水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨

一、概述

“我国石油和化学工业在快速发展的同时，正面临着资源、能源和环境等多重压力”。由于我国石油和天然气短缺，煤炭相对丰富的资源特征，加之国际油价的持续高位运行状态，煤炭在我国的能源和化工的未来发展中所处的地位会变得越来越重要。
目前，煤炭在我国的能源消费比重不断加大，用于发电和工业锅炉及窑炉的比例大约为70%左右，其余主要是作为化工原料及民用生活。随着煤化工技术的不断发展，煤炭作为化工原料的比重将会得到不断的提高。
传统的煤化工特点是高能耗、高排放、高污染、低效益，即通常所说的“三高一低”。随着科技的不断进步，新型的煤气化技术得到了快速的发展，煤炭作为化工原料的重要性得到了普遍的认可。煤化工目前采用的方法主要有三个途径：煤的焦化、煤的气化、煤的液化。由于最终产品的不同，三种途径均有存在的市场。煤焦化的直接产品主要有焦炭、煤焦油及焦炉气，煤气化的直接产品主要有合成气、一氧化碳和氢气，煤液化后可直接得到液体燃料。
煤焦化产业相对比较成熟，煤液化存在直接液化和间接液化两种方法，技术的成熟程度和投资等原因，制约了产业化和规模化的进一步发展。随着煤气化技术的不断成熟，特别是加压气化方法的逐步完善和下游产品的多样化，煤气化已成为我国目前煤化工的重中之重。
煤气化所产生的合成气，成为氮肥（主要是尿素）、甲醇、二甲醚、醋酸等过去主要依赖石油化工产品的主要原料，也成为国内目前煤化工所上的主要项目。煤气化除了投资比较小的常压固定床以外，粉煤加压气化（以壳牌和GSP为主要代表）、水煤浆加压气化（以德士古为主要代表）成为众多厂家引进国外节能环保的主要首选技术。
国内具有自主知识产权的煤气化技术还有：①粉煤加压气化：西安热工院的干煤粉加压气化技术、陕西联合能源的灰粘聚流化床粉煤气化技术、山西煤化所的灰熔聚流化床粉煤气化技术、北京航天万源的航天炉粉煤气化技术等。②水煤浆加压气化技术：华东理工大学的四对冲烧嘴技术、北京达立科的分级气化技术、西北化工研究院的多元料浆（主要成份是水煤浆）气化技术等。
本文作者多年来一直从事于水煤浆气化炉工艺烧嘴的研制工作，作为专题负责人，主持承担了“国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划专题合同：水煤浆气化炉烧嘴研制”，并成功应用于“山东华鲁恒升化工股份有限公司”的水煤浆加压气化国产化装置。水煤浆加压气化装置（包括引进装置和国产化装置）是目前国内广泛使用的煤加压气化技术（占到国内煤加压气化装置的75%以上），气化后得到的合成气主要用于合成氨、尿素、甲醇、醋酸等的原料，也可用于城市煤气及钢铁等其他行业，气化炉烧嘴是该装置中的关键设备之一。本文就作者关于水煤浆气化炉工艺烧嘴研制方面所进行的一些工作和思考进行简单的介绍，同时对于该烧嘴的改进方向提供一些个人看法，仅供同行参考。
二、煤加压气化技术简述
煤加压气化的主要技术优势在于：
1.气化效率高，碳转化率可高达98~99%，煤气中CO+H2（即有效气体成分）可达80~90%。
2.气化压力高，水煤浆加压气化炉压力可达8.5MPa，粉煤加压气化炉压力可达4MPa，有利于实现装置的大型化，与其他先进技术联合使用，可以省去合成气的压缩机，降低能耗。
3.气化温度高，水煤浆加压气化炉温度可达1200~1500℃，粉煤加压气化炉温度可达1300~1700℃,GSP技术据说最高可达1900℃或以上。气化温度高，煤中的有机物质分解气化彻底，降低污染，同时扩大了煤种的适应范围。
目前，我国普遍采用的煤加压气化技术是水煤浆加压气化和粉煤加压气化，二者各有特点，主要有：
1.气化压力：由于原料进料方式的不同，粉煤加压气化的压力没有水煤浆加压气化的压力高。
2.气化温度：由于炉内向火面的结构不同，水煤浆气化炉由于使用耐火砖形式，气化温度相对不能太高，这在一定程度上限制了煤种的适用范围。
3.水煤浆气化由于要将原料制成煤浆，因此要求原料煤具有稳定的成浆性能，当然，由于气化温度的限制，煤的灰熔点也不能太高。
4.粉煤气化由于是干粉供应，因此对原料煤的水分有一定的要求，而壳牌粉煤气化使用的废热锅炉冷却合成气，用于制氢和制合成氨时，在一氧化碳变换系统中，还要重新加入蒸汽，部分抵消了气化过程中的优势。
5.水煤浆由于需要将液体原料（含高浓度的固体煤粉）通过工艺烧嘴进行雾化，工作条件非常恶劣，因此，烧嘴的连续使用寿命制约了整个气化炉的连续运行周期。
6.为了追求较高的气化效率（有效气体成份），壳牌粉煤气化中需要用废热锅炉和过滤器，同时要用到循环气对气化炉出口合成气进行激冷，流程相对复杂，投资较大；
因此，在选择工艺路线时，要考虑投资、煤种、效益等多方面因素，任何一种工艺技术，都不是十全十美的，均存在需要改进的地方。北京达立科科技有限公司、清华大学、山西丰喜肥业集团共同开发的水煤浆分级气化技术（也称之为“非熔渣-熔渣”煤气化技术），就是对传统水煤浆加压气化技术的一次有效改进，取得了很好的效果（详细论述见下文），该技术于2007年12月6日通过了中石化协会组织的专家鉴定。本文作者全程参与了该项目的开发过程，从方案选取、专利申请、气化炉型结构确定、工艺烧嘴的设计及配置、
二次补氧烧嘴的设计、配置等方面均提供了建议，并得到了有效实施。同时为该工艺技术配套提供了专用的工艺烧嘴和二次补氧烧嘴，为该工艺技术的工业实施做出了重要的贡献。
三、
水煤浆加压气化炉工艺烧嘴
水煤浆加压气化技术的一项弱点，就是其工艺烧嘴的一次性连续使用寿命较短，影响了单台气化炉的连续运行时间，因此，一般情况下均有备用炉在线，以便更换和维修工艺烧嘴。为了满足较高的有效气体成份以及气化炉温度的要求，在较低的比氧给料情况下，利用唯一可用的雾化介质（氧气），将水煤浆进行高效的雾化，获得较高的碳转化率，普遍采用的气化炉工艺烧嘴头部结构如图1所示。

