水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨

第36卷第2期化肥工业.2009年4月水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨刘孝弟,王岳,李兵科(北京航天动力研究所100076)摘要工艺烧嘴损坏是水堞浆气化炉 不能长周期运行的主要原因。导致烧嘴损坏因素主要有冷却水盘官损坏、物理磨蚀、热冲击、化学影响、应力破坏等:提出了改进措施以延长烧嘴的使用寿命,主要包括降低流速、改进材质、优化结构等,关键词水煤浆气化炉 烧嘴损坏措施Inquiry Into Problems Related To Process Burnerin Coal-Water Slurry GasifierLiu Xiaodi, Wang Yue, Li Bingke( Bejing Aerospace Propulsion Insitute 100076)Abstract Breakdown of the process bumer is the main cause for the coal-waler slumy gasifier tobe unable to run for a long period. The factors which lead to the breakdown are principally the break-down of the cooling water coil, physical abrasion, thermnal shock, and stress rupture. Improvementmeasures are proposed so a to prolong the service life of the bumer, including chiefly decrease inflowrate. , improvement in the material used, and optimization of the structure.Keywords coal-water slurry gasifier bumer breakdown measures1水煤浆加压 气化炉工艺烧嘴存在的问果。但中心氧的比例有一定的限制条件,一般为总氧量的5% ~25% (体积分数) ,其余均作为外题氧。中心氧量不能太小，不然达不到对煤浆的稀1.1 工艺烧嘴设计的一般原则释和加速作用。中心氧量太大,-方面会使预混(1)结构形式为同心三套管形式。烧嘴中心合区的混合物流速增加太多,造成中心管出口处氧管的出口设计成缩口形式,目的是对中心氧进的磨损加快,降低烧嘴的连续使用寿命,这一点正行加速,同时其端面距烧嘴断面基准面有一定的是影响烧嘴使用寿命的最主要因素;另一方面使缩入量,形成一个水煤浆与中心氧的预混合腔。烧嘴出口物料的轴向速度分量增大.径向速度分水煤浆的出口管路也设计成缩口形式,使进人预量减小,其结果使整个烧嘴出口的火焰形状变得混合腔的水煤浆具备一定的速度。在预混合腔细长,无法与气化炉的内部型面匹配，造成较大直内,利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速.改善径的煤粉颗粒在气化炉内的停留时间缩短.炉渣水煤浆的流变性能,共同的作用就是为了提高水中的含碳量增加,引起气化效率降低，而且会使火煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩口焰直冲炉底,影响炉底激冷环的工作。比例更大些，目的是提供更高流速的氧气,使通过(3)中心氧的出口流速150~ 180 m/s,煤浆预混腔的水煤浆混合物得以良好雾化.