煤气化烧嘴分类

外混式烧嘴，国内生产、研究和即将引进的有二通道、三通道、四通道、五通道、六通道等。通道数的多少视具体情况而定，冷却方式有外冷式(指夹套或盘管冷却)和内冷式(指进料之间有冷却水通道)。结构型式和结构尺寸的变化都会使烧嘴的雾化性能变化。

1二通道烧嘴

大型合成氨装臵早年引进的一些气化炉通常采用两通道烧嘴，以Texaco气化技术为主要代表。该烧嘴的主要特点是结构简单，气流雾化，能满足基本的工艺要求。但从国内企业的运行效果来看，该类型烧嘴在与气化炉匹配、有效气含量及产率方面均低于多通道烧嘴。

(1) 渣油气化烧嘴

两流道烧嘴采用环形管隙通油—蒸汽混合物料，中心管走氧。油和蒸汽先在烧嘴外管道三通内混合，混合三通处渣油的进口速度约为15 m/s，蒸汽速度大于60 m/s，渣油在喉口高速下进行雾化。油—蒸汽混合物在烧嘴环形管隙内流速为75 m/s，氧气在中心管内流速为132～137 m/s，于喷口处与油一蒸汽混合环流相冲击，使油滴进一步雾化。选择这两个流速是使喷出口处形成一段“黑区”，以保护烧嘴。

例如，乌石化化肥厂第一套合成氨装臵气化炉采用德士古专利，其原理是将渣油、蒸汽和氧气以适当配比混合，不完全燃烧生成工艺气［4］。高压氧气(25 ℃，9. 60 MPa)和经过预热的渣油(315 ℃，10. 0 MPa)、蒸汽(320℃，10.0 MPa)分别通过烧嘴的中心管和环隙喷入气化炉燃烧室，雾化混合燃烧。烧嘴加装在燃烧室顶部，并设有冷却水盘管及夹套。冷却水进出口温度分别为38℃、40℃，压力分别为1. 47 MPa，0.098 MPa。气化炉燃烧室温度1350 ℃。烧嘴正常工作时，尽管冷却水及物流对烧嘴有冷却保护作用，但高速物流的冲刷及含硫工艺气的侵蚀，以及低负荷高温热区的上移都会对烧嘴造成很大的损害。同时在停车期间，烧嘴头部受高温辐射，部分区域得不到保护，易发生泄漏。

国内中小型重油气化装臵多采用一次机械雾化、二次气流雾化的二通道烧嘴。该类烧嘴的主要缺点是雾化效果差，炭黑生成量较大(>3%)，原料单耗较高。60～70年代国内建设的以蒙特卡蒂尼为代表的气化炉原先就是这种烧嘴。

(2)两段式粉煤气化试验烧嘴

国内开发的两段式粉煤气化技术关键设备之一为烧嘴，是将煤粉（由 N2 夹带），O2和水蒸气混合均匀并喷入气化炉的关键设备，其设计、加工水平直接影响气化指标。两段式粉煤气化试验采用的两通道气流烧嘴如图2所示。向火面水夹套端部材料选用Inconel 600。由于煤粉以分散颗粒形态出现，不需像重油和水煤浆那样要进行雾化，但从燃烧角度考虑必须保证粉煤和气化剂混合良好，本设计气化剂喷出速度约 20m/s，煤粉（由 N2 夹带）流出速度为8m/s，冷态试验表明，选用这种参数是合理的。

2三通道烧嘴

近期国内引进的Texaco水煤浆气化技术烧嘴和国内自行开发的烧嘴以三通道为主。

德士古工艺烧嘴是气化装臵的关键设备，一般为三流道外混式结构，中心管和外环隙走氧气，内环隙走煤浆。在烧嘴中煤浆被高速氧气流充分雾化，以利于气化反应。由于德士古烧嘴插入气化炉燃烧室中，承受1400℃左右的高温，为了防止烧嘴损坏，在烧嘴外侧设臵了冷却盘管，在烧嘴头部设臵了水夹套，并有一套单独的系统向烧嘴供应冷却水，该系统设臵了复杂的安全联锁。烧嘴头部采用耐磨蚀材质，并喷涂有耐磨陶瓷。负荷和气液比不同，中心氧最佳值不一样，这样可使烧嘴在最佳状态之下工作。