图1 水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构

1、工艺烧嘴设计的一般原则

1.1结构形式为同心三套管形式，烧嘴中心氧管的出口设计成缩口形式，目的是对中心氧进行加速，同时其端面距烧嘴断面基准面有一定的缩入量，形成一个水煤浆和中心氧的预混合腔，水煤浆的出口管路也设计成缩口形式，使进入预混合腔的水煤浆具备一定的速度。在预混合腔内，利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速，改善水煤浆的流变性能，共同的作用就是为了保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩口比例更大一些，目的是提供更高流速的氧气，对于通过预混腔的水煤浆混合物进行良好的雾化，以便在气化炉内达到良好的气化效果。

1.2无论是中心氧，还是水煤浆及外氧的流通面积，均需要满足各自介质的流量要求，在供应压力允许的情况下，力争达到必要的混合和雾化效果。但是，中心氧的比例有一定的限制条件，一般为总氧量的5~25%，其余均作为外氧。中心氧量不能太小，不然达不到对煤浆的稀释和加速作用。中心氧量也不能太大，一方面，会使预混合区的混合物流速增加太多，造成中心管出口处的磨损情况恶化，降低烧嘴的连续使用寿命，而这一点正是影响烧嘴使用寿命的最主要因素。另一方面，中心氧量增大时，必然使烧嘴出口物料的轴向速度分量增大，径向速度分量减小，其结果使整个烧嘴出口的火焰形状变得细长，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的停留时间变小，炉渣中的含碳量增加，引起气化效率的降低，而且，会使火焰直冲炉底，影响炉底激冷环的工作。
1.3 流动速度的设计，中心氧的出口流速一般为150~180米/秒，煤浆出口流速一般为2~4米/秒，预混合腔出口平均流速一般为12~20米/秒，外氧的出口流速一般为160~200米/秒。
2、影响烧嘴使用寿命的主要问题探讨
2.1 冷却水盘管的破坏
设计冷却水盘管的目的是为了保护烧嘴处于高温工艺气体的本体部分，冷却水盘管承受着最恶劣的外部环境。破坏方式一般有三种：
2.1.1
冷区水盘管和外喷头焊接处的热应力破坏，原因是两个零件之间的焊接方式为角焊缝，壁厚差别较大，使用材料也不同，又处于烧嘴的端部，在使用过程中，容易产生裂纹（主要是热应力的影响）形式的破坏。我们目前采取的改进方案是将角焊缝处改为同一种材料，收到了一定的效果。如图2所示。