以便在气.出口流速2 ~4 m/s,预混合腔出口平均流速12 ~化炉内获得良好的气化效果。20 r中国煤化工m/sc(2)无论是中心氧还是水煤浆及外氧的流通1.2CH.CNMHC素，面积,均需要满足各自介质的流量要求.在供应压水煤浆加比气化技术的-大弱点就是其工艺力允许的情况下,力争达到必要的混合和雾化效烧嘴的一次性连续使用寿命较短.影响了单台气20第36卷第2期化肥工业2009年4月.. 化炉的连续运行时间。因此,一般情况下均有备有30~60 d。影响这一周期的因素很多,主要有用炉在线,以便更换和维修工艺烧嘴。根据多年煤种、生产负荷等。据了解,有关单位已经研制成来从事水煤浆气化炉工艺烧嘴的研制经验和工业功了具有较长寿命的陶瓷材料的中喷头,但还未化运行的生产实际情况，水煤浆气化炉工艺烧嘴见公开报道。北京航天动力所在中喷头的内腔表的损坏方式主要有3个方面。面喷涂抗物理磨蚀的硬质合金,对提高烧嘴的连(1)冷却水盘管的破坏续使用时间起到了一定的作用,有关试验工作还设计冷却水盘管的目的是为了保护烧嘴处于在继续进行中。高温工艺气体的本体部分。冷却水盘管处于最苛预混合腔内的混合物流速不能太小。否则会刻的外部环境中,其破坏形式- -般有下面几种。造成雾化不佳,影响总体碳转化率。流速也不能①冷区水盘管和外喷头焊接处的热应力破太大，否则混合物的轴向速度分量太大,火焰就会坏。原因是两个零件之间的焊接方式为角焊缝,变得细长,甚至直冲炉底,影响部分物料的停留时壁厚差别较大,使用材料也不同,又处于烧嘴的端间,进而影响碳转化率。混合物流速达到一定数部,在使用过程中容易产生裂纹(主要是热应力值后,对雾化液滴尺寸的影响作用也会变得很小。的影响)形式的破坏。目前采取的改进方案是将(3)热、化学应力对外喷头的影响角焊缝处改为同- -种材料收到了一定的效果。影响水煤浆气化炉工艺烧嘴连续使用寿命的②冷却水盘管内的冷却水温度如果控制不另一种损坏形式是外喷头端面的径向放射性裂纹当,会造成盘管表面的低温腐蚀。-般应将冷却及不规则龟裂的形成。在烧嘴正常运行一段时间水温度控制在170心以上较合适。但在实际工艺后,沿着外喷头孔口的边沿会出现密集的径向放设计中,冷却水的操作温度一般为50 C以下,这射性裂纹及不规则的龟裂。裂纹的产生原因目前样就存在盘管表面的低温腐蚀。另外,盘管的材还没有形成权威性的结论,笔者认为其影响因素质应选用高温性能稳定的材料,目前可用的材料主要有以下几个方面。以Inconel600为最好。①热冲击影响。由于外喷头的端面迎着炉③冷却水盘管在弯制过程中,要控制好加热内高温(一般为1 200~1 500 C)的工艺气体,金温度和弯制速度,控制管材的变形量和减薄量,保属材料在此高温条件下长期工作,并受到高速煤证盘管成型后的整体强度和刚度。浆氧及工艺气体回流的不断冲刷,就会使材料在④在正常运行过程中,由于工艺烧嘴端面处冶炼和锻造过程中的所有缺陷逐渐暴露出来,这存在较强的气体回流,工艺烧嘴与气化炉内壁之样就会形成不规则的龟裂。间的空隙处经常会出现积渣,在烧嘴拔出时也会②化学影响。由于外喷头处的氧气浓度较造成盘管的损坏。增加盘管的壁厚等级可以有效高,金属材料在高温的氧化环境中会发生氧化反减轻这一损坏方式。应。在高温情况下,金属材料也会发生一定的渗(2)中喷头的物理磨蚀碳效应,使金属材料的成分和性能发生变化。另，为了使水煤浆中的煤粉在气化炉中充分气外,煤中含有的硫也会使金属表面发生高温硫化化,必须用相应数量的氧气对水煤浆进行有效雾腐蚀。化,且为了达到良好的雾化效果,气体的流速必须③应力影响。径向放射性裂纹的源头是外达到一定的数值,即预混合腔内的混合物(水煤喷头的孔口。