兗礦鄂爾多斯能化 孫永濤

對置式水煤漿燒嘴的應(yīng)用研究

兗礦鄂爾多斯能化 孫永濤

氣流床汽化的特點是每個煤漿顆粒均被氣流隔開，每個顆粒均能單獨地膨脹、軟化、燃燒殆盡并形成熔渣，而與相鄰的顆粒毫不相干，工藝燒嘴在這其中起了決定性作用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一、汽化反應(yīng)機(jī)理及對撞式流場特點

1.汽化反應(yīng)機(jī)理。流場可劃分為射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股（上下2股）、回流區(qū)（共6個）、折返流區(qū)、管流區(qū)。水煤漿、氧進(jìn)入汽化室后，相繼經(jīng)過霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、汽化等6個物理和化學(xué)過程。其中，前5個過程速度較快，汽化反應(yīng)除在上述5區(qū)中進(jìn)行外；主要在管流區(qū)中進(jìn)行。

2.撞擊區(qū)是汽化爐內(nèi)物流間混合最為劇烈的區(qū)域。研究表明，它從以下幾方面強(qiáng)化了汽化爐內(nèi)的霧化與混合過程。

（1） 撞擊區(qū)內(nèi)氧氣與煤漿的相向運動產(chǎn)生剪切力，促使煤漿液滴進(jìn)一步破碎，完善了霧化過程。有數(shù)據(jù)表明，霧化微粒平均粒徑減少50%（由150μm降到75μm），碳的轉(zhuǎn)化率將提高4.7%。

（2）四股射流經(jīng)過撞擊才形成撞擊流股，其軸向速度衰減明顯加快，爐內(nèi)流體的停留時間分布得到改善，即“短路”現(xiàn)象受到抑制。

（3）撞擊區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的顆粒振蕩現(xiàn)象，使顆粒停留時間相對延長。

（4）撞擊區(qū)內(nèi)速度脈動劇烈，湍流強(qiáng)度最大，說明混合效果最好。

二、對撞式流場對燒嘴的要求

1. 噴射形狀。工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)形式和尺寸應(yīng)與汽化爐爐膛耐火襯里的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸相匹配，應(yīng)具有合適的霧化角和射程，煤漿噴入汽化爐的形狀應(yīng)類似于喇叭口形或郁金香形，以避免因工藝燒嘴射狀不佳而導(dǎo)致結(jié)渣及對耐火襯里的過量沖刷。

2. 裝配與安裝。根據(jù)對撞式流場的特點，燒嘴的自身裝配尺寸必須嚴(yán)格按照設(shè)計要求，燒嘴在汽化爐上的安裝也要符合設(shè)計要求。裝配和安裝尺寸不合格會導(dǎo)致燒嘴氣流偏噴，影響汽化爐內(nèi)流場的穩(wěn)定，嚴(yán)重時會燒毀耐火磚，甚至造成嚴(yán)重事故。

3. 調(diào)節(jié)范圍。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，燒嘴的負(fù)荷也在增加，這就要求燒嘴在不同的壓力負(fù)荷條件下?lián)碛凶銐虻牟僮骺臻g。在操作空間內(nèi)仍能保持良好的霧化效果，維持相對優(yōu)化的汽化效果，提高運行效益。

4. 使用壽命。大型的汽化裝置對后系統(tǒng)影響較大，一旦停車必然造成后系統(tǒng)的減產(chǎn)、停產(chǎn)，不但影響產(chǎn)量，而且增加開停車原料的消耗費用，燒嘴更換維修費用也會隨之增加。因此燒嘴更應(yīng)有較長的使用壽命和較高的操作安全性，能夠適應(yīng)多種工況，如高溫、劇烈的溫度變化，高壓及強(qiáng)烈的腐蝕及磨損環(huán)境。從目前燒嘴的使用情況來看，使用記錄在120天左右，有個別燒嘴的使用時間稍長一些，但存在一定的不確定性，因此要求通過各方面改進(jìn)，使燒嘴能夠穩(wěn)定運行120天以上。

