王德海

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100010)

1 煤氣化燒嘴的工作原理和分類

燒嘴是煤氣化裝置的核心設(shè)備之一，是一種將氣化介質(zhì)與氣化劑混合霧化并燃燒的設(shè)備，其基本形狀為一圓筒體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)大都是多流道套管形式?，F(xiàn)代煤氣化燒嘴內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)包含氣化介質(zhì)通道、氣化劑通道和燒嘴冷卻水通道。氣化介質(zhì)一般通過氣化劑(一般為純氧)射流氣力霧化，氣化介質(zhì)在氣化劑的氣力剪切或旋流作用下進(jìn)行霧化并混合燃燒。氣力式霧化燒嘴按照霧化方式可分為內(nèi)混、半內(nèi)混和外混3種形式，其中：內(nèi)混式燒嘴在燒嘴出口之前設(shè)有混合腔，氣化劑與氣化介質(zhì)在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行霧化；外混式霧化燒嘴是氣化劑與氣化介質(zhì)在離開燒嘴后相遇進(jìn)行霧化；半內(nèi)混式霧化燒嘴則是預(yù)混合霧化與外混合霧化相結(jié)合。單純從霧化方式的設(shè)計理念分析，內(nèi)混式燒嘴霧化效果最好；從對燒嘴的保護(hù)角度分析，氣化介質(zhì)對外混式燒嘴的磨損較小，而對內(nèi)混式燒嘴的磨損較大[1- 2]。

根據(jù)功能的不同，燒嘴又可分為點(diǎn)火燒嘴、開工燒嘴和工藝燒嘴。點(diǎn)火燒嘴用于氣化爐開車過程中點(diǎn)火啟動開工燒嘴或工藝燒嘴；開工燒嘴是點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火成功后投用的燒嘴，可以進(jìn)一步穩(wěn)定火焰并提高氣化爐溫度和壓力，為工藝燒嘴的投用作準(zhǔn)備；工藝燒嘴是正常生產(chǎn)運(yùn)行的主燒嘴，在開工過程中最后投用。點(diǎn)火燒嘴和開工燒嘴的燃料一般為氣體燃料或者液體燃料。

按照氣化原料的不同，氣化燒嘴又可分為水煤漿氣化燒嘴和粉煤氣化燒嘴。按照氣化工藝匹配，目前具有代表性的水煤漿氣化燒嘴是德士古氣化燒嘴，具有代表性的粉煤氣化燒嘴有殼牌氣化燒嘴和GSP氣化燒嘴。目前國內(nèi)具有代表性的水煤漿氣化燒嘴有西北化工研究院的多元料漿氣化燒嘴和華東理工大學(xué)的多噴嘴氣化燒嘴，具有代表性的粉煤氣化燒嘴有西安熱工院的兩段式氣化燒嘴和航天粉煤氣化燒嘴。由五環(huán)工程公司開發(fā)的五環(huán)粉煤氣化燒嘴也已經(jīng)有了較為成熟的工業(yè)應(yīng)用。

2 水煤漿氣化燒嘴

目前，國內(nèi)水煤漿氣化燒嘴應(yīng)用比較成熟的主要有德士古氣化燒嘴和多噴嘴氣化燒嘴。由于水煤漿屬于非牛頓黏性流體，霧化性能較差，所以水煤漿氣化燒嘴在結(jié)構(gòu)上必須采用加強(qiáng)霧化性能的設(shè)計，目前德士古氣化燒嘴和多噴嘴氣化燒嘴的霧化方式分別采用了預(yù)混霧化設(shè)計和預(yù)膜霧化設(shè)計。

2.1 德士古預(yù)混式氣化燒嘴

如圖1所示，德士古氣化燒嘴有3個通道，由外至內(nèi)分別是外環(huán)氧氣通道、水煤漿通道和中心氧氣通道。中心氧氣通道出口前端設(shè)有1個預(yù)混合腔，為中心氧氣與水煤漿提供了預(yù)混合空間。在預(yù)混合腔內(nèi)，中心氧氣稀釋了水煤漿并使其加速，水煤漿的流變性得到改善并被初步霧化，初步霧化的水煤漿在外燒嘴噴頭出口處被外環(huán)氧氣剪切進(jìn)行第2次霧化。預(yù)混式氣化燒嘴結(jié)合了內(nèi)混式霧化和外混式霧化2種霧化方式，通過2次霧化增強(qiáng)了氣化燒嘴的霧化能力。

