水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問(wèn)題的探討

第36卷第2期化肥工業(yè).2009年4月水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問(wèn)題的探討劉孝弟,王岳,李兵科(北京航天動(dòng)力研究所100076)摘要工藝燒嘴損壞是水堞漿氣化爐 不能長(cháng)周期運行的主要原因。導致燒嘴損壞因素主要有冷卻水盤(pán)官損壞、物理磨蝕、熱沖擊、化學(xué)影響、應力破壞等:提出了改進(jìn)措施以延長(cháng)燒嘴的使用壽命,主要包括降低流速、改進(jìn)材質(zhì)、優(yōu)化結構等,關(guān)鍵詞水煤漿氣化爐 燒嘴損壞措施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水煤漿加壓 氣化爐工藝燒嘴存在的問(wèn)果。但中心氧的比例有一定的限制條件,一般為總氧量的5% ~25% (體積分數) ,其余均作為外題氧。中心氧量不能太小，不然達不到對煤漿的稀1.1 工藝燒嘴設計的一般原則釋和加速作用。中心氧量太大,-方面會(huì )使預混(1)結構形式為同心三套管形式。燒嘴中心合區的混合物流速增加太多,造成中心管出口處氧管的出口設計成縮口形式,目的是對中心氧進(jìn)的磨損加快,降低燒嘴的連續使用壽命,這一點(diǎn)正行加速,同時(shí)其端面距燒嘴斷面基準面有一定的是影響燒嘴使用壽命的最主要因素;另一方面使縮入量,形成一個(gè)水煤漿與中心氧的預混合腔。燒嘴出口物料的軸向速度分量增大.徑向速度分水煤漿的出口管路也設計成縮口形式,使進(jìn)人預量減小,其結果使整個(gè)燒嘴出口的火焰形狀變得混合腔的水煤漿具備一定的速度。在預混合腔細長(cháng),無(wú)法與氣化爐的內部型面匹配，造成較大直內,利用中心氧對水煤漿進(jìn)行稀釋和初加速.改善徑的煤粉顆粒在氣化爐內的停留時(shí)間縮短.爐渣水煤漿的流變性能,共同的作用就是為了提高水中的含碳量增加,引起氣化效率降低，而且會(huì )使火煤漿在離開(kāi)燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮口焰直沖爐底,影響爐底激冷環(huán)的工作。比例更大些，目的是提供更高流速的氧氣,使通過(guò)(3)中心氧的出口流速150~ 180 m/s,煤漿預混腔的水煤漿混合物得以良好霧化.以便在氣.出口流速2 ~4 m/s,預混合腔出口平均流速12 ~化爐內獲得良好的氣化效果。20 r中國煤化工m/sc(2)無(wú)論是中心氧還是水煤漿及外氧的流通1.2CH.CNMHC素，面積,均需要滿(mǎn)足各自介質(zhì)的流量要求.在供應壓水煤漿加比氣化技術(shù)的-大弱點(diǎn)就是其工藝力允許的情況下,力爭達到必要的混合和霧化效燒嘴的一次性連續使用壽命較短.影響了單臺氣20第36卷第2期化肥工業(yè)2009年4月.. 化爐的連續運行時(shí)間。因此,一般情況下均有備有30~60 d。影響這一周期的因素很多,主要有用爐在線(xiàn),以便更換和維修工藝燒嘴。根據多年煤種、生產(chǎn)負荷等。據了解,有關(guān)單位已經(jīng)研制成來(lái)從事水煤漿氣化爐工藝燒嘴的研制經(jīng)驗和工業(yè)功了具有較長(cháng)壽命的陶瓷材料的中噴頭,但還未化運行的生產(chǎn)實(shí)際情況，水煤漿氣化爐工藝燒嘴見(jiàn)公開(kāi)報道。北京航天動(dòng)力所在中噴頭的內腔表的損壞方式主要有3個(gè)方面。面噴涂抗物理磨蝕的硬質(zhì)合金,對提高燒嘴的連(1)冷卻水盤(pán)管的破壞續使用時(shí)間起到了一定的作用,有關(guān)試驗工作還設計冷卻水盤(pán)管的目的是為了保護燒嘴處于在繼續進(jìn)行中。高溫工藝氣體的本體部分。冷卻水盤(pán)管處于最苛預混合腔內的混合物流速不能太小。否則會(huì )刻的外部環(huán)境中,其破壞形式- -般有下面幾種。造成霧化不佳,影響總體碳轉化率。流速也不能①冷區水盤(pán)管和外噴頭焊接處的熱應力破太大，否則混合物的軸向速度分量太大,火焰就會(huì )壞。