水煤浆气化炉工艺烧嘴工程设计理论研究

顾学颖，马 帅，吴凯迪，李少昆，韩 鹏，刘孝弟

(1.北京航天动力研究所，北京 100076；2.首都航天机械有限公司，北京 100076)

水煤浆加压气化技术是由美国GE公司(原美国TEXCO公司)在渣油加压气化工艺的基础上开发的洁净煤气化技术，经过多年来国内技术人员的共同努力，通过引进、消化、吸收及改进提高，发展形成了多元料浆气化技术、熔渣-非熔渣(分级)气化技术、多喷嘴对置式气化技术、水冷壁炉水煤浆气化技术等具有自主知识产权的全方位水煤浆气化技术,并针对国内的煤种特性及不同的终端产品需求，使水煤浆加压气化技术的工艺运行指标及操作条件改善取得了长足的进步，展现了广阔的应用前景。

水煤浆气化炉工艺烧嘴是气化炉中的关键设备，在材料选择、结构优化、表面处理等方面，研究者们进行了大量的工作，使工艺烧嘴在减缓物理冲刷、化学侵蚀、抵抗高温环境等方面均取得了可喜的成绩，部分烧嘴的最长连续运行时间超过了300 d[1-7]。

1 工艺烧嘴头部结构和工作原理

典型的水煤浆气化炉工艺烧嘴头部结构见图1。

图1 水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构

工艺烧嘴通常为同轴三套管形式。中心氧管设计成缩口结构，目的是形成高速的中心氧流(约150 m/s)，同时其出口和水煤浆管端面缩入一定尺寸，造成一个中心氧和水煤浆的预混合腔。在预混合腔内，利用中心氧对水煤浆进行悬浮分散和初加速(约20 m/s)，改善水煤浆的流变性能。外氧管口的缩变量更大一些，目的是提供更高流速的氧气(约200 m/s)，使通过预混合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燃烧和气化效果[2]。

2 设计原则

工程运行经验明确要求，工艺烧嘴的中心氧流量占总氧流量的13%～15%。若占比过小，最终达不到水煤浆的基本雾化要求;若占比过大，预混合腔出口的水煤浆和氧气的混合物流速超过额定值，会加快中喷头的物理磨损速度，降低中喷头的连续使用寿命。因此，内喷头和中喷头的喷口尺寸设计和匹配关系是整个工艺烧嘴设计的关键所在。外喷头的氧气出口流速(包括流出角度)需要达到对水煤浆的最终雾化要求，满足水煤浆在气化炉内的燃烧需求及整体的火焰分布，主要考虑对气化炉壁面的火焰冲刷以及炉壁可靠挂渣的设计原则，保证气化炉的稳定运行。

3 工程理论计算方法

3.1 中喷头流量计算

中喷头提供水煤浆，属于不可压缩流，计算相对来说比较简单。相关流量计算公式为:

(1)

(2)

(3)

式中：qm2为水煤浆的质量流量；C2为中喷头的流量系数(和喷嘴的结构形式有关，必要时还需要考虑到摩擦阻力的影响);S21为截面21的面积；S22为截面22的面积；ρ2为中喷头内水煤浆的密度；v21、v22分别为截面21、截面22处的水煤浆速度;v2m为匹配点m处的水煤浆速度;p21为截面21的水煤浆压力;p22为截面22的水煤浆压力;S2m为匹配点m处的水煤浆流通面积，和m处的中心氧的流通面积S1m互为耦合关系;p2m为匹配点m处的水煤浆压力。

3.2 内喷头和外喷头的流量计算

内外喷头均为氧气，属于可压缩流体，计算相对复杂一些，相关流量的计算公式为：

(4)

式中：qm为流体质量流量；So为喷头出口面积；ε为考虑可压缩性的压缩因子，po为喷头出口压力，pi为喷头入口压力，Si为喷头入口面积,γ为气体的绝热指数;C为喷头的流量系数；ρi为入口流体的密度；Δp为喷头进出口压差。

3.2.1 内喷头流量计算

内喷头的氧气和水煤浆在预混合腔内相遇，二者在此处需要达到压力的平衡。

假定截面11处中心氧速度v11，计算所有进口参数和驻点参数:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

qm1=ρ11v11S11

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：T10为中心氧滞止温度；T11为截面11处中心氧温度；R1为中心氧气体常数；v11为截面11处中心氧速度；Ma11为截面11处马赫数；p10为中心氧滞止压力；p11为截面11处中心氧压力；ρ10为中心氧滞止密度；qm1为中心氧质量流量；ρ11为截面11处中心氧密度；S11为截面11的面积；v12为截面12处中心氧速度；p12为截面12处中心氧压力；ρ12为截面12处中心氧密度；T12为截面12处中心氧温度；a12为当地音速；Ma12为当地马赫数；S12a为截面12处试算出的气体流通面积。

将S12与S12a比较，然后修正v11重复计算。直到|S12-S12a|/S12≤ε。

在预混合腔内给出一匹配点m，由m处直径dm算出S1m(S1m和S2m共同组成预混合腔的总面积)处的中心氧压力，将其与m处的水煤浆压力p2m比较(即对应于m处的p12和p22)，然后迭代，直到两者之差小于设定值。