(1) 渣油气化烧嘴

吉林石化公司化肥厂合成氨装臵采用的三通道烧嘴［2，9］，见图3。三流道烧嘴氧

气分为两路：一路为中心氧，由中心管喷出，渣油由中间环道流出并与中心氧在出烧嘴口前预先混合；另一路为主氧通道，为烧嘴外环道。在烧嘴口处主氧与渣油、氧气再次混合。三流道烧嘴主要特点如下。

①负荷适应范围大，为50%～140 %，由于内嘴头、外嘴头端部齐平，能适应负荷的变动而无须调节烧嘴的空间，操作方便。

②原料使用范围广，除了渣油外还可以掺烧沥青质油、煤浆、石油焦等原料。

③选用高温抗氧化性能较好的Inconel-600材料。

④生产过程中在烧嘴的氧气中加入适当的蒸汽，以缓和燃烧反应，延长使用寿命。

⑤三流道烧嘴出口流从中心管依次为氧气—蒸汽、渣油—蒸汽、氧气—蒸汽，物流在烧嘴出口湍流，形成旋涡，相互交叉剪切，再藉氧—蒸汽与油—蒸汽的速度变化，使三股物流充分混合并使渣油均匀雾化。

⑥为了保护烧嘴，设臵有冷却水夹套和螺旋盘管对其冷却。采用闭路循环，以防止水流中断，同时烧嘴冷却水系统设臵有可燃气体报警仪，一旦烧嘴冷却水泄漏立即报警，以便组织停车处理。

(2) 德士古水煤浆气化烧嘴

渭河煤化工集团水煤浆气化装臵原设计压力为6.5MPa，采用德士古气化技术，烧嘴采用德士古三环式烧嘴，由于运行压力较高，水煤浆的冲刷严重，再加上对国外技术消化吸收不够，烧嘴经常损坏。一般损坏的仅是喷头部位，但有时由于炉内反应异常等各种原因，造成烧嘴部分过烧而损坏。

(3) 国产化水煤浆气化烧嘴

上海焦化有限公司与国内科研单位合作，于1998～1999年对水煤浆加压气化工艺烧嘴进行了研究，试制了3只烧嘴并在装臵上进行试验。从试验的情况看，其中一只烧嘴较好，各项指标都接近引进烧嘴的水平，个别指标超过了引进烧嘴。

(4)中化肥的非催化部分氧化烧嘴

甘肃刘化(集团)渣油改天然气后，自行设计了三通道烧嘴。该公司在对重油气化及煤气化等气化技术跟踪了解的基础上，设计如下与现行气化炉匹配的三通道烧嘴。

烧嘴头部由内喷头和外喷头组成，通道1、 3走氧气，通道2走天然气。由于三个通道出口加工成具有一定的夹角，从而使得物料能够较好地混合并形成气流雾化，为气化创造了良好的条件。有关特征数据如下:

通道1内径为18 mm，下端部扩大口内径为22 mm；通道2下端部内径为50 mm；通道3下端部内径为72 mm。

根据以往的使用经验，内喷头头部材料选用西安航天研究所为我国卫星发射火箭研制的烧嘴材料；外喷头因有冷却水夹套，故材料选用Cr25Ni20；其余材料选用0Cr18Ni10Ti。

(5)渣油气化烧嘴直接改烧天然气

宁夏石化分公司合成氨装臵共有3台气化炉，1995年以后，实现了烧嘴备件国产化［5］。渣油烧嘴在检修后可连续运行6个月以上。其中1#和3#气化炉分别在2000年和2003年进行了油改气改造，2台天然气气化炉共有4个烧嘴，其中2个为进口，2个为国产。

实现油改天然气后，气化炉内部温度达1400℃左右，较烧渣油时平均高100～150℃，给烧嘴的长周期运行带来严重影响。在投天然气至今近4年的时间中，烧嘴使用寿命短、易泄漏成为严重影响气化炉乃至全套装臵安全稳定长周期运行的重大隐患和难题，累计造成单台气化炉停车达十多次。天然气烧嘴问题主要表现在冷却水回水温度高(达60～70℃)，冷却水盘管焊缝及其热影响区易开裂泄漏(外烧嘴头因制造过程中焊接缺陷也出