原因是兩個(gè)零件之間的焊接方式為角焊縫,變得細長(cháng),甚至直沖爐底,影響部分物料的停留時(shí)壁厚差別較大,使用材料也不同,又處于燒嘴的端間,進(jìn)而影響碳轉化率?；旌衔锪魉龠_到一定數部,在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋(主要是熱應力值后,對霧化液滴尺寸的影響作用也會(huì )變得很小。的影響)形式的破壞。目前采取的改進(jìn)方案是將(3)熱、化學(xué)應力對外噴頭的影響角焊縫處改為同- -種材料收到了一定的效果。影響水煤漿氣化爐工藝燒嘴連續使用壽命的②冷卻水盤(pán)管內的冷卻水溫度如果控制不另一種損壞形式是外噴頭端面的徑向放射性裂紋當,會(huì )造成盤(pán)管表面的低溫腐蝕。-般應將冷卻及不規則龜裂的形成。在燒嘴正常運行一段時(shí)間水溫度控制在170心以上較合適。但在實(shí)際工藝后,沿著(zhù)外噴頭孔口的邊沿會(huì )出現密集的徑向放設計中,冷卻水的操作溫度一般為50 C以下,這射性裂紋及不規則的龜裂。裂紋的產(chǎn)生原因目前樣就存在盤(pán)管表面的低溫腐蝕。另外,盤(pán)管的材還沒(méi)有形成權威性的結論,筆者認為其影響因素質(zhì)應選用高溫性能穩定的材料,目前可用的材料主要有以下幾個(gè)方面。以Inconel600為最好。①熱沖擊影響。由于外噴頭的端面迎著(zhù)爐③冷卻水盤(pán)管在彎制過(guò)程中,要控制好加熱內高溫(一般為1 200~1 500 C)的工藝氣體,金溫度和彎制速度,控制管材的變形量和減薄量,保屬材料在此高溫條件下長(cháng)期工作,并受到高速煤證盤(pán)管成型后的整體強度和剛度。漿氧及工藝氣體回流的不斷沖刷,就會(huì )使材料在④在正常運行過(guò)程中,由于工藝燒嘴端面處冶煉和鍛造過(guò)程中的所有缺陷逐漸暴露出來(lái),這存在較強的氣體回流,工藝燒嘴與氣化爐內壁之樣就會(huì )形成不規則的龜裂。間的空隙處經(jīng)常會(huì )出現積渣,在燒嘴拔出時(shí)也會(huì )②化學(xué)影響。由于外噴頭處的氧氣濃度較造成盤(pán)管的損壞。增加盤(pán)管的壁厚等級可以有效高,金屬材料在高溫的氧化環(huán)境中會(huì )發(fā)生氧化反減輕這一損壞方式。應。在高溫情況下,金屬材料也會(huì )發(fā)生一定的滲(2)中噴頭的物理磨蝕碳效應,使金屬材料的成分和性能發(fā)生變化。另，為了使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣外,煤中含有的硫也會(huì )使金屬表面發(fā)生高溫硫化化,必須用相應數量的氧氣對水煤漿進(jìn)行有效霧腐蝕?；?且為了達到良好的霧化效果,氣體的流速必須③應力影響。徑向放射性裂紋的源頭是外達到一定的數值,即預混合腔內的混合物(水煤噴頭的孔口。這里是該零件機械加工后應力集中漿、氧氣)流速必須達到一定的數值,但由于混合的部位,在高溫條件下,應力的釋放是造成放射性物中含有大量的煤粉固體顆粒,這是造成中噴頭裂紋的根源,也是外噴頭破壞的最主要因素。內腔磨損的主要原因。工藝燒嘴的出口處存在較高的射流,也是高為了增加中噴頭內腔的抗磨損能力,選用抗畢,外噴頭的端面磨性能良好的材料成為目前唯一可用的方法,當受至刷.H中國煤化工藝氣體的不斷沖然還要考慮其抗氧化性能。當前普遍采用的材料CN M H G氣化爐爐拱耐火是CH188和UMCo-50.可以連續工作的時(shí)間也只磚易遭損壞的事實(shí)也可證明這一點(diǎn)。21第36卷第2期化肥工業(yè)2009年4月.型面時(shí),使沖撞角度盡量遠離臨界角度.對減輕材2提高水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴壽命料的磨損速率也會(huì )帶來(lái)益處。的途徑(4)改善表面結構性能,如保證表面的光潔2.1中噴頭度保證材料內在質(zhì)量的均勻、在中噴頭內孔表面(1)在滿(mǎn)足流量要求和霧化要求的前提下，噴涂抗磨材料(硬質(zhì)合金等),以改善其抗磨性應盡量降低預混合腔的出口流速。