这里是该零件机械加工后应力集中浆、氧气)流速必须达到一定的数值,但由于混合的部位,在高温条件下,应力的释放是造成放射性物中含有大量的煤粉固体颗粒,这是造成中喷头裂纹的根源,也是外喷头破坏的最主要因素。内腔磨损的主要原因。工艺烧嘴的出口处存在较高的射流,也是高为了增加中喷头内腔的抗磨损能力,选用抗毕,外喷头的端面磨性能良好的材料成为目前唯一可用的方法,当受至刷.H中国煤化工艺气体的不断冲然还要考虑其抗氧化性能。当前普遍采用的材料CN M H G气化炉炉拱耐火是CH188和UMCo-50.可以连续工作的时间也只砖易遭损坏的事实也可证明这一点。21第36卷第2期化肥工业2009年4月.型面时,使冲撞角度尽量远离临界角度.对减轻材2提高水煤浆加压气化炉工艺烧嘴寿命料的磨损速率也会带来益处。的途径(4)改善表面结构性能,如保证表面的光洁2.1中喷头度保证材料内在质量的均匀、在中喷头内孔表面(1)在满足流量要求和雾化要求的前提下，喷涂抗磨材料(硬质合金等),以改善其抗磨性应尽量降低预混合腔的出口流速。一般的金属材能。需要注意的是:涂层的厚度具有一-定的限制，料在受到含固体颗粒的流体冲刷时,其磨损率与不然会造成脱落,因此这种改进也是有局限性的c颗粒流速之间的关系见图1。当颗粒流速达到某2.2外喷头-数值(临界速度)时,磨损率就会明显增大。尽解决外喷头存在问题的最直接方法就是有效量使预混合腔出口物料的流速低于材料磨损的临改变材料的耐高温腐蚀和耐热冲击的性能,同时界流速,必然会延长中喷头的使用寿命c在外喷头加工完成后有效消除应力。目前普遍认为最好并采用的材料是CHI88和UMCo-50,但离实际生产中所需的长周期运行要求仍然差距很大。为了解决这一问题,广大科研人员在以下几个方面已经有所考虑和尝试。Jc(1)将外喷头的材料改成多孔陶瓷或多孔金属,使部分氧气通过多孔介质直接喷人气化炉,可保证端面的有效冷却,防止高温带来的所有问题。颤粒流速如果能用多孔陶瓷实施,化学腐蚀和物理磨损也图1材料磨损速率与颗粒流速之间的关系有可能同时得到解决。美国专利(专利号为(2)从图1还可以看出:对于不同的材料.其CN1056916C)提出了实施的原理。但是多孔材料抗磨性能有- -定的差异。如:材料D在低速时抗特别是陶瓷的连接方式(保证密封和耐压条件)磨性能比材料C差,但其临界速度偏高,高速时将会带来新问题,至今尚无实际运行的产品。的抗磨性能明显高于材料C。因此,在预混合腔(2)为外喷头的端面加装防热保护板,保护出口物料流速的最低值确定以后,寻找具有较高板的材料选择及连接方式应该是需要解决的主要临界磨损速度(针对水煤浆)的材料制作中喷头,问题。美国专利(专利号为CN1110358C)提出，使其临界磨损速度高于预混合腔出口物料流速，按照外喷头的端面形式,用特种材料匹配- -种防其现实意义十分重大。热保护板，避免了密封条件的限制,但也没有实际(3)优化结构尺寸也可以提高中喷头的抗磨使用的报道。性能。材料磨损速率与颗粒冲撞角度之间的关系(3)利用热喷涂技术将特种耐热、耐腐蚀的见图2。合金粉末喷涂到外喷头端面,可以起到良好的防热、防腐作用,大大延长外喷头的使用寿命。通过,120目|000目筛选特种合金粉末的种类和改良热喷涂工艺,相信这种方案能够取得令人满意的效果。目前该工艺方案已经开始实施,工业化运行效果令人满意。2.3其 它途经通过以上分析还可以得出:在保证气化炉总顺教冲捕危度体性能的前提下,如果能够通过其它途经缓解要围2材料磨 损速率与颗粒冲撞角度之间的关系求] |中国煤化工.就可以降低预从图2可以看出，固体颗粒冲撞角度对材料会降低中喷头的MHCNMH E途径降低烧嘴表面的磨损速率影响甚大.在某一角度(临界角物理石顶还干，川不比V心从代度)时,麋损速率存在最大值。