图2 冷却水盘管安装改进方案
2.1.2
冷却水盘管内的冷却水温度如果控制不当，会造成盘管表面的低温腐蚀，一般地将冷却水温度控制在170℃以上比较合适。另外，盘管的材质应选用高温性能稳定的材料，目前可用的材料以Inconel600为最好。
2.1.3
冷却水盘管在弯制过程中，要控制好加热温度和弯制速度，控制管材的变形量和减薄量，保证盘管成型后的整体强度和刚度。
2.1.4
在正常运行过程中，由于工艺烧嘴端面处存在较强的气体回流，工艺烧嘴与气化炉内壁之间的空隙处经常会出现积渣，在烧嘴拔出时也会造成盘管的损坏，增加盘管的壁厚等级可以有效减轻这一损坏方式。
2.2 物理磨损
物理磨损是水煤浆气化炉工艺烧嘴的致命弱点，也是影响水煤浆气化炉连续运行时间和整个工艺路线连续运行时间的最主要因素之一。一般情况下，水煤浆气化炉工艺烧嘴的连续运行时间为30~60天，就需要停炉进行检修和更换，因此，水煤浆气化工艺中必须有备用炉，这是造成投资费用、运行费用增加的重要原因之一。
如前文所述，为了使水煤浆中的煤粉在气化炉中充分气化，必须对水煤浆利用相应数量的氧气进行有效地雾化，图3示出了水煤浆雾化液滴尺寸和雾化气体流量（即气体流速）之间的关系。为了达到良好的雾化效果，气体的流速必须达到一定的数值。也就是说，预混合腔内的混合物（水煤浆、氧气）流速必须达到一定的数值，由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，这是造成中喷头内腔磨损的主要原因。
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目前唯一可用的方法，当然还要考虑抗氧化性能。普遍采用的材料是GH188和UMCo-50，可以连续工作的时间也只有30~60天，影响这一周期的因素很多，主要有：煤种、生产负荷等。据说有关单位已经研究成功了具有较长寿命的陶瓷材料的中喷头，但还没有公开的报道。我们在中喷头的内腔表面喷涂过抗物理磨蚀的硬质合金，对提高烧嘴的连续使用时间起到了一定的作用（见图5b），有关试验工作还在继续进行中。
预混合腔内的混合物流速不能太小，太小会造成雾化不佳，影响总体碳转化率。流速也不能太大，混合物的轴向速度分量太大，火焰就会细长，影响部分物料停留时间，直冲炉底，影响碳转化率，而且，从图3中可以看出，混合物流速到达一定数值后对雾化液滴尺寸的影响作用也会变得很小。

图3 水煤浆雾化性能和雾化氧气流量的关系
2.3 热、化学、应力影响
影响水煤浆气化炉工艺烧嘴连续使用寿命的另外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，见图4。对于图示裂纹的产生原因，目前还没有形成权威性的结论，作者认为，其影响因素主要有以下几个方面。

图4外喷头的典型损坏形式

2.3.1
热冲击影响。由于外喷头的断面迎着炉内高温的工艺气体，一般为1200~1500℃，金属材料在这样的高温条件下长期工作，就会使在冶炼和锻造过程中的所有缺陷逐渐地暴露出来，这样就会形成不规则的龟裂。
2.3.2
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。高温情况下，金属材料也会发生一定的渗碳效应，使金属材料的成份和性能发生变化。另外，煤中含有的硫，也会使金属表面发生高温硫化腐蚀。
2.3.3
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的应力集中部位，在高温条件下，应力的释放是造成放射性裂纹的根源，也是外喷头破坏的最主要因素。
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，从气化炉炉拱耐火砖易遭损坏的现实也可证明这一点。
2.3.4
问题的思考。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地消除应力。目前大家认为最好的并普遍采用的材料是GH188和UMCo-50，但离开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：
① 将外喷头的材料改成多孔陶瓷或多孔金属，利用部分氧气通过多孔介质直接喷入气化炉，这样可以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解决。美国专利（专利号：CN1056916C）中提出了实施的原理，但是，多孔材料（特别是陶瓷）的连结方式（保证密封和耐压条件）将会带来新的问题。直至目前，还没有看到实际运行的产品。
② 为外喷头的端面加装防热保护板，保护板的材料选择及联结方式应该是需要解决的主要问题，美国专利（专利号：CN1110358C）提出，按照外喷头的端面形式，用特种材料适配一种防热保护板，避免了密封条件的限制，但也没有实际使用的报道。
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的端面，可以起到良好的防热、防腐的性能，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。目前，这种工艺方案我们已经开始实施，工业化运行效果令人满意。如图5a、5b所示，经过热喷涂的外喷头性能得到了非常明显的改善。

