带点火功能的水煤浆烧嘴及应用

第37卷第6期化工设计通讯2011年12月Chemical Engineering Design Communications15合成氯生广抆术带点火功能的水煤浆烧嘴及应用孝鼻1,2,易3,王岳2,顺骨颧2(1.清华大学,北京100084;2.北京航天动力研究所,北京100076;3.山西丰喜集团临猗分公司,山西临猗044100)摘要:简要介绍开发研制的带点火功能的水煤浆烧嘴,由此使水煤浆气化采用水冷壁气化炉成为可能。可以进一步提高水煤浆气化炉的温度,以适应于高灰熔点的煤种。该烧嘴已成功应用于山西丰喜肥业集团关键词:烧嘴;水煤浆气化;水冷壁炉中图分类号:TQ546文献标志码:A文章编号:1003-6490(2011)06-0015-04Coal-Water Slurry Combustion Nozzle with Igniter and applicationLIU Xiao-di, ZHANG Yong, WANG Yue, GU Xue-ying(1. Qinghua University, Beijing 100084, China2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China3. Linyi Branch of Shanxi Fengxi Fertilizer Group Co, Ltd, Linyi Shanxi 044100, China)Abstract: Introduce coal-water slurry combustion nozzle with igniter, and the pressurized coal-water slurry gasifier with water cooled inner wall can be designed because of successful developmentand application of the nozzle. Temperature in the coal-water slurry gasifier can be increased a lot, so itcan be used for coal with high ash fusion temperature. The combustion nozzle has been appliedsuccessfully in Shanxi Fengxi Fertilizer GroupKey words: nozzle; coal-water slurry gasification; water cooled inner wall由于我国缺油、少气、煤炭资源相对而言比众所周知的煤化工产业,即煤炭的焦化、气化和较丰富,无论作为能源还是化工原料,煤炭在今液化。煤炭的焦化除了可以得到焦炉气(气态)和后较长一段时间里仍将占主导地位。煤焦油(液态)外,其主要产品为焦炭(固态)。而单纯作为能源(火力发电和各种加热装置),气化和液化的过程第一步均需要将煤炭进行气煤炭的消耗量几乎占到了70%,在如何提高煤化,即将煤炭中的有效成分全部转变成气体。通炭作为能源的利用效率方面,超临界、超超临界常情况下,气体中有效成分主要为CO+H2,然的蒸汽发电系统(锅炉及汽轮机)已取得了长足的后根据最终产品要求,通过不同的工艺流程和操进步,IGCC系统(燃气轮机和蒸汽轮机结合)的作条件及其他原料,将CO+H2转变成需要的研究和完善也在积极推进之中。