德士古气化炉闭式升温烧嘴.docx

合成氨部
HCA-ZLW-2010-06
德士古气化炉闭式升温烧嘴（Z1302A/B/C）系统
一、 总则
本方案规范阐述了预热烧嘴的作用、形式以及工艺条件。
预热烧嘴的加工方法以及管道、管件的使用压力等级和材料选用，均需依据有关压力容器制造规范。
二、 流程说明
在开车时，气化炉升温阶段用预热烧嘴（Z1302A/B/ C）临时替换工艺烧嘴（Z1301A/B/C），用石油液化气作燃料，空气辅助燃烧，对气化炉进行升温。用蒸汽驱动开工抽引器（J1301A/B/C）,使气化炉内形成微负压，蒸汽和燃烧后的尾气经过开工抽引器（J1301A/B/C）后排入大气。
气化炉投料时要求的最低炉温为1000℃。如果气化炉投料前炉温降至1000℃以下进行，气化炉投料会对气化炉耐火材料造成过度“热震击”，避免出现投料不成功的情况，气化炉炉温在1000℃以上时投料。
三、 设备、工艺条件数据表
 INCONEL-600　　产品产地：美国/德国/日本
主要成分：77Ni-16Cr -6Fe
INCONEL 600的高镍成分使合金具有非常强的抗氯化物应力裂变腐蚀能力，以及在还原状态下可维持其高耐蚀性及在碱溶液中亦具有很强的耐腐蚀能力。同时因含铬，所以在氧化性环境下耐腐蚀性更胜纯镍。
INCONEL600是一种镍基合金，是Ni-Cr-Fe合金系列的代表性材料，其成分大致为Ni75%，Cr16%，Fe8%。Inconel 600的力学性能与普通奥氏体不锈钢304相近
镍合金:又称蒙乃尔合金，是一种以金属镍为基体添加铜、铁、锰等其它元素而成的合金。蒙乃尔合金耐腐蚀性好,呈银白色,适合作边丝材料。 蒙乃尔合金的用途 蒙乃尔400合金的组织为高强度的单相固溶体,它是一种用量最大、用途最广、综合性能极佳的耐蚀合金。
一、工艺烧嘴（Z0402）
① 结构说明
a．所有与氧气接触的部件材质选用Inconel600不锈钢。
b．烧嘴加工方法以及管道和管件主要使用压力等级，依据有关压力容器制造规范。
c．所有螺栓孔跨在中心线上。
d．烧嘴装运前，烧嘴所有表面用三氯乙烷进行彻底脱脂。
e．烧嘴水压试验依据施工规范。
f．所有焊缝依据施工规范进行测试。
g．所有配管及管件采用无缝管。
h．装配法兰下方的烧嘴部件必须能够放入内径为320mm的耐火材料炉颈部。
② 设计操作条件
烧 嘴 等 级
NOC
DC
温度 ℃
压力 MPa
温度 ℃
压力 MPa
氧气接管
30
8.2
60
8.5
煤浆接管
50
7.8
80
8.2
冷却水接管（入口）
40
1.6
425
7.15
烧嘴整体装配
-
-
425
7.15
气化炉壳体
280
6.5
425
7.15
二、预热烧嘴（Z0401A/B/C）
① 预热烧嘴的作用
预热烧嘴用于气化炉耐火材料安装就位后的养护干燥，以及将气化炉从常温预热至约1300℃。预热烧嘴也用于气化炉保持热备状态即恒温阶段。
② 预热烧嘴的形式
预热烧嘴为抽风倒焰式预热烧嘴。
③ 预热烧嘴的工艺要求
燃料：本设计使用石油液化气为主燃料。
放热量：12560 MJ/h（针对单台预热烧嘴）
④ 预热烧嘴的机械要求
a.烧嘴应适于装在气化炉结构图中所示的气化炉顶部法兰上。
b.烧嘴应设计一只顶部吊耳，便于通过电动葫芦将其装入气化炉或从气化炉中吊出。
c.最小放热量应为上述满负荷放热量的10％。负荷变化范围应为满负荷放热量的10％～100％。
d.仪表及控制系统的有关要求应与用户要求及有关此类设备的标准相一致。
e.烧嘴壳体采用碳钢。由供货厂商确定喷管材质。
f.预热烧嘴应设计点火口，以便进行手动点火。
g.要求提供以下控制系统以便对预热烧嘴进行调节控制：
l 调节点火气体需要的自调节式压力调节阀（PCV）。
l 压力显示表（现场）。
l 手动流量调节阀。
l 流量显示表（现场）。
气化炉材料说明
1. 耐火材料的分布种类及所在部位如下：
A. 向火面耐火砖：直接受气化反应生成的粗合成气及熔渣作用的高铬耐火材料（Cr-90，重量6.85T，密度1.4g/cm3）。
B. 绝热层耐火砖：紧靠向火面耐火砖外侧设置（Cr-10，重量6.85T，密度1.4g/cm3）。
C. 保温层隔热砖：紧靠绝热层耐火砖外侧设置，用以降低气化炉壳体温度的耐火材料（低硅钢玉，重量6.85T，密度1.4g/cm3）。
D. 烧嘴接入口：气化炉反应室顶部安装烧嘴的部位。
E. 耐火衬里拱顶部：气化炉反应室上部位于耐火材料直筒部与烧嘴安装口之间的部位。
F. 耐火衬里直筒部：沿气化炉反应室直筒部设置的耐火材料。
G. 耐火衬里锥底部：气化炉反应室底部流道缩小的部位，此处形成粗合成气流。
H. 耐火衬里下炉口部：位于气化炉反应室耐火衬里下锥底与粗合成气激冷室之间的部位。
2. 工艺要求
A. 向火面耐火材料应能承受气化炉反应室正常操作温度条件下熔渣的侵蚀作用，使用寿命不应低于12000小时。且能承受气化炉反应室操作温度短时间剧升至1540℃条件下的高温作用。
B. 耐火材料设计应使气化炉炉壁温度比相应的水汽露点温度至少高30℃，以防止气化炉炉壁及耐火材料发生露点腐蚀。气化炉炉壁最高温度，气化炉壁厚及材质情况下的最大应力等由气化炉设计者确定。
C. 热传导曲线的有关计算应考虑粗合成气中氢气的分压。
D. 设计一套气化炉炉壁温度检测报警系统，用以监测耐火材料发生故障，或出现高温粗合成气透过耐火材料层发生所谓“串气”的故障工况，有效的保护气化炉。
气化炉烧嘴说明
水煤浆加压气化技术由于高效、洁净，在我国备受关注并大量推广。但水煤浆气化的烧嘴连续使用寿命较短，制约了装置的长周期运行，并影响经济效益。为此，国内科研院所、烧嘴使用单位等开展了大量的工作，从结构、形式、材质等多方面进行改进，期望提高使用寿命。
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。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），其烧嘴也由我们提供。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，在方案的选取、专利申请、气化炉结构的确定、工艺烧嘴的设计及配置、二次补氧烧嘴的设计、配置等方面提出了建议,配套提供的专用工艺烧嘴和二次补氧烧嘴,为该工艺技术的工业实施作出了重要的贡献。本文作者就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,同时对烧嘴的改进提供一些个人看法,仅供同行参考。
1工艺烧嘴的设计
目前普遍采用的气化炉工艺烧嘴头部结构如图1所示。烧嘴的设计需要考虑的因素有以下。