一般的金屬材能。需要注意的是:涂層的厚度具有一-定的限制，料在受到含固體顆粒的流體沖刷時(shí),其磨損率與不然會(huì )造成脫落,因此這種改進(jìn)也是有局限性的c顆粒流速之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。當顆粒流速達到某2.2外噴頭-數值(臨界速度)時(shí),磨損率就會(huì )明顯增大。盡解決外噴頭存在問(wèn)題的最直接方法就是有效量使預混合腔出口物料的流速低于材料磨損的臨改變材料的耐高溫腐蝕和耐熱沖擊的性能,同時(shí)界流速,必然會(huì )延長(cháng)中噴頭的使用壽命c(diǎn)在外噴頭加工完成后有效消除應力。目前普遍認為最好并采用的材料是CHI88和UMCo-50,但離實(shí)際生產(chǎn)中所需的長(cháng)周期運行要求仍然差距很大。為了解決這一問(wèn)題,廣大科研人員在以下幾個(gè)方面已經(jīng)有所考慮和嘗試。Jc(1)將外噴頭的材料改成多孔陶瓷或多孔金屬,使部分氧氣通過(guò)多孔介質(zhì)直接噴人氣化爐,可保證端面的有效冷卻,防止高溫帶來(lái)的所有問(wèn)題。顫粒流速如果能用多孔陶瓷實(shí)施,化學(xué)腐蝕和物理磨損也圖1材料磨損速率與顆粒流速之間的關(guān)系有可能同時(shí)得到解決。美國專(zhuān)利(專(zhuān)利號為(2)從圖1還可以看出:對于不同的材料.其CN1056916C)提出了實(shí)施的原理。但是多孔材料抗磨性能有- -定的差異。如:材料D在低速時(shí)抗特別是陶瓷的連接方式(保證密封和耐壓條件)磨性能比材料C差,但其臨界速度偏高,高速時(shí)將會(huì )帶來(lái)新問(wèn)題,至今尚無(wú)實(shí)際運行的產(chǎn)品。的抗磨性能明顯高于材料C。因此,在預混合腔(2)為外噴頭的端面加裝防熱保護板,保護出口物料流速的最低值確定以后,尋找具有較高板的材料選擇及連接方式應該是需要解決的主要臨界磨損速度(針對水煤漿)的材料制作中噴頭,問(wèn)題。美國專(zhuān)利(專(zhuān)利號為CN1110358C)提出，使其臨界磨損速度高于預混合腔出口物料流速，按照外噴頭的端面形式,用特種材料匹配- -種防其現實(shí)意義十分重大。熱保護板，避免了密封條件的限制,但也沒(méi)有實(shí)際(3)優(yōu)化結構尺寸也可以提高中噴頭的抗磨使用的報道。性能。材料磨損速率與顆粒沖撞角度之間的關(guān)系(3)利用熱噴涂技術(shù)將特種耐熱、耐腐蝕的見(jiàn)圖2。合金粉末噴涂到外噴頭端面,可以起到良好的防熱、防腐作用,大大延長(cháng)外噴頭的使用壽命。通過(guò),120目|000目篩選特種合金粉末的種類(lèi)和改良熱噴涂工藝,相信這種方案能夠取得令人滿(mǎn)意的效果。目前該工藝方案已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施,工業(yè)化運行效果令人滿(mǎn)意。2.3其 它途經(jīng)通過(guò)以上分析還可以得出:在保證氣化爐總順教沖捕危度體性能的前提下,如果能夠通過(guò)其它途經(jīng)緩解要圍2材料磨 損速率與顆粒沖撞角度之間的關(guān)系求] |中國煤化工.就可以降低預從圖2可以看出，固體顆粒沖撞角度對材料會(huì )降低中噴頭的MHCNMH E途徑降低燒嘴表面的磨損速率影響甚大.在某一角度(臨界角物理石頂還干，川不比V心從代度)時(shí),麋損速率存在最大值。在設計中噴頭內外噴頭瑞面的溫度必然能降低外噴頭受熱.化22第36卷第2期化肥工業(yè)2009年4月學(xué)、應力破壞的速度。200一段式氣化由北京達立科科技有限公司、清華大學(xué)、山西HI 1000豐喜肥業(yè)集團共同開(kāi)發(fā)的水煤漿分級氣化技術(shù)900101214(“非熔渣-熔渣"煤氣化技術(shù)) ,就是從以上兩點(diǎn)沁氣化窒高度/田進(jìn)行改進(jìn)的。