化工产品:合成氨及下游产品,甲醇及下游产由于煤炭中的有效成分主要是以固体的形式品,加氢成液体燃料等。存在,而且煤炭中存在一定比例的灰分和杂质,由此可知,煤的气化在煤深加工和煤化工中直接作为化工原料几乎是不可能的,因此在利用起着举足轻重的作用,近年来在国内几乎呈燎原的前端,必须对煤炭进行有效的预处理,形成了之势。由于加压气化在能源利用效率、环境保收稿日期:2011-10-17作者简介:刘孝弟(1958-),男,陕西富平人,清华大学在读博士,北京航天动力研究所研究员。中国石油和化学工业协会煤气化专家顾问,中国氮肥工业协会技术委员会委员,中国石油勘查协会设计委员会委员。化工设计通讯第37卷护、操作自动化、节省占地面积、大型化等方面相同,特别是煤中的挥发分比例和成分千差万有绝对优势,因此建设和运行比重不断加大。别,因此煤的着火温度一般只是一个定性的指煤的加压气化方法从操作压力等级来区分,标,常见煤种的着火温度如表1所示(。可分为低压等级和高压等级两种。低压等级的气表1煤的着火温度化压力一般不超过3MPa,例如,HTW炉,U煤种着火温度/Cgas炉,灰熔聚炉等。而高压等级的气化压力一泥炭25~280般在4MPa以上,例如,GE炉, SHELL炉,褐煤200~350高挥发分烟煤HT-L炉,GSP炉等。煤的加压气化方法从使用低挥发分烟煤原料的种类来区分,可分为干煤粉和水煤浆两无烟煤600~700种,除了GE炉利用水煤浆作为原料外,其他的在设计气化炉的点火方式和炉膛的结构时,各炉型基本使用干煤粉作为原料。各种气化炉有所不同。 SHELL炉使用的原料为GE炉利用水煤浆作为原料,在煤气化过程干煤粉,其气化炉上共有3种烧嘴:电点火烧嘴、中,必须带进一部分水,影响了气化效率,对于引燃烧嘴、工艺烧嘴。使用的点火方式是,由电点有效气体成分也有一定的负面影响,但是由于水火烧嘴提供点火能量,使引燃烧嘴(使用液化气煤浆的供应和流量控制等方面存在一定的优越天然气或工艺弛放气等燃料)形成稳定的火焰,并性,其气化炉操作压力可以更高,最高运行压力使炉膛温度逐步升高、压力升高,达到设计值时已达到8.5MPa2,仍然具有一定的生命力。由工艺烧嘴供应煤粉和纯氧,待形成稳定的火焰GE炉的最大缺点是,水煤浆烧嘴的使用寿后,关闭引燃烧嘴并从原路缩回安全区域命短和炉内耐火砖的维护费用高,另外,由于耐HTL炉、GSP炉使用的原料也为干煤粉,采火砖的性能,限制了炉内的操作温度,这给水煤用的烧嘴结构基本相同,见图1。点火方式是,由浆气化的煤种适应性带来了不利影响。高压电点火棒提供点火能量,点燃处于烧嘴中心1关于水煤浆气化技术的有关改进的点火用燃气及部分纯氧,工作大约1h左右,炉膛温度及压力升高到一定指标,投煤粉和相应的由于处理原料的特性、烧嘴的基本结构要氧气,使其形成稳定的火焰,最后关闭点火燃气求、烧嘴材料等原因,水煤浆气化工艺烧嘴,高压电点火般情况下使用2个月左右就需要进行维修,这在火焰探测器很大程度上影响了工艺系统的长周期连续运行,点火用燃料同时增加了原料消耗和维护使用成本3,在某种冷却水意义上成为该技术推广使用的不利因素。在GE一冷却水氧气/蒸汽→炉的基础上,国内开发的熔渣非熔渣炉(由清华大学、北京达力科、山西丰喜共同开发,北京航冷却水天动力研究所提供水煤浆工艺烧嘴和二次补氧烧冷却水嘴),采取了水煤浆分级气化的方式,利用二次冷却水→补氧的核心技术,降低了水煤浆供应主烧嘴的雾化要求,同时降低了主烧嘴端面区域的燃烧温度,使主烧嘴的使用寿命延长到了100d左右③。