改进水煤浆气化工艺装置的一些思考

00年8月2009第32卷第4期Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry.改进水煤浆气化工艺装置的一些思考刘孝弟1尹润生2(1,北京航天动力研究所,北京,100076;2.陕西渭河煤化工集团有限责任公司,陕西渭南,714000摘要针对水煤浆气化工艺技术存在的一些问题,从工艺烧嘴的结构、材料改进及工艺技术的发展等方面提出了改进措施和建议,并对部分改进措施实施后的效果进行了分析,介绍了水煤浆的分级气化技术及相应的原料供应烧嘴(工艺烧嘴和二次补氧烧嘴)的设计方案和设计准则。关键词水煤浆气化工艺原料供应烧嘴改进措施1原料供应烧嘴的设计改进12流通通道设计目前普遍采用的水煤浆气化炉工艺烧嘴头部无论是中心氧、还是水煤浆及外氧的流通面结构如图1所示12,为三通道同轴形式,在外喷积均需要满足各自介质的流量要求。在供应压头上布置冷却水盘管对烧嘴头部进行强制冷却。力允许的情况下,力争达到良好的混合和雾化效烧嘴的设计需要考虑的主要因素有以下几个方面果。但是中心氧的比例有一定的限制,一般为总内容。氧量的5%~25%,其余均作为外氧。中心氧量冷却水盘管外喷管中喷头内喷头不能太小,不然达不到对煤浆的稀释和加速作用。@@o@@ep外喷头中心氧量太大会使预混合腔的混合物流速增加太多,造成混合腔出口处的磨损加重,降低烧嘴的连续使用寿命;另一方面,中心氧量增大时,必然使中心烧嘴出口物料的轴向速度分量增大,径向速度分量减小,其结果是使整个烧嘴出口的火焰变得细长,无法与气化炉的内部型面匹配,造成较大直径的煤粉颗粒在气化炉内停留时间变短,炉渣中的图1水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构含碳量增加,引起气化效率降低,而且,还会使火11结构形式焰直冲炉底,影响炉底激冷环的工作寿命。般情况下为同轴三套管。烧嘴中心氧管的13流速设计出口设计成缩口形式,目的是对中心氧进行加速,中心氧的出口流速一般为150~180m/s,煤同时其出口相对于烧嘴端面基准面有一定的缩入浆出口流速一般为2-4ms,预混合腔出口平均量,这样形成一个水煤浆和中心氧的预混合腔,水流速一般为12~20m/s,外氧的出口流速一般为煤浆的出口管路也设计成缩口形式,使进入预混1600m合腔的水煤浆具备一定的初始速度。在预混合腔1.4冷却水流量设计内,利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速,改善冷却水的流量设计,要充分考虑到烧嘴头部水煤浆的流变性能,其目的是为了保证水煤浆在收稿日期:20090202;收到修改稿日期:200905-13。离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩变量更大中国煤化工e年国防科技大学应些,目的是提供更高流速的氧气,使通过预混腔用力的水煤浆混合物进行良好的雾化,以便在气化炉大学CNMHG力研究所研究员清华气化协调委员会专家顾问,中国氮肥工业协会技术专家委员会委员。联系电话:010内达到良好的气化效果63719878,13801354578。第4期刘孝弟等.改进水煤浆气化工艺装置的一些思考223的冷却要求,一般情况下,需要保证冷却水系统的有的弯曲型面圆滑过渡,这也是减小应力集中的流阻小于3MPa,冷却水系统的温升小于10℃。重要措施之4)在正常运行过程中,由于工艺烧嘴端面处影响烧嘴使用寿命的主要因素及改进存在较强的气体回流,工艺烧嘴与气化炉内壁之根据多年来从事水煤浆气化炉工艺烧嘴研制间的空隙处经常会出现积渣,这些积渣在烧嘴拆的经验总结和工业化运行的生产实际情况,水煤装时也会造成盘管的损坏,增加盘管的壁厚等级浆气化炉工艺烧嘴的损坏方式主要有3种:即冷可以有效减轻这一损坏。却水盘管损坏;中喷头物理磨蚀;热、化学、应力使2,2中喷头的物理磨蚀外喷头受损。以下逐一进行分析,并提出改进的中喷头的物理磨损是水煤浆气化炉工艺烧嘴措施及方向寿命较短的致命弱点,也是影响单台水煤浆气化2.1冷却水盘管损坏炉连续运行周期的主要因素之一。