水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨

水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨

【摘要】水煤浆气化炉未能长周期运行的重要原因在于气化工艺烧嘴容易损坏。同时，损坏烧嘴的主要因素包含：损坏的冷却水盘管、物理腐蚀、化学影响以及破坏的应力等方面。通过对破坏因素的全面探讨，有针对性的采取有效的改进措施，延长使用烧嘴的时间，尽可能降低流速，引进先进材质，合理优化结构等。

Abstract: The Important reason of the CWS gasification cycle can be not Long-term operation is the gasification process burner bing easy to be damaged。 Meanwhile, the damage to the burner of the main factors include: damage to the cooling water coil, physical corrosion, impact and destruction of chemical stress and so on. Through a comprehensive study of the destructive elements, targeted to take effective measures for improvement, using the burner to extend the time, to minimize the flow rate, the introduction of advanced materials, optimize the structure and so on.

【关键词】：水煤浆；气化炉工艺；工艺烧嘴

Keywords: coal-water slurry; gas furnace process; process burner

一、水煤浆气化炉工艺烧嘴寿命短的内因

1、设计工艺烧嘴的基本原则

(1)一般使用同心三套管的架构形式。可设计缩口形式的烧嘴中心氧管出口，主要用来加速中心氧，端头与烧嘴断面基准面的距离保持在一定的缩入量内，构成与中心氧的一个水煤浆预混合腔。同时，也可设计成缩口形式的水煤浆管路出口，保证其具备相应的速度进入预混合腔的水煤浆。预混合腔的内部，稀释及初步加速水煤浆可通过中心氧来实现，具有一定流变性的水煤浆可得以改善，协作的目的在于在脱离烧嘴后，水煤浆的雾化成效可更好的提高。相对比例更大的外氧管口的缩口，作用是为了更高流速的氧气的提供，良好雾化在预混合腔内的水煤浆混合物，从而在气化炉内实现更佳的气化目的。

(2) 水煤浆外氧与中心氧的流通面积，均需与对应的介质流量需求指标相符合，在许可的供应压力下，尽可能实现必要的混合和雾化目的。但有一定限制因素的中心氧比例，通常占5% ～25%体积分数的总氧量，剩余为外氧。中心氧量大小需一定，若量太小，稀释与加速煤浆的目的无法实现；量太大，一方面会大幅增加混合物在预混合区内的流速，加快磨损中心管的出口处，缩短使用烧嘴的时间，而此方面也是使用烧嘴寿命的最主要影响因素；另一方面增大烧嘴出口物料的轴向速度的分量，降低径向速度分量，势必造成烧嘴出口整体的火焰形状变长，与气化炉内在型面未有效匹配，在气化炉内，减少了较大直径的煤粉颗粒的驻留时间，增加炉渣内的含碳量，一定程度上降低了气化效率，并造成火焰直冲炉底，对炉底激冷环作业造成加大影响。

(3) 150～180 m/s出口流速的中心氧，2～4 m/s出口流速的煤浆，12～20 m/s平均出口流速的预混合腔，160～200 m / s出口流速的外氧。

2、使用烧嘴寿命的具体影响因素

一次性工艺烧嘴的较短使用时间是水煤浆加压气化技术的主要弱点之一，持续运作的单台气化炉时间将受其严重影响。对此，通常情况下，均设定在线备用炉，便于工艺烧嘴的及时更换与维修。立足实际研制水煤浆气化炉工艺烧嘴及其运作工业化的情况，损坏工艺烧嘴的水煤浆气化方式具体有三大方面：

(1)损坏的冷却水盘管

处于高温工艺气体的烧嘴主体环节的保护，是冷却水盘管设计的主要目的。而相对外界环境恶劣的冷却水盘管，通常其损坏方式有四种：

①损坏冷区水盘管与外喷头衔处的热应力。而损坏的因素在于角焊缝衔接两个零件，较大差别的壁厚，不尽相同的使用材料，且位于烧嘴的顶端，在使用时以裂纹形式的产生而极易损坏。目前，改进方案的具体实施是使用相同的角焊缝材料，起到了一定的成效。

②若未合理控制冷却水盘管内的冷却水温度，势必产生低温侵蚀盘管表面。通常需控制在适宜的170℃左右的冷却水温度。但在设计工艺的实际中，通常为小于50℃的冷却水操作温度，此情况下，将存在低温侵蚀盘管表面的现象。低此外，需选择稳定的高温性能材料作为盘管材质，当前Inconel600材料的使用相对最佳。

③在弯制冷却水盘管时，其温度加热与弯制速度需掌控好，管材的变形量与减薄量需控制，使其整体强度与刚度在盘管成型后得到切实保障。

④在运作正常的情况下，由于处于气体回流较强的工艺烧嘴端面，易造成工艺烧嘴与气化炉内壁间的空隙处产生积渣，在拔出烧嘴时也会破坏盘管。而针对此情况，盘管壁厚等级的适度增加可最大限度的降低此破坏程度。