另外,我们对烧嘴头部使用特殊材料并进行表面处理,设计了“长寿命水煤浆烧嘴”,通过有关技术人员的辛勤努力和现场操作人员的大力配合,目前水煤浆烧嘴的使用寿命在120d以图1GSP炉煤粉工艺烧嘴结构上,最高可达150d左右,这对于增强水煤浆加SHEL炉、HTL炉、GSP炉等以干煤粉为原压气化技术的竞争性无疑是有力的技术支撑。料的气化炉,其炉膛均为钢管式水冷壁结构(冷由于煤的种类很多,每一种煤的组分也不尽壁),在稳定工作时,水冷壁的外表面会形成稳定的第6期刘孝弟等:带点火功能的水煤浆烧嘴及应用·17·渣膜,对水冷壁进行热保护,因此炉膛可以工作到团提议设计水冷壁的水煤浆气化炉,以提高气化1600~1950℃,这样,高灰熔点的煤种可以适用。温度来满足气化本地煤的要求,并节省每年更换由于流动性要求,水煤浆在制作过程中,根耐火砖的费用。经清华大学和北京航天动力研究据煤种的成浆性能不同,需要加入35%~40%所反复讨论研究,认为这种可能性是存在的。最的水及少量的稳定剂,这就使水煤浆着火比起干后确定由清华大学进行水冷壁炉及配套工艺的设煤粉来说需要的能量要高出不少。GE(原为计,北京航天动力所实施带水冷壁水煤浆气化炉Texaco)公司在开发和推广水煤浆加压气化技术的点火,这是带有巨大风险的课题,也是水冷壁的工艺流程时,气化炉一直采用耐火砖内壁(即水煤浆气化炉能否可行的关键所在。热壁),其目的就是为了实现水煤浆的点火。水凭借我们多年在水煤浆气化炉烧嘴方面丰富煤浆气化炉的点火方式是,首先在气化炉上安装的研制经验和强大的科研生产能力,以及熔渣预热烧嘴,利用燃气和空气燃烧对炉膛加热,并非熔渣水煤浆气化炉开发过程中的成功合作,无利用耐火砖蓄热,同时需要在炉膛出口加设抽引论是清华大学,还是丰喜集团公司,均寄予厚器,以使炉膛保证微负压状态。当炉膛温度接近望。在烧嘴及点火方案研制开发的同时,水冷壁1000℃时,及时拆下预热烧嘴,并将水煤浆工水煤浆气化炉的工程设计和建设就在同步进行,艺烧嘴安装到位。由于耐火砖的蓄热功能,烧嘴这充分说明了对我们的高度信任。在接到该研制切换完成后,炉膛内仍然维持有800℃以上的温任务之后,我们清醒地认识到,如果该烧嘴及点度,在此温度下,能保证水煤浆和氧气的安全着火方案研制不成功,后果将会不堪设想火。为了使耐火砖能达到最佳使用性能,耐火砖从2009年年中开始,我们进行了大量的分在第一次使用时要用预热烧嘴加热烘炉,烘炉过析研究工作,最终确定了烧嘴的结构及点火方程要严格按照升温曲线进行,这一过程一般长达案,提出了“自带点火装置的水煤浆加压气化工十几天,需要消耗大量的能源。大部分情况下,艺烧嘴装置”,确定了点火方案和具体点火流程,水煤浆气化炉在备用时,需要保持一定的温度,并同时申报了国家专利。在此基础上,我们为这也会造成一定的能源浪费。而在气化炉重新投丰喜集团提供了产品,烧嘴的基本结构见图2。用时,由于耐火砖的特性,预热烧嘴对炉膛的加2011年8月2日,由我们提供的工艺烧嘴热过程需要严格按照升温程序执行,不然就会造投用,使世界上首套水冷壁水煤浆气化炉在丰喜成耐火砖的破裂及热膨胀过快而对炉壁造成损集团一次开车成功(图3),在行业内影响不小,害。一般在冷炉情况下,这一升温过程需要数取得了业内专家的高度认可。