一般情况下冷却水盘管的作用是保护烧嘴处于髙温工艺水煤浆气化炉工艺烧嘴连续运行时间在30~60d气体的本体部分,冷却水盘管所承受的外部环境就需要停炉检修和更换,因此,水煤浆气化工艺必恶劣,即含有固体颗粒、含有腐蚀介质、具有一定须有备用炉,备用炉在备用期间,还需要一定的燃流速的高温工艺气体。损坏方式一般有以下几料对其进行保温,这是造成投资费用、运行费用增加的重要原因之1)冷却水盘管和外喷头焊接处热应力损坏。如前文所述,为了使水煤浆中的煤粉在气化原因是两个零件之间的连接为角焊缝焊接,壁厚炉中充分气化,必须用氧气对水煤浆进行雾化。差别较大,使用材料一般也不同,又处于烧嘴的端图3示出了水煤浆雾化液滴尺寸和雾化气体流量部,在使用过程中,焊缝处容易产生裂纹(主要是(即气体流速)之间的关系。为了达到良好的雾化热应力的影响)形式的损坏。采取的改进措施是效果气体流速必须达到一定值,也就是说,预混将角焊缝处改为同一种材料,同时调整焊缝处的合腔内的混合物(水煤浆、氧气)流速及外喷头处材料相对厚度,焊接完成后进行消除应力处理,收的外氧流速必须达到一定值。由于混合物中含有到了一定的效果。如图2所示。大量煤粉固体颗粒,会造成中喷头内腔的磨损。煤浆流量454kg/h1200体分配比例:中心管占87%嘴结构尺寸/mmODC=3.2 RC=84564.A766图2改进的冷却水盘管连接方式2)如果冷却水盘管内的冷却水温度控制不200当,会造成盘管表面低温腐蚀,一般将冷却水温度控制在170℃以上比较合适,但实际工艺设计中Q/d°(m3,s-2)-ml冷却水的工作温度一般在50℃以下,这样盘管表图3水煤浆雾化性能和雾化氧气流量的关系面就存在一定量的低温腐蚀。建议在条件允许为了增加中喷头内腔的抗磨损能力,选用抗时,适当提高冷却水温度。另外,盘管应选用高温磨性能良好的材料是目前唯一可行的方法,当然性能稳定的材料,目前材料以 Inconel600为最好。还要考虑抗氧化性能。普遍采用的材料是GH883)冷却水盘管在弯制过程中,要控制好加热和中国煤化工时间也只有30温度和弯制速度,控制管材的变形量和减薄量,减60dCNMHG,主要有煤种、煤少应力集中和裂纹的产生,保证盘管成型后的整浆浓度、生产负荷等。据悉有关单位已经研究成体强度和刚度。盘管的结构设计时,应尽量使所功了具有较长寿命的陶瓷材料中喷头,但还没有224200年第32卷公开的报道。具体的做法是在中喷头的内腔表面也是外喷头损坏的最主要因素。喷涂抗物理磨蚀的硬质合金,对提髙烧嘴的连续工艺烧嘴的出口处存在由水煤浆和氧气组成使用时间有一定的作用,已经取得了阶段性的成的较高流速的射流,此处也是高温工艺气体回流果(图7b),有关试验工作还在继续进行速度最高的区域,外喷头的端面受到含有固体煤预混合腔内的混合物流速不能太小,太小会粉颗粒的高温工艺气体冲刷,这也是造成损坏的造成雾化不佳,影响总体碳转化率。流速也不能原因之一,从气化炉炉拱耐火砖易遭损坏的事实太大,太大则混合物的轴向速度分量大,火焰就会也可证明这一点细长,甚至直冲炉底,影响部分物料的停留时间及碳转化率,而且,从图3中也可以看出,混合物流3提高工艺烧嘴寿命的措施研究速及外氧流速到达一定数值后对水煤浆的雾化尺如前文所述,影响水煤浆气化炉工艺烧嘴使寸的影响也会变得很小。因此,选择合适的工艺用寿命的因素主要有两方面,即中喷头的物理磨烧嘴内、中、外喷头的流速值需要考虑各方面的因损和外喷头因热、化学、应力损坏。以下提出一些素改进措施。23热、化学、应力对外喷头的影响3.1中喷头的物理磨损问题水煤浆气化炉工艺烧嘴的另外一种损坏形1)在满足流量和雾化要求的前提下,选择合式,是外喷头端面出现径向放射性裂纹及不规则适的预混合腔出口流速非常重要4。一般的金属龟裂。烧嘴正常运行一段时间后,沿着外喷头孔材料,在受到含固体颗粒的流体冲刷时,磨损率和口的边沿会出现密集的径向放射性裂纹及不规则流体流动速度之间的关系如图5。可以看出,当的龟裂,见图4。对于裂纹产生的原因,目前还没流体流动速度达到某一数值(可以称之为临界速有权威性的结论,作者认为,其影响因素主要有以度)时,磨损率就会明显增大,若使预混合腔出口下几个方面。