿霧化不均勻。水煤漿的穩定性對煤漿環隙的磨損至關重要，穩定性差的水煤漿會加劇工藝燒嘴下部噴頭的磨損。

2.3 中心氧氣占總氧比例

工藝燒嘴中心氧氣的作用主要是增大水煤漿的動能，使水煤漿獲得較大的加速度，然后與高速外環氧氣流碰撞，從而實現切割霧化，改善工藝燒嘴噴出流體的流量密度分布。在對三流道結構工藝燒嘴的物理參數測定中，發現中心氧流量的增加可使工藝燒嘴噴出流體的流量密度分布趨于均勻，但SMD卻有所增大，且霧炬的表觀張角也有所增大。在實際操作中，隨著系統負荷和壓力的改變，其中心氧氣流量占總氧比例都存在一最佳值[4]，體積分數一般為15%～20%，這就要求操作人員應根據爐溫、爐況及出渣中的殘碳含量等情況及時進行調整，以使工藝燒嘴達到最佳的工作狀態。

3 工藝運行中霧化效果的判斷

3.1 氣化爐局部超溫

工藝燒嘴磨損偏噴或異物堵塞燒嘴間隙時，會造成水煤漿與氧氣混合狀況變差、分布不均勻、局部區域出現過氧現象。部分企業的氣化爐拱頂出現超溫現象后，經停車檢查，均發現工藝燒嘴存在堵塞問題。

3.2 爐渣判斷

霧化效果良好時，撈渣機的渣量適中且渣粒均勻，渣中可燃物質量分數<5%；霧化效果差時，撈渣機的渣量增加且粗渣粒增多，渣粒內包裹未反應的碳，渣中可燃物含量大幅升高。

3.3 氣體成分變化

霧化效果好時，氣化爐產氣量大，有效氣成分含量高，CO含量適中，CH4含量適宜；霧化效果差時，氣化爐產氣量小，有效氣成分、CO2和CO含量高，CH4含量低。

3.4 煤漿通道環隙磨損的判斷

判斷煤漿通道環隙磨損程度的參數是煤漿燒嘴壓差，即工藝燒嘴前煤漿管線壓力與氣化爐燃燒室壓力的差值。由于生產負荷、系統壓力和高壓煤漿泵打量情況均會對煤漿燒嘴壓差產生較大影響，故不能單純根據煤漿燒嘴壓差的大小來判斷工藝燒嘴運行時的霧化性能，需綜合氧氣燒嘴壓差、煤漿燒嘴壓差和中心氧氣流量自開車以來的整體變化趨勢進行分析，若三者均降低，則表明工藝燒嘴煤漿通道的環隙增大。

3.5 工藝燒嘴和燒嘴室磚的燒蝕

工藝燒嘴霧化效果差時，霧化角增大，氧氣與水煤漿混合不均勻，出現局部過氧，部分未完全反應的氧夾雜在回流流股中并與工藝燒嘴端面和燒嘴室向火面磚發生撞擊，造成工藝燒嘴端面龜裂、燒蝕和耐火磚燒蝕，工藝燒嘴頭部氧化鋁保護層受到沖刷，工藝燒嘴冷卻水盤管外露。

4 優化、保障工藝燒嘴霧化效果的措施

4.1 工藝燒嘴使用前的驗收和檢查

新制造或檢修后的工藝燒嘴必須運用卡尺、塞尺等測量工具仔細檢查通道內是否有異物堵塞、3個套管是否同心、各環隙尺寸是否合格[5]；工藝燒嘴投用前，應進行探傷檢查和霧化試驗。霧化試驗是利用空氣或氮氣代替氧氣，用清水代替水煤漿，在空曠環境下模擬工藝燒嘴噴射過程，通過目測的方法即可判斷出工藝燒嘴內有無異物堵塞、霧化角度是否合適、霧化是否均勻。