圖1 德士古預(yù)混式氣化燒嘴及結(jié)構(gòu)

由于要承受1 400 ℃左右的高溫，所以必須要有相應(yīng)的冷卻措施。德士古氣化燒嘴的冷卻方式為纏繞式冷卻水盤管加水夾套，可以有效降低燒嘴機(jī)體與向火面端部的溫度，以減輕火焰對燒嘴的熱沖擊。德士古氣化燒嘴由于承受水煤漿的磨損比較嚴(yán)重，所以在設(shè)計時會適當(dāng)增加燒嘴的壁厚，同時向火面采用耐高溫合金。

2.2 多噴嘴預(yù)膜式氣化燒嘴

多噴嘴氣化燒嘴是由華東理工大學(xué)聯(lián)合兗礦集團(tuán)共同開發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。多噴嘴氣化燒嘴采用預(yù)膜式霧化設(shè)計，內(nèi)燒嘴與中間燒嘴和外燒嘴端部的距離差值較小，燒嘴前端內(nèi)部沒有設(shè)置預(yù)混合區(qū)域，所以中心氧氣與水煤漿沒有預(yù)混合過程，而是與水煤漿在內(nèi)燒嘴與中間燒嘴出口位置先形成一層薄的煤漿膜，煤漿膜在外燒嘴出口處受到外環(huán)隙氧氣高速氣流的剪切作用進(jìn)一步霧化。預(yù)膜式燒嘴的設(shè)計其實是結(jié)合了半混式霧化和外混式霧化2種霧化方式。由于多噴嘴氣化燒嘴的中心氧管與中間燒嘴之間的空間較小，不能形成混合霧化區(qū)域而只能形成一層煤漿膜，降低了水煤漿對中間燒嘴的沖擊，可以在很大程度上降低水煤漿對中間燒嘴的磨損。從理論上講，在同樣材質(zhì)和流量負(fù)荷下，預(yù)膜式氣化燒嘴的使用周期比預(yù)混式氣化燒嘴長。由于預(yù)膜式氣化燒嘴沒有預(yù)混合區(qū)域，同樣條件下的單只燒嘴的霧化性能低于預(yù)混式氣化燒嘴。但實際工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，多噴嘴氣化爐的氣化效率高于單噴嘴德士古氣化爐，其主要原因是對置的氣化燒嘴所形成的對沖撞擊不僅可以增強(qiáng)水煤漿的霧化效果及氧煤混合效果，而且爐膛內(nèi)煤顆粒的徑軸向速度比大于德士古氣化爐，較高的徑軸向速度比使得多噴嘴氣化爐內(nèi)煤顆粒平均停留時間比在德士古氣化爐中長，可以有效保證煤漿在爐內(nèi)得到充分氣化，有利于提高煤的碳轉(zhuǎn)化率。

圖2 多噴嘴預(yù)膜式氣化燒嘴及結(jié)構(gòu)

3 粉煤氣化燒嘴

粉煤氣化燒嘴的氣化介質(zhì)為粉煤，氣化劑為純氧。粉煤氣化燒嘴大多采用旋流霧化設(shè)計，這是由于粉煤是懸浮的密相固態(tài)流體，流體無黏性，采用旋流霧化設(shè)計可以大大提高煤粉的彌散效果。按照氣化工藝匹配，目前國內(nèi)典型的粉煤氣化燒嘴有殼牌粉煤氣化燒嘴、GSP粉煤氣化燒嘴、航天粉煤氣化燒嘴等。

粉煤氣化燒嘴屬于氣力式射流霧化中的旋流霧化形式。由于粉體的彌散性能比水煤漿強(qiáng)，所以粉體霧化的氣流速度比較低，因此對燒嘴的磨損程度相對于水煤漿燒嘴要輕得多。

3.1 殼牌粉煤氣化燒嘴

殼牌粉煤氣化燒嘴是殼牌公司專門為殼牌氣化爐設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 殼牌粉煤氣化燒嘴及結(jié)構(gòu)