的流速低于材料磨损的临界流速,就可以延长中喷头的使用周期。2)从图5还可以看出,不同的材料,抗磨性能有一定的差异。尽管材料D在低速时抗磨性能比材料C(材料A、材料B)差,但其临界速度较高,高速时的抗磨性能明显优于材料C(材料A、材料B)。因此,在预混合腔出口流速的最低值确定以后,寻找具有较高临界磨损速度(当然是针对图4外喷头典型的损坏形式水煤浆)的材料制作中喷头,使其临界磨损速度高1)热冲击影响。由于外喷头的端面向着炉于预混合腔出口流速,其现实意义十分重大。内高温工艺气体,一般为1200~1500℃,金属材料在这样的高温条件下长期工作,冶炼和锻造过程中的所有缺陷都会逐渐暴露出来,这样就会形成不规则龟裂。2)化学影响。由于外喷头端面处的氧气浓度较高,金属材料在高温的氧化环境中,会发生氧化反应。高温情况下,金属材料也会发生一定I粒子速度渗碳(相当于二次冶炼),使金属材料的成分和性图5材料磨损速率和颗粒流速之间的关系能发生变化。另外,煤中的硫及其他腐蚀性成分,3)优化结构尺寸,也可以提高中喷头的抗磨也会使金属表面发生高温硫化及其他腐蚀性能中国煤化工与磨损速率之间3)应力影响。径向放射性裂纹的源头是外的关CNMHG角度对材料表喷头的孔口,这是机械加工后的应力集中部位,在面的蘑损速率影响甚大,磨损速率在某一角度(可高温条件下,应力释放是形成放射性裂纹的根源,以称之为临界角度)时最大。设计中喷头内型面第4期刘孝弟等.改进水煤浆气化工艺装置的一些思考225时,尽量使冲撞角度(水煤浆的流动方向与流动通的防热、防腐作用,大大延长外喷头的使用寿命。道之间的夹角)远离临界角度,也能有效减轻中喷目前,这种方法已经开始实施,工业化运行效果令头的磨损。人满意。如图7a、7b所示,外喷头经过热喷涂后,120目性能得到了非常明显的改善。(a)正常使用一个周期粒子冲撞角度图6材料磨损速率和颗粒冲撞角度之间的关系4)改善表面结构性能。首先,要保证材料表面的光洁度;其次,要保证材料的内在质量均匀;还有一点很重要,就是在中喷头的内表面喷涂抗(b)经热喷涂处理使用一个周期磨材料(例如硬质合金等),改善抗磨性能。图Tb图7工艺烧嘴经热喷涂处理前后使用情况所示的中喷头就是喷涂过硬质合金的产品,可以3.3其他途经看出具有比较明显的效果。需要注意的是,涂层通过以上分析,得出的结论是,导致水煤浆气的厚度有一定的限制,太薄作用不大,太厚可能会化炉工艺烧嘴寿命短的外部原因,一是含有固体脱落。因此,这种改进也是有局限的。颗粒的水煤浆对中喷头的物理磨损;二是高温工3.2外喷头的延寿措施艺气体对外喷头的热、化学、应力损坏。关于中喷解决外喷头问题的最直接方法,就是选取合头的物理磨损前文已经进行了比较详细的讨论,适的材料及改善材料的耐高温腐蚀和耐热冲击性虽然对外喷头在高温气体环境下的化学腐蚀机理能,同时在外喷头加工完成后作消除应力处理。还没有定论,但是,降低外喷头端面的气体温度和目前公认最好的材料是GH188和UMCo50,但即氧气浓度以及工艺气体回流速度,肯定会减小外便是用这两种材料制作的外喷头,运行周期离生喷头因受热、化学、应力损坏的速度和强度。产的要求也很远。为了解决这一问题,从下几个在保证气化炉总体性能的前提下,如果能够方面已有所考虑和尝试。通过其他途径缓解工艺烧嘴对水煤浆雾化程度的1)改外喷头的材料为多孔陶瓷或多孔金属,要求,就可以降低预混合腔出口混合物的流速,这将部分氧气通过多孔介质直接喷入气化炉,这样样必然会降低中喷头的物理磨损速率。如果能够可以保证端面的有效冷却,防止高温带来的大部通过其他途径降低工艺烧嘴外喷头端面的温度及分问题。如果能用多孔陶瓷,化学腐蚀和物理磨工艺气体的回流速度,必然能够降低外喷头受热、损问题也有可能同时解决。美国专利(专利号化学、应力损坏的速度,从而延长工艺烧嘴的使用CN056916C)中提出了实施的原理,但是,多孔材寿命。料(特别是陶瓷)如何保证密封和强度将是新的问题。直至目前,还没有看到实际应用的产品。4水煤浆的分级气化工艺技术2)在外喷头的端面加装防热保护板,保护板41分级气化技术简介的材料选择及联结则是需要解决的主要问题。