(2) 物理磨蚀中喷头

在气化炉内，若充分气化水煤浆中的煤粉，需使用一定量的氧气有效雾化水煤浆，同时，雾化良好效果的实现，需保证气体流速符合相应的数值，也即混合物流速在预混合腔内需达到一定数值，但由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，此为磨损中喷头内腔的重要原因。

为了增加中喷头内腔的抗磨损能力，选用抗磨性能良好的材料成为当前唯一可用的方法，当然还要考虑其抗氧化性能。当前普遍采用的材料是GH188和UMCo250，可以连续工作的时间也只有30～60d。此周期的影响因素相对较多，

主要有煤种、生产负荷等。

预混合腔内的混合物流速不能太小，否则会造成雾化不佳，影响总体碳转化率。流速也不能太大，否则混合物的轴向速度分量太大，火焰就会变得细长，甚至直冲炉底，影响部分物料的停留时间，进而影响碳转化率。混合物流速达到一定数值后，对雾化液滴尺寸的影响作用也会变得很小。

(3)外喷头受热、化学、应力的较大影响

影响水煤浆气化炉工艺烧嘴连续使用寿命的另一种损坏形式是外喷头端面的径向放射性裂纹及不规则龟裂的形成。在烧嘴正常运行一段时间后，沿着外喷头孔口的边沿会出现密集的径向放射性裂纹及不规则的龟裂。裂纹的产生原因目前还没有形成权威性的结论，而其影响因素具体表现有：

①热冲击影响。由于外喷头的端面迎着炉内高温(通常为1200～1500℃)的工艺气体，金属材料在此高温条件下长期工作，并不断冲刷高速煤浆、氧及工艺气体回流的，就会使材料在冶炼和锻造过程中的所有缺陷逐渐暴露出来，这样就造成不规则的龟裂。

②化学影响。由于外喷头处的氧气浓度较高，金属材料在高温的氧化环境中会发生氧化反应。在高温情况下，金属材料也会发生一定的渗碳效应，使金属材料的成分和性能发生变化。此外，煤中含有的硫也会使金属表面发生高温硫化腐蚀。

③应力影响。径向放射性裂纹的源头是外喷头的孔口。这里是该零件机械加工后应力集中的部位，在高温条件下，应力的释放是造成放射性裂纹的根源，也是损坏外喷头的最主要因素。

工艺烧嘴的出口处存在较高的射流，也是高温工艺气体回流速度最高的区域，外喷头的端面受到含有固体煤粉颗粒的高温工艺气体的不断冲刷，也是造成破坏的一个因素。气化炉炉拱耐火砖易遭损坏的事实也可证明这一点。

二、水煤浆加压气化炉工艺烧嘴使用寿命提高的捷径

1、中喷头

(1)在满足流量要求和雾化要求的前提下，需尽可能降低预混合腔的出口流速。当颗粒流速达到某一数值(临界速度)时，磨损率就会明显增大。尽量使预混合腔出口物料的流速低于材料磨损的临界流速，其使用中喷头的时间势必受到一定程度的影响。

(4)改善表面结构性能，如保证表面的光洁度、保证材料内在质量的均匀、在中喷头内孔表面喷涂抗磨材料，以改善其抗磨性能。需要注意的是：涂层的厚度具有一定的限制，不然会造成脱落，当然此改进方式也有一定的局限性。

2、外喷头

解决外喷头存在问题的最直接方法就是有效改变材料的耐高温腐蚀和耐热冲击的性能，同时在外喷头加工完成后有效消除应力。当前，大多数认为GH188和UMCo250的最佳使用的材料，但离实际生产中所需的长周期运行要求仍然差距很大。为了处理此问题，专业科研人员做出了综合考虑与尝试，具体包含有以下几个方面。

(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入气化炉，可保证端面的有效冷却，防止高温带来的所有问题。如果能用多孔陶瓷实施，化学腐蚀和物理磨损也有可能同时得到解决。

(2)为外喷头的端面加装防热保护板，保护板的材料选择及连接方式应该是需要解决的主要问题。

(3)利用热喷涂技术将特种耐热、耐腐蚀的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。当前，该工艺方案已经开始实施，工业化运行效果令人满意。

结束语：

总的来讲，具有高气化压力、简洁架构的气化炉及地投资成本等优点的水煤浆加压气化技术，同时也有一定的不足之处，较短的烧嘴使用寿命，持续运作的气化炉周期易受影响。对此，通过全面探讨了工艺烧嘴的损坏因素，有针对性的采取了有效的改进措施，延长了使用烧嘴的时间，尽可能降低了流速，引进了先进材质，合理的优化了结构。