殼牌粉煤氣化燒嘴的中心通道走的是煤粉，外環(huán)隙是氧氣，氧氣環(huán)隙通道出口設(shè)置了旋流翅片，使氧氣在出口處形成旋流以增強(qiáng)對煤粉的霧化作用。殼牌粉煤氣化燒嘴的冷卻與德士古氣化燒嘴不同，采用的是循環(huán)冷卻水夾套，其冷卻效果優(yōu)于德士古氣化燒嘴的冷卻水系統(tǒng)。除了循環(huán)冷卻水夾套外，殼牌粉煤氣化燒嘴的冷卻系統(tǒng)還設(shè)置有燒嘴冷卻罩，系由內(nèi)通冷卻水的盤管組成，鑲嵌在爐壁上，為氣化燒嘴向火面端部提供一個相對低溫的工作環(huán)境。

殼牌粉煤氣化燒嘴除了工藝燒嘴外，還有點(diǎn)火燒嘴和開工燒嘴，這3只燒嘴是相互獨(dú)立的。西安航天源動力工程有限公司將殼牌氣化點(diǎn)火燒嘴與開工燒嘴合二為一，設(shè)計成為組合式點(diǎn)火開工燒嘴。該款改進(jìn)型的點(diǎn)火開工燒嘴降低了制造成本、簡化了開工的操作程序、減少了設(shè)備的維護(hù)量，具有點(diǎn)火成功率高和耐燒損等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)開始替代進(jìn)口燒嘴。

3.2 GSP粉煤氣化燒嘴

如圖4所示，GSP粉煤氣化燒嘴是德國西門子燃料氣化技術(shù)有限公司開發(fā)的氣化專有設(shè)備，采用多通道共環(huán)式設(shè)計，主體通道從外至內(nèi)依次是煤粉環(huán)隙、主氧環(huán)隙、點(diǎn)火燃料環(huán)隙和點(diǎn)火氧環(huán)隙，中心管內(nèi)安裝有高電壓點(diǎn)火槍和火檢。粉煤通道采用三流道旋流設(shè)計，氧氣通道出口采用旋流設(shè)計，與殼牌粉煤氣化燒嘴相似。保護(hù)氮?dú)鈴闹行墓苓M(jìn)入，是個單獨(dú)通道，也是火檢通道。氣化燒嘴采用氣力式射流加旋流霧化方式，能夠使煤粉得到充分的霧化和燃燒。氣化燒嘴冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻水夾套設(shè)計。

圖4 GSP粉煤氣化燒嘴結(jié)構(gòu)

GSP粉煤氣化燒嘴的點(diǎn)火燒嘴和工藝燒嘴合為一體，正常運(yùn)行時，點(diǎn)火燒嘴應(yīng)保持燃燒狀態(tài)。此設(shè)計需消耗燃料，所以增大了裝置的能耗，這是GSP粉煤氣化燒嘴的不足之處。國內(nèi)引進(jìn)GSP氣化技術(shù)后，神華寧煤集團(tuán)煤化工公司經(jīng)多年摸索，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的技術(shù)改進(jìn)，目前已經(jīng)有了很大的技術(shù)進(jìn)步并形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的寧煤爐氣化技術(shù)。

3.3 航天粉煤氣化燒嘴

國產(chǎn)航天爐氣化技術(shù)又稱HT- L粉煤氣化技術(shù)，由中國航天科技集團(tuán)公司開發(fā)，采用中國航天科技十一所研發(fā)的6通道三合一組合式燒嘴，其特點(diǎn)是集點(diǎn)火燒嘴、開工燒嘴與工藝燒嘴于一體，點(diǎn)火、開工、投煤可實現(xiàn)連續(xù)操作，中間無需切換燒嘴，節(jié)省了開車時間。

