粉煤加压气化炉烧嘴技术研究与开发

2011年4月大负Apr.2011第34卷第2期Large Scale Nitrogenous Ferilizer IndustryVol.34 No.2粉煤加压气化炉烧嘴技术研究与开发戈雷(中国石化安庆分公司.安徽安庆246000)摘要:针对原进口的煤粉烧嘴不能满足壳牌粉煤加压气化炉长周期运行的现状,开展了煤粉烧嘴的技术研究及相应的国产化开发。通过对煤粉烧嘴的结构和工艺原理的剖析,研制了具有与原进口性能相当的国产化煤粉烧嘴,并得到了工业应用。关键词:气化炉煤粉烧嘴国产 化研发煤粉烧嘴是壳牌粉煤气化炉的关键设备之一，其作用是将煤粉由氮气加压后密相送入气化炉,主要由喷头和机身两部分构成,其中,机身由煤粉/氮气输送管、氧气/水蒸气外套管、冷却水套管三大部分组成。煤粉烧嘴运行环境苛刻,通常在图2煤粉烧嘴的剖面结构高压(大于4MPa)、高温(1 600C)下工作。因此,对设备本身的工艺加工精度要求很高，突出表现在煤粉烧嘴喷头处于1500C以及5.5MPa的纯薄壁加工件的焊接工艺和焊接质量的要求上。早氧化环境中,是煤粉烧嘴设备的易损件,对材料材期投用的煤粉烧嘴均从国外进口,不仅价格高昂,质和冷却条件要求十分严格。煤粉烧嘴喷头喷射而且制造供货周期长，无法满足工厂煤气化装置角设计必须配合特定的烧嘴冷却罩结构参数,以长周期运行需要"。为此,开展了“煤粉烧嘴的技术减少工艺参数包线内回流区带出的微小煤粉颗粒研究及相应的国产化"开发,取得了较好的成效。对辐射表面的喷刷，而内部环形冷却流通的壁厚和结构设计则是确保冷却水对喷头顶部辐射面实1煤粉烧嘴结构和工艺 原理施快速冷却的关键。该部分的结构如图3所示。1.1煤粉烧嘴的结构膜式水冷壁壳牌粉煤气化炉的煤粉烧嘴主要包括煤粉通道、氧气和水蒸气通道冷却水通道。煤粉烧嘴的冷却水出口氧化剂入口一外观结构和剖面结构分别如图1和图2所示。高温烟气煤粉入口→~氧气+水蒸气煤粉+氮气出水图3煤粉烧嘴喷头结构1.2 煤粉烧嘴主要技术参数(2}以中国石化安庆分公司2000/d规模的壳牌中国煤化工收稿日:2011-03-04。作者简YHCNM H G2年毕业于华东理工喷头大学化学工程专业,硕士,现任中国石化安庆分公司副总经理。联图1煤粉烧嘴的外观结构系电话:0556-5381909;E-mail:chenglei.aqsh@sinopec .com。第2期成雷. 粉煤加压气化炉烧嘴技术研究与开发23粉煤加压气化炉为例，煤粉烧嘴的技术条件必须压力损失约0.1 MPa;一般采用直径114 mmx7 mm满足以下指标。①烧嘴喷粉量20t/h,调节范围无缝管，连接法兰采用ASME B16.5- -2003 class50%~120%;②烧嘴工作寿命8000h,确保可靠使600用1a;③烧嘴工作压力不小于4 MPa;④烧嘴工作3)冷却水输送管。烧嘴头部与炉内高温火焰环境温度头部为1600~1700C，安装夹层约300直接接触，高温烟气的辐射换热将会使烧嘴端面C;⑤烧嘴气耗量:每千克煤粉耗氮气0.0856 kg，急剧 上升。因此,在烧嘴头部设计冷却水强制循环耗氧气0.692kg,耗水蒸气0.041kg;⑥烧嘴雾化及通道,使烧嘴端面温度控制在450以下。冷却水燃烧性能:满足气化炉气化反应需要;⑦)烧嘴外流量- -般为3.2kg/s, 压力为5MPa。形尺寸:保证气化炉安装及外部管路连接;⑧炉膛2.2整 体结构设计技术条件:压力4.0MPa,直径2960mm,高度8800根据输送物料特性,从总体安全考虑,在高温mm;⑨煤粉技术参数:颗粒直径大于90μm为区应是纯氧输送管最易腐蚀，如纯氧泄漏进人冷10%，颗粒直径大于5μm为90%，低位热值约却水管系及煤粉管系则将产生严重后果，故在引22.41 GJ/kg;0气化合成气主要成分见表1。人夹套中氧气水蒸气管系参照国外产品布局为独表1粗合成气组分 摩尔分数,%立夹套层,一旦泄漏尽可能让其直接排入大气中,组分COH2CO2H。H2O尽可能减少其进入煤粉系统及供水系统的可能含量69.42 23.872.88 0.019 3.371.性。氧气、蒸汽夹层外层为直镍基高温合金管;水.1.3煤粉烧嘴 的工作状态冷却夹层外层为耐热合金钢管。气化炉运行时，作为氧化剂的氧气和水蒸气2.3烧嘴 罩设计从外套管中高速喷出，喉部处最高速度可达100由于壳牌粉煤加压气化炉采用液态排渣工m/s左右，而氮气携带的煤粉从中心管中以近10艺,因此,煤粉烧嘴不能伸入气化炉内部空间。考m/s的速度喷出,煤粉颗粒在高速氧化剂的气流曳虑到烧嘴周围气流特性，在煤粉烧嘴出口与气化引、剪切下,速度大幅升高;由于颗粒相(煤粉)和炉膜式水冷壁连接区域,布置--个喇叭形烧嘴罩,连续相(氧气和水蒸气)之间存在滑移。所以,煤粉该烧嘴罩为薄壁盘管结构，内有冷却水换热。颗粒的速度在喷嘴出口处最大达到87.9m/s,颗粒相和连续相之间的最大速度比约为0.828。3煤粉烧嘴材料选择及性能测试颗粒相与连续相(氧化剂)进行动量交换后,3.1 煤粉烧嘴材料选择速度增大,矢量方向基本上与连续相相同;颗粒群鉴于粉煤加压气化炉在热态运行时，炉内压既有沿轨道时的均速度滑移运动，又有沿轨道两力为4.0MPa左右、温度为1600~1 700C,煤粉烧侧的扩散运动,前者明显比后者更重要。由于气化嘴在此工作环境下要实现安全、稳定运行。所以，炉喷嘴与径向夹角为49，所以在炉膛中心截面上煤粉烧嘴的材料必须能够耐高温、高压和抗氧化。