美由北京达立科科技有限公司、清华大学、山西国专利(专利号CN10358C)提出,按照外喷头的丰喜肥业集团共同开发的水煤浆分级气化技术端面形式,用特种材料适配一种防热保护板,避开(也中国煤化工七技术),气化炉的密封条件的限制,但也没有实际使用的报道。进CNMH水煤浆气化工艺3)利用热喷涂技术将特种耐热、耐化学腐蚀中原个。以尔中,增加了二次补的合金粉末喷涂到外喷头的端面,可以起到良好氧烧嘴,减轻了工艺烧嘴的原料(主要是氧气)的2009年第32卷供应量,导致工艺烧嘴出口处的髙温工艺气体回流量降低,高温工艺气体回流量减少,相应烧嘴外流量减少,同时工艺烧嘴出口处的氧气含量下降,喷头端面处的气体流速和温度均会下降。清华大共同作用是烧嘴出口温度降低、工艺气体回流速学在试验室中测出的温度下降值大约为200℃度降低,对于影响工艺烧嘴外喷头的几个主要矛(图9),这对改善工艺烧嘴外喷头的工作环境非盾均有所缓解。利用二次补氧烧嘴的作用,可以常重要,实际生产中的下降幅度与试验值会有降低工艺烧嘴对水煤浆的雾化要求,这对减轻工定差异,但工艺烧嘴外喷头端面受高温而产生的艺烧嘴的中喷头磨损是很关键的。热、化学、应力的影响必然会明显减弱。如何利用这样一个合理的思路,配套设计工艺烧嘴和二次补氧烧嘴,将是该工艺方法能否成两段式气化连续性气化功实施的关键所在。通过与以上所述的三方多次讨论和协商,最终确定了组合烧嘴的设计方案和121.4流量分配原则,简要介绍如下。沿气化室高度装哪气水图9分级气化(两段式气化)与一级气化(连续气化)的温度场比较次补氧烧嘴其余20%本应从工艺烧嘴进入气化炉的氧气,通过图8所示的两个二次补氧烧嘴送入气化炉中,一方面满足气化炉的总氧量要求,同时利用高速喷入的氧气,对工艺烧嘴喷出的未完全雾化图8水煤浆分级气化技术气化炉进料方式1)将工艺烧嘴的氧气流量降到普通气化(也的水煤浆进行二次雾化。除了能够有效延长工艺烧嘴的工作寿命以外,气化炉内的温度场也得到可称之为一级气化)工艺烧嘴氧量的80%左右°了改善。由于氧气的二次加入,相对来说延缓了氧气按外氧和中心氧再分配后,在不改变工艺烧氧化反应的进程,可通过加大炉膛轴向尺寸弥补,嘴结构的前提下,使预混合腔的流速适当下降,下典型情况下,炉膛轴向尺寸要加长05m左右。降幅度约为20%左右,这样中喷头的物理磨损速率就会下降。下降量可以用下面的冲量公式(忽水煤浆分级气化技术,在以上三方的共同努略摩擦损失和混合损失)粗略估算出来。力下,在所有设备配套单位的支持下,工程项目于2006年1月一次成功开车,并于2007年12月6Go Vo= Gs Vs+GyVy日通过了中国石油和化学工业协会组织的专家鉴式中:Cn、Gs、Cy一混合物、水煤浆、中心氧定。根据整体工艺参数要求研制的水煤浆工艺烧气质量流量嘴和二次补氧的氧气烧嘴也经过了严格的考验,Vo、Vs、Vy-混合物、水煤浆、中心氧气流速。特别是二次补氧的氧气烧嘴属于国际首创得到2)在水煤浆流量保持不变的情况下,由于通了专家组的较高评价。过工艺烧嘴的氧气流量下降了20%左右,烧嘴出经过山西丰喜肥业集团现场使用表明,气化口处高温工艺气体的回流量也会下降,下降量可炉工艺烧嘴的中喷头可持续运行时间超过100d,用下式计算。外喷头可持续运行时间超过200d,氧气烧嘴的可Ge/Co+1=0.32(p/9)X/d持续运行时间预期可以超过5a。说明水煤浆分式中:Ge、Co回流高温工艺气体流量和工级气化工艺技术中的关键参数分配合理,同时说艺烧嘴的总流量;明针对水煤浆分级气化工艺技术所研制的组合烧p、9—回流高温气体密度、混合物密度嘴设计方案正确,达到了预期的目的。目前,对于X一离开喷口的距离;中喷头耐磨材料和外喷头抗化学腐蚀材料喷涂的d—喷口直径。试验M凵中国煤化工果再应用到分级总的结果是,一方面,通过工艺烧嘴的总氧量气化CNMHG预测,水煤浆气化下降,使烧嘴外喷头端面的氧气浓度下降,局部的炉的连续使用周期还将更长,必将对水煤浆加压氧化放热反应减弱;另一方面,由于工艺烧嘴的总气化工艺技术带来新的竞争力第4期刘孝弟等.