如圖5所示，航天粉煤氣化燒嘴是6通道共環(huán)式氣化燒嘴，采用多個同軸共環(huán)式套管結(jié)構(gòu)，由外至內(nèi)分別是粉煤環(huán)隙、主氧環(huán)隙、開工燒嘴環(huán)隙和點(diǎn)火燒嘴環(huán)隙，中心管內(nèi)設(shè)置有高壓電點(diǎn)火槍和火檢。從燒嘴結(jié)構(gòu)上來看，航天粉煤氣化燒嘴與GSP粉煤氣化燒嘴非常相似，都是多通道共環(huán)式套管筒狀結(jié)構(gòu)，燒嘴冷卻采用水夾套設(shè)計，煤粉通道屬于三流道旋流設(shè)計，氧氣通道是單流道加旋風(fēng)翅片旋流設(shè)計；不同之處在于航天粉煤氣化燒嘴是三合一燒嘴，集點(diǎn)火、開工和工藝燒嘴于一體，而GSP粉煤氣化燒嘴是二合一組合燒嘴，集點(diǎn)火燒嘴和工藝燒嘴于一體。從結(jié)構(gòu)上來看，由于航天粉煤氣化燒嘴是三合一組合燒嘴，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但此設(shè)計提高了氣化燒嘴啟動的平穩(wěn)性及成功率。

圖5 航天粉煤氣化燒嘴

4 存在的問題與建議

目前煤氣化燒嘴存在的最突出的問題是使用壽命短，達(dá)不到理論設(shè)計指標(biāo)，究其原因主要在設(shè)計制造、材料和操作運(yùn)行3個方面。

4.1 設(shè)計制造問題

對于水煤漿氣化燒嘴，高速氧氣流帶動水煤漿會對燒嘴產(chǎn)生較大的沖擊，所以燒嘴的磨損比較嚴(yán)重。煤漿顆粒對燒嘴內(nèi)壁的沖擊磨損存在一個臨界沖撞角度，在設(shè)計氣化燒嘴時，若有效避開臨界沖撞角度就可以降低水煤漿對中間燒嘴的磨損程度。除了調(diào)整沖撞角度外，還可以調(diào)整中心氧與外環(huán)氧的配比來調(diào)整水煤漿的速度，在保證燒嘴霧化性能的同時最大限度地降低煤漿顆粒對中間燒嘴的磨損。

為了增強(qiáng)耐磨性，在設(shè)計水煤漿氣化燒嘴時會增加壁厚，但壁厚的增加往往會加劇燒嘴的熱疲勞，由此導(dǎo)致燒嘴材料的熱腐蝕加劇并出現(xiàn)開裂。

粉煤氣化燒嘴存在的最主要的問題是發(fā)生偏燒，所以在粉煤流道設(shè)計及氧氣流道設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮氣化燒嘴出口霧化流場的均勻性。另外，氣化燒嘴的開工順控的設(shè)置也會影響氣化燒嘴的使用情況，不合理的開工順控會增加氣化燒嘴燒損的概率，升降負(fù)荷過程的順控設(shè)置首先應(yīng)考慮保護(hù)好燒嘴，盡量不讓氣化燒嘴火焰中心上移；氣化燒嘴霧化角的變化會影響氣化爐內(nèi)回流區(qū)的回流氣流以及攜帶的顆粒對氣化燒嘴的熱沖擊和沖刷磨損；不合理的循環(huán)冷卻水設(shè)計不利于有效降低氣化燒嘴的表面溫度，會增加氣化燒嘴的熱腐蝕。

有研究[3- 4]對頂置粉煤燒嘴進(jìn)行了熱態(tài)數(shù)值模擬，通過對燒嘴頭部受熱情況的分析，認(rèn)為在滿足強(qiáng)度和熱應(yīng)力要求的前提下，適當(dāng)降低燒嘴端部向火面壁厚有利于提高水夾套的換熱效果；此外，燒嘴頭部冷卻水通道采用旋流結(jié)構(gòu)設(shè)計可以增大傳熱系數(shù)。從熱應(yīng)力角度分析，夾套內(nèi)外溫差減小且穩(wěn)定，有利于延長燒嘴的使用壽命；夾套內(nèi)外溫差大且頻繁交替，會增強(qiáng)熱應(yīng)力疲勞，出現(xiàn)裂紋的概率增大。