图1 水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构
（1）结构形式
为同心三套管。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，同时其端面相对于烧嘴断面基准面有一定的缩入量，这样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，其目的是为了保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩入量更大一些，目的是提供更高流速的氧气，使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。
（2）流通通道
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，力争达到良好的混合和雾化效果。但是，中心氧的比例有一定的限制，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，太大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加重，降低烧嘴的连续使用寿命；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，其结果是使整个烧嘴出口的火焰变得细长，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停留时间变短，炉渣中的含碳量增加,引起气化效率降低，而且，会使火焰直冲炉底，影响炉底激冷环的工作。
（3）流速
中心氧的出口流速一般为150～180 m/s，煤浆出口流速一般为2～4 m/s，预混合腔出口平均流速一般为12～20 m/s，外氧的出口流速一般为160～200 m/s。
2影响烧嘴使用寿命的主要因素探讨
根据多年来从事水煤浆气化炉工艺烧嘴研制的经验和工业化运行的生产实际情况，水煤浆气化炉工艺烧嘴的损坏方式主要有种：即冷却水盘管损坏；中喷头物理磨蚀；热、化学、应力使外喷头受损。以下逐一分析。
2.1 冷却水盘管损坏
冷却水盘管的作用是保护烧嘴（处于高温工艺气体的本体部分），冷却水盘管的外部环境恶劣。损坏方式一般有以下几种。
（1）冷区水盘管和外喷头焊接处热应力损坏。原因是两个零件之间的连接为角焊缝焊接，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）形式的损坏。我们采取的改进措施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改进的冷却水盘管
（2）如果冷却水盘管内的冷却水温度控制不当，会造成盘管表面低温腐蚀，一般将冷却水温度控制在170 ℃以上比较合适，但实际工艺设计中，冷却水的作温度一般在50℃以下，这样盘管表面就存在低温腐蚀。另外，盘管应选用高温性能稳定的材料，目前材料以Inconel600为最好。
（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。
（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，这些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。
2.2 中喷头的物理磨蚀
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和整个工艺连续运行的主要因素之一。一般情况下，水煤浆气化炉工艺烧嘴连续运行30～60天，就需要停炉检修和更换，因此，水煤浆气化工艺必须有备用炉，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，必须用一定量的氧气对水煤浆进行雾化，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，气体流速必须达到一定值。也就是说，预混合腔内的混合物（水煤浆、氧气）流速必须达到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，造成中喷头内腔磨损。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是目前唯一可行的方法，当然还要考虑抗氧化性能。普遍采用的材料是GH188和UMCo-50，但连续工作的时间也只有30～60天。影响运行周期的因素很多，主要有煤种、生产负荷等。据悉有关单位已经研究成功了具有较长寿命的陶瓷材料中喷头，但还没有公开的报道。我们在中喷头的内腔表面喷涂抗物理磨蚀的硬质合金，对提高烧嘴的连续使用时间有一定的作用（见图5b），有关试验工作还在继续进行。
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，太大则混合物的轴向速度分量大,火焰就会细长,甚至直冲炉底，影响部分物料的停留时间，以及碳转化率，而且，从图3中也可以看出，混合物流速到达一定值后对雾化液滴尺寸的影响也会变得很小。