圄3分級氣化(兩段式氣化)與- -級(1)將工藝燒嘴的氧氣流量降至普通氣化工氣化(連續氣化)的溫度場(chǎng)比較藝(也可稱(chēng)之為一級氣化)燒嘴氧量的80%(體積漿進(jìn)行二次霧化,不僅解決了工藝燒嘴工作壽命分數)左右,通過(guò)外氧和中心氧的再分配后.預混向題.而且氣化爐內的溫度場(chǎng)也得到了改善。由合腔的流速就會(huì )出現明顯下降(下降幅度約為于氧氣的二次加入,相對來(lái)說(shuō)延緩了氧化反應的20%) ,這樣中噴頭的物理磨損速率就會(huì )下降。過(guò)程,因此要加大爐膛的軸向尺寸來(lái)進(jìn)行彌補。這一點(diǎn)可以用沖量公式(忽略摩擦損失和混合損典型情況下,爐膛軸向尺寸要加大500 mm左右。失)粗略估計出來(lái): .根據以上.改進(jìn)方案.北京航天動(dòng)力研究所研GoVo=G,V, +C,V,(1)制了相應的水煤漿工藝燒嘴和二次補氧的氧氣燒式中:G6,G,,C,-分別為混合物 、水煤漿、嘴。該工程項目于2007年12月6日通過(guò)了中國中心氧氣質(zhì)量流量;石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì )組織的專(zhuān)家鑒定,研制的兩.Vo.V..V,-分 別為混合物、水煤漿、種燒嘴均得到了好評。中心氧氣流速。經(jīng)山西豐喜肥業(yè)集團現場(chǎng)使用，證明氣化爐工(2)在水煤漿流量保持不變的情況下,由于藝燒嘴的中噴頭可持續運行時(shí)間超過(guò)100 d,外噴通過(guò)工藝燒嘴的氧氣流量下降了20%左右,在燒頭的可持續運行時(shí)間超過(guò)200 d,氧氣燒嘴的可持嘴出口處的高溫工藝氣體回流量也會(huì )下降,從式續運行時(shí)間預期可超過(guò)5年。在中噴頭耐磨材料(2)可以明顯看出這一點(diǎn): .和外噴頭抗化學(xué)腐蝕材料噴涂試驗完成以后,用于C./G。+1 =0.32(p./po)X/d。(2)分級氣化的工藝燒嘴的連續使用壽命還將延長(cháng)。式中:G.,Co一分別為回流高溫工藝氣體流華東理工大學(xué)的水煤漿四對置燒嘴工藝技量和工藝燒嘴的總流量;術(shù),由于燒嘴流出的物料在爐內實(shí)現了二次對沖，ρ.- - -回流介 質(zhì)的密度;所以可以考慮降低單燒嘴的出口流速。這一方面po一- -主流介質(zhì)的密度;可以減輕中噴頭的磨損,另一方面對沖流速也會(huì )X一-離開(kāi)噴嘴出口的距離;降低,可以減輕對氣化爐爐頂磚的沖刷,延長(cháng)爐頂do-- -噴嘴的出口直徑。磚的使用壽命。另外,如果將四對置燒嘴改為二結果:①由于工藝燒嘴的總氧量下降,使燒對置燒嘴,也可以達到對沖的目的,同時(shí)達到節約嘴外噴頭斷面的氧氣濃度下降,局部的氧化放熱投資和減少控制點(diǎn)的目的。反應減弱;②由于工藝燒嘴的總流量減少,會(huì )使3結語(yǔ)高溫工藝氣體回流量減少,燒嘴外噴頭端面處的環(huán)境氣體溫度就會(huì )下降。清華大學(xué)在實(shí)驗室中測相對而言,水煤漿加壓氣化技術(shù)具有氣化壓出的溫度下降幅度約為200 C(圖3)。這對于工力高氣化爐結構簡(jiǎn)單、投資費用低等優(yōu)點(diǎn);其缺藝燒嘴外噴頭的工作環(huán)境改善非常重要。實(shí)際生點(diǎn)之一就是燒嘴使用壽命短,影響氣化爐的連續產(chǎn)中的下降幅度可能會(huì )有所差異,但其結果是燒運行周期。對于如何提高燒嘴的使用壽命提出的嘴外噴頭端面受到高溫而產(chǎn)生的熱化學(xué)、應力的一系列觀(guān)點(diǎn)和建議,有些可能不成熟,有些實(shí)現起影響均會(huì )有明顯減弱。來(lái)還需要做許多研究和試驗工作,特別是中噴頭本應從工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐的其余20% (體新型耐磨材料的應用通道型面的優(yōu)化中噴頭耐積分數)氧氣通過(guò)2個(gè)二次補氧燒嘴送人氣化磨層中國煤化工料的噴涂等,均爐中.既滿(mǎn)足氣化妒的總體氧最要求.又利用高速需要!Y片CN MH G突破c噴入的氧(對工藝燒嘴噴出的未完成霧化的水煤(收稿日期 2008-11-24)23