在加工制造方面，對于水煤漿氣化燒嘴，冷卻水盤管和外噴頭焊接處的角焊縫處采用同一種材質(zhì)，可以防止產(chǎn)生熱應(yīng)力破壞，避免出現(xiàn)裂紋；冷卻水盤管在彎制過程中，應(yīng)控制好加熱速度和彎制速度，控制管材的變形量和減薄量，保證盤管成型后的整體強(qiáng)度和剛度；提高氣化燒嘴內(nèi)壁面的光潔度可以降低氣化介質(zhì)對內(nèi)壁面的磨損，延長氣化燒嘴的使用周期。

4.2 材料問題

優(yōu)化氣化燒嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計在一定程度上可以延長氣化燒嘴的使用壽命，但最終還要從氣化燒嘴本身的材料方面尋找突破。

目前，氣化燒嘴采用的材料為GH188，UMCo- 50，Inconel600或Inconel625，都是當(dāng)前化工領(lǐng)域等級很高的材料，抗高溫氧化和耐腐蝕性能都很好，但由于氣化燒嘴的運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，其使用壽命還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論使用壽命[5- 7]，故材料的突破是延長氣化燒嘴使用壽命的關(guān)鍵途徑。但限于目前的材料發(fā)展現(xiàn)狀，在關(guān)鍵材料沒有突破的情況下，主要還是從設(shè)計、加工制造和運(yùn)行操作方面進(jìn)行優(yōu)化和提高，盡量延長氣化燒嘴的使用壽命。

4.3 運(yùn)行問題

煤氣化爐內(nèi)溫度和壓力的迅速變化往往會使氣化燒嘴本體材質(zhì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱疲勞，因此，為了減少熱應(yīng)力和熱疲勞的產(chǎn)生，應(yīng)盡可能穩(wěn)定煤質(zhì)和工況，使燒嘴盡可能在一個相對穩(wěn)定的工況下運(yùn)行。冷卻水盤管內(nèi)的冷卻水溫度如果控制不當(dāng)，會造成盤管表面產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕和熱應(yīng)力破壞，一般將冷卻水溫度控制在170 ℃以上較合適。低負(fù)荷運(yùn)行會使高溫?zé)釁^(qū)上移，直接危害燒嘴端部，因此，應(yīng)盡量避免低負(fù)荷運(yùn)行。此外，煤粉或煤漿顆粒要穩(wěn)定，且顆粒尺寸不能超標(biāo)，否則會增大燒嘴的磨損。

5 結(jié)語

煤氣化燒嘴是氣化裝置的核心設(shè)備之一，雖然氣化燒嘴在不斷改進(jìn)和優(yōu)化，但就實際運(yùn)行情況來看，還不能滿足設(shè)計指標(biāo)要求。目前煤氣化燒嘴存在的主要問題是使用壽命短，其主要原因是材料達(dá)不到期望指標(biāo)，因此，今后應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)材料的應(yīng)用研究，以提高氣化燒嘴的抗磨損、抗高溫和耐腐蝕性能。基于材料發(fā)展的現(xiàn)狀，延長氣化燒嘴使用周期的重點(diǎn)是解決設(shè)計制造和操作運(yùn)行方面存在的問題。

[1] 程維.水煤漿氣流式霧化特性研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2011：11- 35.

[2] 胡瑩超.水煤漿氣化噴嘴冷態(tài)?；囼炑芯颗c新型噴嘴開發(fā)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011：7- 40.

[3] 郭偉，匡建平.單噴嘴頂置粉煤氣化爐熱態(tài)數(shù)值模擬及燒嘴頭部受熱分析[J].當(dāng)代化工，2016(6)：1170- 1172.

[4] 屠偉龍，匡建平，劉建忠，等.水煤漿氣化噴嘴溫度場和熱應(yīng)力分布的數(shù)值模擬及分析[J].動力工程學(xué)報，2008(5)：748- 752.

[5] 張賢安，都躍良，陳小萍，等.6.5 MPa水煤漿氣化爐燒嘴修復(fù)工藝分析[J].大氮肥，2003(3)：178- 180.

[6] 田曉，秦承鵬，徐慧，等.氣化爐煤粉燒嘴Inconel600開裂原因[J].腐蝕與防護(hù)，2014(9)：956- 958.

[7] 劉樂利.水煤漿加壓氣化燒嘴在線運(yùn)行周期的影響因素及分析[J].化肥設(shè)計，2014(2)：16- 17.