在设计中喷头内外喷头瑞面的温度必然能降低外喷头受热.化22第36卷第2期化肥工业2009年4月学、应力破坏的速度。200一段式气化由北京达立科科技有限公司、清华大学、山西HI 1000丰喜肥业集团共同开发的水煤浆分级气化技术900101214(“非熔渣-熔渣"煤气化技术) ,就是从以上两点沁气化窒高度/田进行改进的。圄3分级气化(两段式气化)与- -级(1)将工艺烧嘴的氧气流量降至普通气化工气化(连续气化)的温度场比较艺(也可称之为一级气化)烧嘴氧量的80%(体积浆进行二次雾化,不仅解决了工艺烧嘴工作寿命分数)左右,通过外氧和中心氧的再分配后.预混向题.而且气化炉内的温度场也得到了改善。由合腔的流速就会出现明显下降(下降幅度约为于氧气的二次加入,相对来说延缓了氧化反应的20%) ,这样中喷头的物理磨损速率就会下降。过程,因此要加大炉膛的轴向尺寸来进行弥补。这一点可以用冲量公式(忽略摩擦损失和混合损典型情况下,炉膛轴向尺寸要加大500 mm左右。失)粗略估计出来: .根据以上.改进方案.北京航天动力研究所研GoVo=G,V, +C,V,(1)制了相应的水煤浆工艺烧嘴和二次补氧的氧气烧式中:G6,G,,C,-分别为混合物 、水煤浆、嘴。该工程项目于2007年12月6日通过了中国中心氧气质量流量;石油和化学工业协会组织的专家鉴定,研制的两.Vo.V..V,-分 别为混合物、水煤浆、种烧嘴均得到了好评。中心氧气流速。经山西丰喜肥业集团现场使用，证明气化炉工(2)在水煤浆流量保持不变的情况下,由于艺烧嘴的中喷头可持续运行时间超过100 d,外喷通过工艺烧嘴的氧气流量下降了20%左右,在烧头的可持续运行时间超过200 d,氧气烧嘴的可持嘴出口处的高温工艺气体回流量也会下降,从式续运行时间预期可超过5年。在中喷头耐磨材料(2)可以明显看出这一点: .和外喷头抗化学腐蚀材料喷涂试验完成以后,用于C./G。+1 =0.32(p./po)X/d。(2)分级气化的工艺烧嘴的连续使用寿命还将延长。式中:G.,Co一分别为回流高温工艺气体流华东理工大学的水煤浆四对置烧嘴工艺技量和工艺烧嘴的总流量;术,由于烧嘴流出的物料在炉内实现了二次对冲，ρ.- - -回流介 质的密度;所以可以考虑降低单烧嘴的出口流速。这一方面po一- -主流介质的密度;可以减轻中喷头的磨损,另一方面对冲流速也会X一-离开喷嘴出口的距离;降低,可以减轻对气化炉炉顶砖的冲刷,延长炉顶do-- -喷嘴的出口直径。砖的使用寿命。另外,如果将四对置烧嘴改为二结果:①由于工艺烧嘴的总氧量下降,使烧对置烧嘴,也可以达到对冲的目的,同时达到节约嘴外喷头断面的氧气浓度下降,局部的氧化放热投资和减少控制点的目的。反应减弱;②由于工艺烧嘴的总流量减少,会使3结语高温工艺气体回流量减少,烧嘴外喷头端面处的环境气体温度就会下降。清华大学在实验室中测相对而言,水煤浆加压气化技术具有气化压出的温度下降幅度约为200 C(图3)。这对于工力高气化炉结构简单、投资费用低等优点;其缺艺烧嘴外喷头的工作环境改善非常重要。实际生点之一就是烧嘴使用寿命短,影响气化炉的连续产中的下降幅度可能会有所差异,但其结果是烧运行周期。对于如何提高烧嘴的使用寿命提出的嘴外喷头端面受到高温而产生的热化学、应力的一系列观点和建议,有些可能不成熟,有些实现起影响均会有明显减弱。来还需要做许多研究和试验工作,特别是中喷头本应从工艺烧嘴进入气化炉的其余20% (体新型耐磨材料的应用通道型面的优化中喷头耐积分数)氧气通过2个二次补氧烧嘴送人气化磨层中国煤化工料的喷涂等,均炉中.既满足气化妒的总体氧最要求.又利用高速需要!Y片CN MH G突破c喷入的氧(对工艺烧嘴喷出的未完成雾化的水煤(收稿日期 2008-11-24)23