改进水煤浆气化工艺装置的一些思考2274.2分级气化工艺技术原料供应烧嘴的设计费用低等优点。其缺点之一就是烧嘴使用寿命匚艺烧嘴的设计仍然采用了类似于图1所示短,影响气化炉的连续运行周期。针对水煤浆气的结构形式,将全部水煤浆和80%氧气由工艺烧化工艺技术存在的一些问题,该文从工艺烧嘴的嘴送入气化炉中。由于二次补氧烧嘴的存在,将结构、材料改进及工艺技术的发展等方面提出了图1所示预混合腔的混合物流速下降了30%,保系列个人观点和建议,有些可能不成熟,有些实持外喷头的外氧流速不变,这样可以保证在减轻现起来还需要做许多研究和试验工作,特别是中中喷头的物理磨损的同时,保证整个工艺烧嘴的喷头新型耐磨材料的应用,流道型面的优化,中喷基本雾化性能。头耐磨层的喷涂,外喷头抗高温腐蚀材料的喷涂次补氧烧嘴的结构设计,采用了独特的夹等。同时,简单介绍了水煤浆的分级气化技术,以套式冷却方式,同时选用了合适的耐高温材料,保及相应工艺烧嘴和二次补氧烧嘴的设计方案和设证二次补氧烧嘴的抗热性能。同时为了满足水煤计准则,相信通过广大科技工作者和技术人员的浆的二次雾化要求,在满足供应流量(20%氧气)不断努力,通过改进工艺方式和烧嘴,水煤浆加压和供应压力的条件下,保证二次氧气的流速大于煤气化技术必将在我国的煤化工中发挥更大的作200m/s,从而使二次氧气具有足够的穿透能力,用达到对水煤浆的二次雾化和与炉膛工艺气体的有参考文献效混合作用。1贺永德,现代煤化工技术手册.北京:化学工业出版社,20042章荣林,怎样选择煤气化工艺技术.氮肥与甲醇,2007,2(2)5结论刘孝弟等,水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨.氮肥与相对来说,水煤浆加压气化技术,具有气化压甲醇,2008,3(6):12~17力高、气化炉结构简单、供应系统容易实施、投资4阀门技术手册,北京:机械工业出版社,91THOUGHTS ON MODIFICATION OF PLANT WITH COAL- WATERSLURRY GASIFICATION PROCESSBeying Aerospace Propulsion Institute, Beying, 100076)Yin rusherShaanxi Weihe Coal Chemical Inc, Weinan, 714000)Abstract Aimed at the problems existed in coal-water slurry process, put forward proposalsand improving measures from the aspects of process burmer structure, material improvement as well asprocess development, etc., analyzed the results of the execution of some improving measures, andpresented scheme and rules for the design of grading gasification of coal-water slurry and correspondng feeding burmer (process bumer and Secondary O2 make-up burmer)Key words: coal-water slurry, gasification process, feeding burmer, improving measures江海牌尿素通过国家化肥行业检查中国石油化工股份有限公司九江分公司“江海”牌尿素再次顺利通过了国家化肥行业质量检查组一年一度的尿素产品质量现场抽检。在九江分公司化肥成品车间,国家化肥行业质量对该公司50kg定量包装的尿素产品进行了现场抽样检测,其结果为:尿素产品总氮(N)含量46.54%、缩二脲含量中国煤化工基二脲含量0.34%粒度为9%,产品批次平均净重量为50k产品质量完全符合CNMHG九江石化忌厂检安公司汪学峰