图5a
烧嘴正常使用一个周期后

图5b
热喷涂后烧嘴使用一个周期后

四、
提高水煤浆加压气化炉工艺烧嘴寿命的途径探讨
正如前文所述，影响水煤浆气化炉工艺烧嘴使用寿命的主要现象有两点，即：中喷头的物理磨损和外喷头的热、化学、应力破坏。下面就作者的一些观点提出来，供同行专家和技术人员参考。
1.
关于中喷头的物理磨损问题，我们可以从以下几个方面着手来进行改进，以提高其使用寿命。
1.1
在满足流量要求和雾化要求的前提下，应尽量降低预混合腔的出口流速。一般的金属材料，在受到含固体颗粒的流体冲刷时，其磨损率和流体流动速度之间存在如图6之间的关系，可以看出，当流体流动速度达到某一数值（可以称之为临界速度）时，磨损率就会有明显增大，尽量使预混合腔出口的流速低于材料磨损的临界流速，必然会延长中喷头的使用寿命。
1.2
从图6中还可以看出，对于不同的材料，其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差，但其临界速度偏高，高速时的抗磨性能明显高于材料C，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（当然是针对水煤浆）的材料制作中喷头，使其临界磨损速度高于预混合腔出口流速，其现实意义十分重大。

图6材料磨损速率和颗粒流速之间的关系

图7材料磨损速率和颗粒冲撞角度之间的关系

1.3
优化结构尺寸，也可以提高中喷头的抗磨性能。图7给出了固体颗粒冲撞角度与磨损速率之间的相互关系，可以看出，固体颗粒冲撞角度对材料表面的磨损速率影响甚大，在某一角度（可以称之为临界角度）时，磨损速率存在最大值。在设计中喷头内型面时，使冲撞角度尽量远离临界角度，对减轻材料的磨损速率也会带来好处。
1.4
改善表面结构性能。首先，要保证表面的光洁度，其次，要保证材料的内在质量均匀，还有很重要一点，就是在中喷头内孔的表面进行喷涂抗磨材料（例如硬质合金等），改善其抗磨性能。图5b显示的中喷头就是我们进行过喷涂硬质合金后的产品，可以看出这一点具有比较明显的效果。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。因此，这种改进也是有局限性的。
2. 外喷头的延寿措施

前文中已经提到，外喷头的延寿思路主要有：利用多孔介质进行良好冷却，加装防护板进行隔离，研究更好的材料、表面进行热喷涂耐高温腐蚀和磨蚀的保护层等。

3. 其他途经

通过以上分析，得出结论是：影响水煤浆气化炉工艺烧嘴使用寿命的外部原因主要来自于两个方面，一是含有固体颗粒的水煤浆对中喷头的物理磨损，二是高温工艺气体对外喷头的热、化学、应力破坏。能否从这两个外因方面着手来延长烧嘴的使用寿命，应该是可以考虑的另外一个方向。关于对中喷头的物理磨损前文已经进行了比较详细的讨论，虽然对于外喷头在高温气体环境下的化学腐蚀机理还没有定论，但是，降低外喷头端面的气体温度和氧气浓度以及工艺气体回流速度，肯定会减小外喷头受热、化学、应力破坏的速度和强度。
在保证气化炉的总体性能的前提下，如果能够通过其他途经缓解要求工艺烧嘴对水煤浆雾化的程度，就可以降低预混合腔出口的混合物流速，必然会降低中喷头的物理磨损速率。如果能够通过其他途径降低烧嘴外喷头端面的温度，必然能减小外喷头受热、化学、应力破坏的速度。
由北京达立科科技有限公司、清华大学、山西丰喜肥业集团共同开发的水煤浆分级气化技术（也称为“非熔渣-熔渣”煤气化技术，气化炉的进料方式见图8），就是从以上两点进行着手进行改进的。