图3水煤浆雾化性能和雾化氧气流量的关系
2.3 热、化学、应力对外喷头的影响
水煤浆气化炉工艺烧嘴另外一种损坏形式,是外喷头端面出现径向放射性裂纹及不规则龟裂。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。
2.3.1裂纹产生的原因
对于裂纹产生的原因，目前还没有权威性的结论,作者认为,其影响因素主要有以下几个方面。

图4外喷头典型的损坏形式
（1）热冲击影响。由于外喷头的端面向着炉内高温工艺气体，一般为1200～1500 ℃，金属材料在这样的高温条件下长期工作，并受到高速煤浆、氧及回流的工艺气体冲刷，冶炼和锻造过程中的所有缺陷都会逐渐暴露出来，这样就会形成不规则龟裂。
（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。高温情况下，金属材料也会发生一定的渗碳，使金属材料的成分和性能发生变化。另外，煤中的硫，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，这是零件机械加工后的应力集中部位，在高温条件下，应力释放是形成放射性裂纹的根源，也是外喷头损坏的最主要因素。
工艺烧嘴的出口处存在较高的射流，此处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冲刷，这也是造成损坏的一个因素，从气化炉炉拱耐火砖易遭损坏的事实也可证明这一点。
3提高工艺烧嘴寿命的途径探讨
如前文所述，影响水煤浆气化炉工艺烧嘴使用寿命的因素主要有两方面，即中喷头的物理磨损和外喷头因热、化学、应力损坏。下面作者提出一些观点和想法，供同行专家和技术人员参考。
3.1中喷头的物理磨损问题
我们可以从以下几个方面着手改进，以提高使用寿命。
（1）在满足流量和雾化要求的前提下，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，磨损率和流体流动速度之间的关系如图5。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，若使预混合腔出口的流速低于材料磨损的临界流速，就可以延长中喷头的使用寿命。
（2）从图5还可以看出，不同的材料，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，但其临界速度较高，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5材料磨损速率和颗粒流速之间的关系
（3）优化结构尺寸，也可以提高中喷头的抗磨性能。图6为固体颗粒冲撞角度与磨损速率之间的关系。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，磨损速率在某一角度（可以称之为临界角度）时最大。设计中喷头内型面时，尽量使冲撞角度远离临界角度,也能减轻材料的磨损。