4.2 工藝燒嘴使用后的檢查

工藝燒嘴使用后期，煤漿通道環隙磨損、端面龜裂嚴重、霧化效果變差，水煤漿得不到充分混合，會在氣化爐爐膛內出現局部富氧區；若富氧區靠近耐火磚則會造成耐火磚燒蝕，而靠近工藝燒嘴則會造成工藝燒嘴燒蝕，甚至出現工藝燒嘴燒穿事故。運行時，應加強對燒嘴壓差數據、灰渣可燃物含量和水煤氣成分等霧化性能數據的收集。停車后，應做好工藝燒嘴各環隙尺寸和耐火磚使用情況的檢測工作，檢查工藝燒嘴各環隙的磨損情況、端面燒蝕情況、各通道是否同心及耐火磚是否局部燒蝕，找出工藝燒嘴霧化效果變差的節點，以便確定合理的工藝燒嘴更換周期。

4.3 強化水煤漿質量管理

選取可磨指數大的煤種可減輕煤漿通道的磨損，有利于制取高濃度、細粒度的優質煤漿，也有利于提高氣液比、增大煤粒的反應表面積。加強一級滾筒篩和二級滾筒篩篩網的修補工作，杜絕大顆粒及其他異物混入水煤漿中而堵塞工藝燒嘴煤漿通道環隙。

4.4 中心氧氣流量的控制

中心氧與外環氧的比例及工藝流速決定了出工藝燒嘴后水煤漿液滴的密度分布、燃燒火焰的長短及燒嘴端面的溫度。在實際操作中，一般要求開車初期控制中心氧氣體積流量占入爐總氧氣體積流量的15%～20%。隨著系統運行時間的延長，工藝燒嘴的霧化效果呈下降趨勢，可適當增加中心氧氣比例來提高工藝燒嘴的霧化效果。由于硬件原因而導致中心氧氣流量無法調節時，可適當降低氣化爐爐膛壓力以增大介質流速，在一定范圍內改善工藝燒嘴的霧化效果；但是，系統壓力降低幅度不能過大，否則會造成煤粒在爐膛內的停留時間縮短，不利于氣化反應的進行，應結合水煤氣成分和爐渣情況綜合確定。

4.5 強制性保護措施

在工藝燒嘴頭部增設氧化鋁保護層，用以隔絕工藝燒嘴與高溫水煤氣和熔融灰渣直接接觸，同時也可避免灰渣進入燒嘴室后造成燒嘴抽出困難。投料前和停車后，應保證工藝燒嘴冷卻水的正常供應量和高壓氮氣的吹掃量，防止工藝燒嘴頭部受熱變形、間隙發生變化而影響工藝燒嘴的霧化效果。

5 結語

工藝燒嘴的霧化性能與氣化爐的多個關鍵技術參數相關，通過對工藝燒嘴環隙尺寸的優化調整、使用前的檢查試驗、運行時的保護和工況的穩定控制，可有效保持工藝燒嘴良好的霧化效果，同時也延長了工藝燒嘴和耐火磚的使用壽命。

[1] 劉孝弟，王岳，李兵科.水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關問題的探討[J].化肥工業，2009(2)：20- 23.

[2] 于海龍，張傳名，劉建忠，等.新型水煤漿噴嘴霧化性能實驗研究[J].中國電機工程學報，2005(22)：102- 106.

[3] 王洪記，張琦，龔欣，等.水煤漿氣化耐磨燒嘴的研發與應用[J].化肥工業，2013(5)：31- 35.

[4] 王旭賓.德士古煤氣化工藝燒嘴的探討[J].上海化工，2000(11)：15- 18.

[5] 王彥海，張克峰，鄒宇.四噴嘴對置式氣化爐工藝燒嘴使用經驗[J].化肥工業，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，技師，從事煤氣化生產工作；ds519520@163.com。

TQ546.2

B

1006- 7779(2016)05- 0034- 03

2014- 10- 16)