在祝贺丰喜集团的天,也会造成大量的能源浪费。另外,由于耐火同时,我们也为自己的工作所取得的成绩感到自砖的性能限制,水煤浆加压气化炉的操作温度一豪,同时也感谢丰喜集团对我们的信任般不允许超过1350℃,这是造成水煤浆气化煤水冷壁水煤浆气化炉的运行成功,可以将水种灰熔点不能太高的重要原因之一。同时,耐火煤浆气化工艺带入一个新的发展阶段。主要表现砖的使用寿命一般为1a左右,一炉砖的费用在在以下几个方面。数百万元至一千万元,这是生产成本高的重要原(1)气化炉不再为耐火砖的更换不断的投入。因之一。目前,国内开发的多元料浆气化炉、四(2)可以提高气化炉的运行温度,使煤种的对冲水煤浆气化炉、熔渣一非熔渣水煤浆气化适应性得到进一步的放宽。炉,无一例外采用了这一原始方式。国内外凡使(3)气化炉不再需要预热过程,直接可以升用水煤浆的气化炉,没有一个更换这一模式。温升压,节省费用。丰喜集团(已并入山西阳煤集团)由于阳煤集团所产煤种灰熔点较高,无法适应水煤浆气化要2自带点火装置的水煤浆加压气化工艺求,所用煤不得不从陕西神木购入,造成生产成烧嘴结构及运行简介本居高不下。该公司进行了部分掺烧本地煤的实图2为水冷壁水煤浆气化炉设计的工艺烧嘴验,结果并不理想,能否利用本地产的阳泉煤进结构简图,和普通水煤浆气化炉工艺烧嘴的结构行水煤浆气化,成了该公司的迫切愿望。丰喜集基本一致,目的是为了在正常工作状态下满足水化工设计通讯第37卷煤浆雾化及稳定燃烧的需要。其特征是在中心氧(气动执行机构)以及高压动密封机构,以保证电管道的内部安装了电点火棒和导向机构,而在另点火棒的就位和复位,从而不至影响工艺烧嘴在端烧嘴的出口加装了一套电点火棒的伸缩机构正常工作状态下的运行执行机构动密封机构中心氧(燃气)进口煤浆进口外氧进口点火导向机构电点火棒图2工艺烧嘴结构简图干净后重新点火。若煤浆投入后未被点燃,也需要重新启动点火程序。因此,在制定操作规程和确定工艺参数时,燃气流量、外主氧流量、水煤浆流量、中心氧流量、置换和吹除氮气流量等均需要严格控制,以保证点火环境和着火条件。点火燃气中心氧阀x燃气阀氧气管网一工工艺烧嘴中心氧通道2氮气阀吹除氮气图3丰喜集团采用自带点火的水煤浆烧嘴装置示意煤浆泵—工艺烧嘴水煤浆通道外主氧阀该烧嘴设计的基本出发点是,首先利用中心氧气管网—6工艺烧嘴外主氧通道氧气管路输送一定量的燃气(液化气、天然气或其他可燃气体,比如合成氨系统的弛放气等),图4工作原理图和外主氧管路输送的纯氧形成可燃环境,将电点该工艺烧嘴的点火过程设计要求如下。火棒伸出到一定位置后通电,利用电火花的能量点火程序启动之前,所有阀门处于关闭状态。将燃气与纯氧的混合物点燃,形成高温的火焰区电点火棒就位一启动电点火一同时打开域,再将水煤浆送入该高温的火焰区域,使其燃燃气阀+外主氧阀一→火焰检测器工作检测点火烧(同时增加外主氧的流量,以满足燃气和水煤状态一电点火棒复位一→打开水煤浆阀投水煤浆的共同需要),在水煤浆被点燃之后,逐渐减浆—→关闭燃气阀—→氮气吹除中心氧管路→→小燃气流量(同时逐渐加大水煤浆流量),最终在打开中心氧阀门投中心氧气一→调整中心氧阀+水煤浆与外主氧达到稳定燃烧状态后,对中心氧水煤浆阀+外主氧阀开度,达到正常工作状态。通道利用氮气(或二氧化碳气体)进行必要吹除及在气化炉的启动过程中,烧嘴的点火程序远置换,逐渐供应中心氧气。最后,调整中心氧、比上述程序复杂得多,所有阀门的开度,各种物外主氧、水煤浆流量,达到稳定的气化要求料的流量、压力及燃气的火焰温度等参数均需要图4为烧嘴的工作流程简图。