图6 材料磨损速率和颗粒冲撞角度之间的关系
（4）改善表面结构性能。首先，要保证材料表面的光洁度；其次，要保证材料的内在质量均匀；还有一点很重要，就是在中喷头内孔的表面喷涂抗磨材料（例如硬质合金等），改善抗磨性能。图7b所示的中喷头就是喷涂过硬质合金的产品，可以看出具有比较明显的效果。需要注意的是，涂层的厚度有一定的限制，太厚可能会脱落。因此，这种改进也是有局限的。
3.2外喷头的延寿措施
解决外喷头问题的最直接方法，就是改变材料的耐高温腐蚀和耐热冲击性能，同时在外喷头加工完成后作消除应力处理。目前公认最好的材料是GH188和UMCo-50，但即便是用这两种材料制作的喷头，运行周期离生产要求的也很远。为了解决这一问题，广大科研人员在以下几个方面有所考虑和尝试。
（1）改外喷头的材料为多孔陶瓷或多孔金属，将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，化学腐蚀和物理磨损问题也有可能同时解决。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）如何保证密封和耐压将是新的问题。直至目前，还没有看到实际运行的产品。
（2）在外喷头的端面加装防热保护板，保护板的材料选择及联结则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，避开密封条件的限制，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、防腐作用，大大延长外喷头的使用寿命。通过选择特种合金粉末和改良热喷涂工艺，相信这种方式能够取得令人满意的效果。目前，这种方法我们已经开始实施，工业化运行效果令人满意。如图7a、7b所示，外喷头经过热喷涂后，性能得到了非常明显的改善。

图7a烧嘴正常使用一个周期后

图7b热喷涂后烧嘴使用一个周期后
3.3其他途经
通过以上分析，得出结论是，导致水煤浆气化炉工艺烧嘴寿命短的外部原因，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、应力损坏。关于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，肯定会减小外喷头因受热、化学、应力损坏的速度和强度。
在保证气化炉总体性能的前提下，如果能够通过其他途径缓解工艺烧嘴对水煤浆雾化程度的要求，就可以降低预混合腔出口混合物的流速，这样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，也能降低外喷头受热、化学、应力损坏的速度。
3.4烧嘴改进示例
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），就是从以上两方面进行改进的。

图8 水煤浆分级气化技术气化炉进料方式
（1）将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。氧气按外氧和中心氧再分配后，预混合腔的流速明显下降，下降幅度为20%左右，这样中喷头的物理磨损速率就会下降。下降量可以用下面的冲量公式（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<, /SUB>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，烧嘴出口处高温工艺气体的回流量也会下降，下降量计算如下。
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。
总的结果是，一方面，通过工艺烧嘴的总氧量下降，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，高温工艺气体回流量减少，相应烧嘴外喷头端面处的气体温度下降。清华大学在试验室中测出的温度下降值大约为200 ℃（见图9），这对改善工艺烧嘴外喷头的工作环境非常重要，实际生产中的下降幅度与试验值可能有所差异，但烧嘴外喷头端面受高温而产生的热、化学、应力的影响均会明显减弱。

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
其余20%本应从工艺烧嘴进入气化炉的氧气，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氧量要求，同时利用高速喷入的氧气，对工艺烧嘴喷出的未雾化水煤浆进行二次雾化。除了解决工艺烧嘴的工作寿命问题以外，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进程，因此要加大炉膛的轴向尺寸来弥补，典型情况下，炉膛轴向尺寸要加长0.5 m左右。
受以上三方的委托，根据以上改进方案的要求，我们研制了水煤浆工艺烧嘴和二次补氧的氧气烧嘴。该项目于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较高的评价。
山西丰喜肥业集团现场使用表明，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超过5年。在中喷头耐磨材料和外喷头抗化学腐蚀材料喷涂试验完成以后，再制作分级气化的工艺烧嘴，其连续使用寿命还将更长。
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，这样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，同时可以节约投资和减少控制点。
4结论
相对来说水煤浆加压气化技术，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。本文就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。相信在广大科技工作者和技术人员的共同努力下，水煤浆加压煤气化技术必将在我国的煤化工中发挥更大的作用。
致谢
本文在成稿过程中得到清华大学热能工程系张建胜博士的大力支持及我所张范工程师的协助，在此表示衷心感谢。
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