多喷嘴对置式水煤浆气化炉工艺烧嘴的技改

2013-03-05孙西英

河南化工 2013年5期

关键词：煤浆水煤浆盘管

孙西英，朱敏

(兖矿国泰化工有限公司，山东滕州 277527)

多喷嘴对置式水煤浆气化炉工艺烧嘴的技改

孙西英，朱敏

(兖矿国泰化工有限公司，山东滕州 277527)

介绍了多喷嘴对置式水煤浆气化炉工艺烧嘴结构及材质，从烧嘴头部、盘管结构形式、喷头间隙、冷却水盘管焊缝等方面进行改造，工艺烧嘴使用寿命由初期的15 d延长到约150 d，提高了新型气化炉稳定运行周期。

水煤浆气化炉;工艺烧嘴;技改

0 引言

兖矿国泰化工有限公司生产系统由年产20万t醋酸和日处理1 150 t煤新型气化炉及配套工程项目组成。气化装置采用“新型水煤浆气化技术”多喷嘴对置式水煤浆气化炉及复合床煤气洗涤冷却设备;分级净化的煤气初步净化工艺;蒸发分离直接换热方式渣水处理及热回收工艺，气化装置二开一备，气化压力4.0 MPa，日处理1 000 t精煤，每小时生产150 kNm3煤气，为年产30万t甲醇、联产71.8 MW燃气发电装置供应煤气。

新型气化炉投入使用后，通过不断对工艺烧嘴进行技术攻关，虽然其使用寿命已由初期的平均约15 d延长到约90 d，但仍不能满足新型气化炉长周期运行的要求。由于原来的工艺烧嘴设计尺寸不适合当前气化炉的实际生产负荷，造成入炉煤浆的雾化效果差，喷头磨损较快，煤浆的碳转化率较低等问题。

1 工艺烧嘴简介

1.1 烧嘴结构及材质

工艺烧嘴结构形式为同心三套管外混形式，从里到外分别为中心氧管、煤浆管、外环氧管，为使喷嘴免受高温影响，外氧喷头的头部(向火面)采用夹层冷却，冷却水直接进入向火面冷却室，冷却向火面金属，自冷却室出来的冷却水沿喷嘴旋转8周经法兰流出炉外。三个喷头均设计成缩口形式，中心氧喷头设计成缩口的目的是对中心氧进行加速，加速后的氧气再对水煤浆进行稀释和初加速，改善水煤浆的流动性能，提高雾化效果，同时牵引烧嘴的火焰，使气化反应区域在炉膛内达到一个理想的范围。水煤浆喷头设计成缩口形式的目的使水煤浆具备一定的速度。外氧管口的缩口比例更大些，目的是提供更高流速的氧气，以便水煤浆在气化炉内获得良好的气化效果。其中工艺介质氧气纯度≥99.6%、压力为6.0 MPa，水煤浆浓度60%、压力3.7 MPa。

由于工艺烧嘴工作在高温、高冲刷、高腐蚀性的环境中，为延长其使用寿命，其本体及喷头部位均采用耐高温、耐腐蚀的特材制作，其喷头材质为Co50，本体及冷却盘管均为INCONEL600。

1.2 性能

通过烧嘴的物料(水煤浆及氧气)在同一水平面上向中间对喷，物料撞击后形成由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成的气化炉内流场结构。

图1 四喷嘴对置式气化炉流场示意图

2 实施改造的主要内容

工艺烧嘴是水煤浆气化装置的核心设备，是影响水煤浆气化炉长周期运行的重要因素之一，其性能和寿命关系到气化效率和气化炉的安全、长周期稳定运行。公司联合进行攻关，开发了一种新型高效、长寿命的三通道水煤浆气化工艺烧嘴。

该气化烧嘴采用预膜、外混式。进烧嘴的氧流股分成两个流道，中心通道称为一通道，外侧通道称为三通道，一与三通道之间为二通道，即煤浆通道。三股物流射出烧嘴，煤浆的内外侧为高速流动的氧流股，且与煤浆呈一定交汇角;氧流股通过高速剪切、振动等方式使煤浆雾化，可以达到100μm的尺度。

国外采用内混式雾化，亦为三通道，一通道的氧与二通道的煤浆在喷嘴内腔进行一次雾化，一与二通道汇合后再与第三通道的氧进行二次雾化。在内混式烧嘴中，氧气和水煤浆在烧嘴内的混合室中混合后喷出烧嘴，其特点是雾化性能较好，但对混合室的耐磨件要求较高，难以实现工业化大生产。预膜式烧嘴采用氧气与水煤浆同时离开烧嘴，烧嘴内部没有预混段，运用内、外侧高速氧气的扰动实现水煤浆的雾化和水煤浆与氧气的充分混合。预膜式烧嘴水煤浆膜初始厚度降低，更易于雾化。由于避免了水煤浆与中心氧气的预混，大大降低了煤浆通道的出口速度，减少了煤浆通道的磨损，对延长烧嘴寿命有利。

对烧嘴外氧喷头龟裂、冷却水盘管及外氧管的点蚀等进行分析研究，选择合适的耐高温耐侵蚀的金属材料用于烧嘴制作。减轻烧嘴头部龟裂程度，延缓烧嘴冷却水盘管及外氧管的点蚀速率。

2.1 烧嘴头部保护

合成气夹带的灰渣若进入烧嘴窒，与烧嘴冷却水盘管腐蚀、拆装困难、烧嘴盘管损坏等现象都有直接关系。对烧嘴头部盘管部位进行保护，使烧嘴室形成相对密闭的空间，可有效防止气化炉内灰渣进入烧嘴室，既减少了烧嘴的腐蚀，又方便烧嘴的拆装。由于烧嘴头部在气化炉内处于高温区，用于头部保护的材料应为耐高温、易成型的材料。对烧嘴头部保护后，有效保护冷却水盘管，使烧嘴冷却水盘管在拆装过程中不受损害，同时延长冷却水盘管及外氧管的使用寿命。

2.2 烧嘴盘管改造

对烧嘴冷却水盘管结构形式进行改造，烧嘴冷却水进水管与外氧喷头接管改为90°弯头，冷却水进水管先盘绕半圈后经直管和一90°弯头进入端部冷却水夹套，提高换热效率，降低外形尺寸。通过冷却水盘管布置形式的改变，保证进水管路具有良好的弹性伸缩量和在拆装过程中不被拉伤。

2.3 烧嘴喷头间隙的优化

通过结合现场模拟雾化装置测试，寻找工艺烧嘴的最佳雾化效果，据此对工艺烧嘴喷头部位各通道的安装尺寸进行装配。重新确定烧嘴头部间隙后，达到最佳的雾化效果，提高原料煤中碳的转化率。

2.4 冷却水盘管焊缝保护

多喷嘴对置式气化炉是煤浆与高压氧气通过四个在同一水平面布置的工艺烧嘴对喷进入气化炉。对喷撞击形成六个特征各异的流动区即射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区、管流区。气化炉内反应温度一般在1 300℃，在气化炉运行过程中，烧嘴头部盘管直接面对炉内高温气流冲刷、高温热辐射及合成气中硫、氢等腐蚀性气体的共同作用，影响了喷头部位使用寿命，尤其烧嘴进出口盘管焊缝属于角焊，焊肉薄，国内暂时还没有质量检测方法，再加上其在恶劣的环境下工作，盘管寿命一般较短。在烧嘴向火端面上焊接上一块金属挡板。目的是保护水冷盘管的焊缝，避免直接面对炉内高温流体的热辐射和烧蚀。改造后有效保护烧嘴冷却水盘管焊缝，使其寿命得到有效提高。