三、燒嘴存在的問題

1. 燒嘴外氧噴頭水室龜裂。燒嘴外氧噴頭水室表面有中線向外擴(kuò)散的射線狀龜裂細(xì)紋，有的細(xì)紋很深。經(jīng)檢測，細(xì)紋會使水室表面材料厚度變薄，因此不能繼續(xù)使用，必須更換。噴頭材質(zhì)為鈷50，通過對材質(zhì)做金相分析，以及對該材料在其他燒嘴使用單位的情況了解，選材方面沒有問題。該龜裂現(xiàn)象是高溫?zé)彷椛洹_刷造成，與工藝操作環(huán)境有一定關(guān)系。通過改善工藝操作，目前有了較長的使用記錄。

2. 燒嘴盤管、外氧管腐蝕。盤管、外氧管材質(zhì)為INCONEL600，在抗氧化、耐腐蝕、耐高溫方面屬于優(yōu)質(zhì)材料,暫時沒有其他代替材料。從山東大學(xué)提供的金相組織報告來看，該盤管、外氧管局部腐蝕屬于晶間腐蝕，主要為汽化爐內(nèi)高溫合成氣中的硫及氫對燒嘴的腐蝕。另外，合成氣夾帶灰渣進(jìn)入燒嘴室，與燒嘴的安裝、拆卸困難，燒嘴盤管損壞等都有著直接關(guān)系。為此，使用氧化鋁空心球澆注料對燒嘴頭部盤管部位進(jìn)行保護(hù)，使燒嘴室形成相對密閉空間，可有效防止汽化爐內(nèi)灰渣進(jìn)入燒嘴室，既減少了對燒嘴的腐蝕，又能方便拆卸燒嘴。

3. 氧氣及中間通道磨損。在其他方面得到改進(jìn)的同時，燒嘴通道的磨損問題也在逐步改善，但從目前的使用情況來看，仍然不能滿足使用要求，在使用了一個長周期后煤漿通道的磨損情況尤為嚴(yán)重。當(dāng)前材料性能的研究進(jìn)展速度還落后于燒嘴其他方面的研究。

4. 焊接裂縫。在早期燒嘴使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在燒嘴盤管與頭部焊接部位有減薄開裂的情況，減薄情況是由于表面腐蝕，材質(zhì)劣化造成，但通過對焊接部位的切割檢測發(fā)現(xiàn)有些裂紋在焊縫內(nèi)部也存在，這與焊接應(yīng)力有一定關(guān)系。通過規(guī)范制造工藝，從結(jié)構(gòu)上避免應(yīng)力集中，規(guī)范焊接工藝，避免焊接缺陷，同時在可能的情況下進(jìn)行焊后的去除應(yīng)力熱處理，效果明顯。

四、三流道水煤漿工藝燒嘴的研究方向

1. 工藝燒嘴與升溫預(yù)熱燒嘴合二為一。這樣做將能減少更換燒嘴的時間和人力，減少對耐火襯里的熱變沖擊。魯爾、冷水等工廠曾做過這方面的探索。

2. 燒嘴外環(huán)氧的在線調(diào)整。魯爾化學(xué)工廠燒嘴外環(huán)隙可以通過過程控制系統(tǒng)，直接進(jìn)行在線調(diào)整，能夠在變化較大的情況下仍保持氧氣的噴入速度及燒嘴的噴射性狀基本保持不變。

3. 尋找高硬度且焊接性能好的材料或在煤漿通道內(nèi)襯陶瓷等耐磨材料，增強(qiáng)煤漿通道耐磨性能。

4. 設(shè)計不用冷卻水而是用流體自身進(jìn)行冷卻的燒嘴，或設(shè)計帶有旋流器的三通道組合式水煤漿汽化燒嘴，提高霧化效果。

五、結(jié)論

目前燒嘴基本能夠滿足生產(chǎn)需求，各生產(chǎn)廠家的使用情況也略有不同，由于在加工質(zhì)量、煤質(zhì)情況、工藝操作條件、運行環(huán)境等方面存在一定差異。燒嘴在使用周期方面還有一定的拓展空間，相信通過不斷的技術(shù)改進(jìn)及新型材料的應(yīng)用，燒嘴的使用周期必定大大延長。