图8水煤浆分级气化技术气化炉进料方式

1、 通过工艺烧嘴的氧气流量，降到普通气化工艺（也可称之为一级气化）烧嘴氧量的80%左右，通过外氧和中心氧的再分配后，预混合腔的流速就会出现明显的下降，下降幅度大约为20%左右，这样中喷头的物理磨损速率就会下降。这一点可以用下面冲量公式（忽略摩擦损失和混合损失）粗略估计出来。
G0V0=GsVs+GyVy
其中：G0、Gs、Gy 分别为混合物、水煤浆、中心氧气质量流量，V0、Vs、Vy、分别为混合物、水煤浆、中心氧气流速。
2、 在水煤浆流量保持不变的情况下，由于通过工艺烧嘴的氧气流量下降了20%左右，发生在烧嘴出口处的高温工艺气体回流量也会下降，从下式可以明显看出这一点。
Ge/G0+1=0.32(ρe/ρ0)X/d0
其中：Ge、G0分别为回流高温工艺气体流量和工艺烧嘴的总流量。
其结果是：一方面，通过工艺烧嘴的总氧量下降，会使烧嘴外喷头断面的氧气浓度下降，局部的氧化放热反应减弱。另一方面，由于工艺烧嘴的总流量降低，会使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。清华大学在试验室中测出的温度下降幅度大约为200℃左右（见图9），这一点对于工艺烧嘴外喷头的工作环境改善非常重要，实际生产中的下降幅度可能会有所差异，但其结果是烧嘴外喷头端面受到高温而产生的热、化学、应力的影响均会有明显减弱。

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
本应从工艺烧嘴进入气化炉的其余20%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体氧量要求，同时利用高速喷入的氧气，对工艺烧嘴喷出的未完成雾化的水煤浆进行二次雾化。除了解决工艺烧嘴的工作寿命以外，气化炉内的温度场也得到了改善。由于氧气的二次加入，相对来说延缓了氧化反应的过程，因此要加大炉膛的轴向尺寸来进行弥补，典型情况下，炉膛轴向尺寸要延长0.5米左右。
受以上三方的委托，根据以上改进方案，我们研制了对应的水煤浆工艺烧嘴和二次补氧的氧气烧嘴。该工程项目于2007年12月6日通过了中国石油和化学工业协会组织的专家鉴定，我们研制的两种烧嘴均得到了积极的评价。
经山西丰喜肥业集团现场的使用证明，气化炉工艺烧嘴的中喷头可持续运行时间超过100天，外喷头的可持续运行时间超过200天，氧气烧嘴的可持续运行时间预期可超过5年。在中喷头耐磨材料和外喷头抗化学腐蚀材料的喷涂试验完成以后，再用于分级气化的工艺烧嘴上，工艺烧嘴的连续使用寿命还将延长。
华东理工大学的水煤浆四对冲烧嘴工艺技术，存在气化炉顶部耐火砖磨蚀较快和炉顶超温的问题[3]。由于烧嘴流出的物料在炉内实现了二次对冲，可以考虑降低单烧嘴的出口流速，一方面，可以减轻中喷头的磨损。另一方面，降低单烧嘴的出口流速后，对冲流速也会降低，可以减轻对气化炉炉顶砖的冲刷，延长炉顶砖的使用寿命。另外如果将四对冲烧嘴改为二对冲烧嘴，也可以达到对冲的目的，同时达到节约投资和减少控制点的目的。
五、

结论
水煤浆加压气化技术相对来说，具有气化压力高、气化炉结构简单、投资费用低等优点。其缺点之一就是烧嘴使用寿命短，影响气化炉的连续运行周期。本文对于如何提高烧嘴的使用寿命提出了一系列个人观点和建议，有些可能不成熟，有些实现起来还需要做许多研究和试验工作，特别是中喷头新型耐磨材料的应用，通道型面的优化，中喷头耐磨层的喷涂，外喷头抗高温腐蚀材料的喷涂等，均需要进行艰苦的努力。相信在广大科技工作者和技术人员的共同协作下，水煤浆加压煤气化技术必将在我国的煤化工工艺中发挥更大的作用。