3.2.2 外喷头流量计算

外喷头的氧气流量计算方法和内喷头完全一致，即由上述式(5)～式(16)计算得出。

4 设计计算过程

根据上述的理论计算方法，针对图1所示的气化炉工艺烧嘴头部结构，对有关的计算过程进行简单描述。

中心氧由截面11流向截面12，水煤浆由截面12流向截面22，外氧由截面31流向截面32。在截面22处，中心氧和水煤浆进行混合，水煤浆属于不可压缩流体，中心氧属于可压缩流体，两者流动的相互干扰，各自的实际流通面积(S1m和S2m)需要进行匹配才能得出，各自实际流量取决于实际流通面积。

4.1 外氧流量计算

已知外通道流动介质为氧气，其气体绝热指数、气体分子量、截面31处外氧温度、截面31处外氧压力、截面32处外氧压力(炉膛压力)、截面31的面积、截面32的面积、流量系数均已知。

首先假定截面31处外氧速度v31，计算所有进口参数和驻点参数。

将截面32的面积与截面32的试算面积S32a比较，然后修正v31重复计算，直到|S32-S32a|/S32≤σ(σ为预先设定的计算误差)。

4.2 水煤浆流量计算

给定水煤浆密度、截面21处水煤浆压力、截面21的面积、截面22的面积，假定截面12和截面22重合，在此处水煤浆和中心氧进行混合，形成一个匹配的共同压力(p2m)，同时满足两者的流动要求。

4.3 中心氧流量计算

(1)首先假定v11，计算所有进口参数和驻点参数。

(2)将S12与S12a比较，然后修正v11重复计算，直到|S12-S12a|/S12≤σ。

在截面12(截面22与之重合)处，首先假设一个S1m(中心氧和水煤浆混合后的实际流通面积，S2m也就可以同时得出)，计算得出匹配点m处的中心氧压力p1m，然后将p1m和p2m比较，迭代计算，使误差满足预先的设定值，最终得出中心氧在预混合腔中的实际流通面积。当然，在得出S1m的过程中，中心氧流量的计算过程也需要进入迭代计算之中。S1m得出后，S2m也就可以同时得到。

5 计算结果讨论

选取一个典型的气化炉烧嘴的结构尺寸(见图2)，烧嘴的实际工作参数为：排出压力6.3 MPa(气化炉运行压力)，氧气供应压力8.2 MPa，水煤浆供应压力6.9 MPa，进行了有关设计运行参数的计算。

图2 计算用气化炉工艺烧嘴设计尺寸

5.1 计算结果与分析

中间管水煤浆供应压力对内外管氧流量和水煤浆流量的影响见图3、图4。由图3、图4可以看出：随着中间管水煤浆来流压力的增大(保持氧气供应压力为设计值)，水煤浆质量流量增大，外氧的体积流量基本保持不变，而中心氧体积流量减小明显。这说明水煤浆质量流量的增加，对于外氧的流动影响很小，而由于预混合腔的存在，中心氧的流通面积受到挤压，流量逐渐减小，甚至可能出现断流，这在喷嘴的设计和实际运行中需要引起足够的重视。

图3 中间管水煤浆供应压力对内外管氧流量的影响

图4 中间管水煤浆供应压力对水煤浆流量的影响

内外管氧气供应压力与流量的对应关系见图5，内外管氧气供应压力对水煤浆流量的影响见图6。

图5 内外管氧气供应压力与流量的关系

图6 氧气供应压力对水煤浆流量的影响

由图5、图6可以看出：随着氧气的来流压力增大(保持水煤浆供应压力为设计值)，中心氧和外氧的体积流量同时增大，由于预混合腔中水煤浆的存在，中心氧体积流量增大的速度明显小于外氧体积流量的增大速度。同时由于中心氧体积流量增大对水煤浆流动的挤压作用，水煤浆的质量流量也相应有所减小。

气化炉操作压力(背压)对氧气流量和水煤浆流量的影响见图7、图8。由图7、图8可以看出：在水煤浆和氧气供应压力不变的情况下，随着背压的增大，水煤浆、氧气的流量均减小，由于水煤浆属于不可压缩流体，质量流量减小得最快，相应的中心氧体积流量减小最慢，而外氧体积流量减小居中。

图7 背压对氧气流量的影响

图8 背压对水煤浆流量的影响

5.2 气化炉操作条件下考虑真实气体的必要性

在以上计算过程中，将氧气按照理想气体进行处理。如果按照真实气体进行计算，可以采用范德瓦尔斯方程[8],即

(17)

式中：p为气体的压力；a与b是与气体种类有关的修正常数，称为范德瓦尔常数;Vm为气体的摩尔体积；R为摩尔气体常数。

在27 ℃时，氧气压力为0～10 MPa，利用理想气体和非理想气体处理氧气产生的误差见表1。

表1 27 ℃(300 K)时氧气在不同压力下的理想气体体积和实际气体差别

由表1可见：氧气压力为0～10 MPa时，两个状态方程给出的结果误差不大，在此范围内按照理想气体进行处理，作为工程计算是可以接受的。

6 结语

对于常见的水煤浆气化炉三通道烧嘴的结构及运行参数，从基本的流体力学出发，进行了工程理论的设计探讨，得出了初步的设计方法和操作参数对于流动的影响趋势，对于该工艺烧嘴的基本设计尺寸确定及操作参数的调节具有一定的参考作用。实际运行中，还需要根据气化炉的负荷、气化炉运行压力及使用煤种的变化，在工艺烧嘴定型的前提下，对于水煤浆和氧气的供应压力及流量进行调整。当然，根据气化参数和有效气体成分的具体要求，对于中心氧和外氧，采用不同的供应压力也是必要的常见的措施之一。