氮气的吹除接严格控制和联锁。据丰喜操作现场的调整结果,口要尽量靠近中心氧阀门的出口,以便燃气阀门从点火过程开始至达到正常工作状态大约需要关闭后将管路中的残余燃气置换和吹除干净,避3h,而大约5h系统就可产出粗煤气。气化炉系免管路中残余燃气与氧混合,造成安全隐患统从点火开始,升温和升压同步进行,不需要抽图5为工艺烧嘴工作逻辑要求。当燃气与外引器使炉膛呈负压,也不需要更换烧嘴,极大地主氧混合物的点火出现失败时,需要将系统吹除(下转第22页)·22化工设计通讯死角内,即使做上吹吹净,仍有一部分吹不彻气炉最近处,减少下吹蒸汽在上行管道和旋风除底,转下吹时将死角空气带至气柜。造成虽然阀尘器内存在的庞大死角空间容积。避免变上吹时门等无泄漏,半水煤气中氧含量仍有0.5%左右。将这部分蒸汽吹到洗气塔,造成蒸汽损失,蒸汽为消除以上弊端,宜采取以下措施。冷凝还要浪费大量的冷却水。仅此一项就多浪费(1)将吹风阀、上吹蒸汽阀、下行煤气阀改20%以上的蒸汽,炎热夏天,煤气温度居高不移到炉底最近处。将炉底三通管改造为单管,即下,也与此有关将下行煤气管当成主管道,吹风阀接管蹲在下行以上两项死角空间(容积)在介质切换过程中煤气管上部,紧靠下行阀;上吹蒸汽管道插口改也耽误了有效制气时间,每个循环填充炉上、炉移在下行煤气阀板上。上吹蒸汽时彻底将空气吹下大量死角(容积)空间,浪费达10%以上的有入炉内燃烧掉效制气时间。因吹风阀蹲在下行煤气管上,O2系大分子,通过对造气炉的改造,使操作更加方便;提极易下落到主管线内。变上吹时极易被蒸汽吹入高了原料的利用率;节能降耗;减少排放,保护造气炉内燃烧,可使氧含量降低0.2%~0.3%,环境;提髙了煤气中有效气体成分,降低煤气中同样也减少了蒸汽死角,节约蒸汽。氧含量的降的氧含量、氮含量(降氧的同时也降低了氮的含低,也减少了变换的蒸汽消耗,同时也避免了因量);保证安全生产。特别适合甲醇生产使用过剩蒸汽冷凝水外排给环保带来的负担以上改造,已在实验厂和全国几十家企业推广应(2)同理,下吹蒸汽阀、上行煤气阀、烟囱用,均收到显著的效果,现简要作一总结,供同阀、回收阀等由旋风除尘器出口改移到入口离造行参考,不当之处,恳请提宝贵意见。们◆目◆◆◆旧◆◆面◆◆◆◆◆◆阳◆◆◆帝◆◆◆◆◆◆们◆◆◆Ⅲ◆◆◆降制旧◆(上接第18页)备“自带点火装置的水煤浆加压气化工艺烧嘴装点火棒就位置”起到了极为关键的作用,为这一工艺技术的发展提供了有力的技术支撑,有条件的话可以进步提高水煤浆气化炉的操作温度,为适应更多系统吹的煤种(特别是高灰熔点煤)提供了可能外主氧气重新点火该工艺烧嘴本体如果也采用与我们研制的打升/火塔检测器监测“长寿命水煤浆烧嘴”相结合的方式来设计及制火棒复位点火状态未着火造,无疑会为水煤浆气化工艺提供更有竞争力的着火技术支撑。火焰稳定据了解,清华大学目前正着手对已有耐火砖主氧气浆阀的水煤浆气化炉改为水冷壁结构进行设计,如果着火状态能够顺利实施改造,可以预见,一定会为采用水未着火煤浆气化的用户提供更可靠、更经济的运行装置。【火气蓬渐关闭参考文献:中心氧管路氮气缓慢吹除[1]贺永德主编.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业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