形成了比较明显的切圆。而烧嘴根部形成回流有一般而言，烧嘴冷却水通道采用不锈钢316利于煤粉的稳定着火和燃烧。材料,煤粉通道采用INCONEL600,氧气和水蒸气通道采用INCONEL600材料。2煤粉烧嘴通 道计算3.2冷却水、煤粉和氧气通道承压性能测试2.1煤粉烧嘴结 构设计1)仪器设备。水箱、加压水泵、压力表、截止阀1)煤粉通道设计。为了满足煤粉输送的工艺等。要求，在氮气输送煤粉或二氧化碳输送煤粉的过2)试验方法。①将冷却水管道一端堵死,用加程中,煤粉输送速度为6~10m/s,输送管压力损失压水泵将水流从另--端泵人,使水压达到8.8MPa，约0.1 MPa,-般采用直径48 mmx5 mm无缝管,连并保持住,观察管道变形情况。若管道变形在允许接法兰采用ASME B16.5- -2003 class 600。范围内，则承压性能合格;反之不合格;②将煤粉2)氧气和水蒸气通道。为了使气化炉中心形管道一端中国煤化工以另-端泵人，成有效的切圆，氧气和水蒸气介质必须具有足够使水压达YHCNMHG察管道变形情的动量,保证通道出口处为100m/s左右,输送管况。若管道变形在允许范围内,则承压性能合格;124大色幽2011年第34卷反之不合格;③将氧气蒸汽管道一端堵死,用加压结构以及制造质量的综合性检查;②通过短时超水泵将水流从另-一端泵人，使水压达到6.0 MPa并压,有可能减缓某些局部区域的峰值应力,在-定保持住,观察管道变形情况。若管道变形在允许范程度上起到消除和降低(残余)应力,使其应力分围内,则承压性能合格;反之不合格。布趋于均匀的作用。3)试验结果。经试验验证,样机冷却水、煤粉、根据近代断裂力学的观点，短时超压可以使氧气蒸汽通道在试验压力下形变均在允许范围裂纹产生闭合效应，也即钝化了裂纹尖端，使容器内,承压能力满足设计要求。在正常工作压力下运行时更为安全;液压试验过3.3烧嘴水压试验程要经过注液排气、升压、保压、检查及排液吹干煤粉烧嘴的水压试验主要目的:①全面综合:等工序。液压试验最常用的试验介质是水,烧嘴水检验产品的整体强度,是对容器选材,设计计算,压试验结果见表2,水压试验曲线见图4。表2烧嘴水压试验报告试压部位试验介质试验压力/MPa 保压时间/min 环境温度/C 介质温度/C 氯离子含量,x10* 检 验时间结头部整体洁净水.8.51:1814≤22010-03-25合格...8.5MP3化炉工艺参数的要求。其使用寿命也与原进口设备相当,满足了装置的检维修需要。对于使用厂家.. MPa/1. ....15min来说，使用该设备的经济性和时效性等方面效果814 水压试验曲线‘良好。参考文献4结束语[1] 庞忠荣.气化炉烧嘴烧损和泄漏原因分析及对策[J].大氮开发的国产化煤粉烧嘴在中国石化安庆分公.肥,2005 ,28<1):52-53. .司壳牌粉煤加压气化炉上首次应用。自2008年9[2]任永强,许世森,张车亮,等.干粉煤加压气化技术的试验研月投用以来,运行工况正常,完全符合粉煤加压气究[]煤化工,004,(3);10-13.TECHNOLOGICAL R/D OF BURNER IN PULVERIZED- COALPRESSURIZED GASIFIERCheng Lei(SINOPEC A nqing branch, Anqing 246000)Abstract:Considering that the originally -imported burner for pulverized-coal can not meet a long-term running of Shell pulverized -coal pressurized gasifier both the technological research and correspondingnationalization development of burner for pulverized -coal are carried out. With the analysis of both burmnerstructure and process principle a nationalized burner with the performance equivalent to the originally- -import-ed ones is made and commercially applied to the plant with good economy and timeliness.Key words :gasifier ;burmner for pulverized- -coal ;nationalized R/D泸天化煤气化及下游项目开工建设2011年2月11日,四川化工控股集团泸天化公司100x10*m?/a 煤气化及其下游后续产品项目在纳溪化工园区开工。该项目总投资约195亿元，计划分二个阶段建设:2011年6月- -2012年12月，第一阶段投资39亿元建设产气规模20x10*m2/a 的煤气化装置,用于生产年产45万吨合成氨项目。2011- -201' 中国煤化工设生产80x10m/a的煤气化装置,其中18x10*m?/a煤气用于新建40万吨合成氨,发展硝酸和煤气用于新建年产100万吨甲醇装置,发展聚四氢呋喃、乙烯、聚甲醛、醋酸等下游产业链。CNMHG.本刊.