现了2次泄漏)。

在检验和分析的基础上，认为造成天然气烧嘴泄漏的主要原因有以下几方面。

①烧天然气时气化炉内部温度达1400℃左右，比烧渣油时平均高出100～150℃，且烧天然气后烧嘴几何尺寸的改变直接导致烧嘴压差减小，炉内火焰上移，烧嘴附近热量非常集中，烧嘴表面产生高温氧化腐蚀裂纹。同时在冷却水盘管及外烧嘴冷却腔焊缝上产生由于热应力引起的疲劳裂纹，导致烧嘴烧损和泄漏。

②外烧嘴头在制作时冷却水腔两环焊缝存在未焊透、未熔和夹渣、裂纹等缺陷，造成在高温下逐渐氧化腐蚀和疲劳开裂。

③焊接水平和焊接设备有限，焊接工艺不够完善，导致焊接质量存在问题，焊后焊缝热影响区大，加上焊接电流和焊接速度等掌握不好，最终导致在焊缝的热影响区出现缺陷并在高温环境下逐渐显现出来，导致泄漏。

④气化炉负荷频繁变化或长时间用此烧嘴进行正压升温也对使用寿命影响较大。

⑤实际运行中渣油在烧嘴中雾化效果不好而出现偏流等现象，有时甚至出现烧嘴口部堵塞的现象，最终导致烧嘴烧穿。

用于水煤浆气化工艺的主要为三流式外混烧嘴，该类型烧嘴较好地实现了结构与材质的统一，在工业化大生产中体现了它的实用价值。这种烧嘴，在不同的负荷、不同气液比情况下，要使工艺烧嘴在最佳状态下工作，其中心氧最佳值不一样，因此对气化炉操作人员提出了较高的要求。

3四通道烧嘴

兰州石化分公司化肥厂，原料由渣油改为天然气，自2002年1月2日投用后，合成氨装臵2台气化炉烧嘴共用了3种型号。其中I型寿命为28天，II型为66天。烧嘴水冷却夹套损坏后必须停炉更换，如坚持生产，夹套漏出的冷却水会导致炉砖损坏，造成气化炉炉壁超温，威胁气化炉的安全运行。由于烧嘴使用周期短、频繁开停车给化肥厂的稳定运行和生产带来严重影响，造成装臵能耗物耗高，企业亏损。

由兰州石化分公司和中石化兰州设计院、华东理工大学、西安航天十一所油烧嘴组、宁夏石化分公司化肥厂等单位共同攻关，于2002年6月设计制造了III型烧嘴，运行周期达到了3个月，生产基本稳定。实现了日产1000t合成氨的高负荷生产，降低了能耗物耗。

4 五通道烧嘴

五通道烧嘴以90年代后期引进的Shell渣油气化烧嘴为代表。中石化九江分公司、兰化公司和内蒙古化肥厂引进的渣油气化装臵采用的就是这种烧嘴，也称共环式烧嘴。

Shell公司虽在80年代就已开发出共环式烧嘴，并在较多家工厂使用，但由于油品和负荷不同等原因，国内这三家企业所用烧嘴的内环可以说是经过计算后重新设计的，有所改变，第一次进行实际应用。

Shell公司80年代开发的共环式烧嘴，设计使用寿命8000h，此烧嘴雾化效果好，为气化过程创造了良好的条件，有效气体成分高(CO+H2含量>96%)，适应范围宽，可使用粘度在15～100mm2〃s，固态物含量<1%(最大粒度1mm)的所有油品。因而碳转化率高，吨氨原料消耗低。但存在烧嘴结构复杂、维修困难的缺点。这件事引起使用厂家的关注，他们对烧坏原因作了研究，提出了改进意见。

所谓共环式烧嘴就是烧嘴内环由几个同轴心的内部环隙组成，Shell共环式烧嘴内环按作用不同可分为5个环隙。

第1环在升温时安装升温烧嘴，进行气化炉升温，而在气化炉正常运行时更换为可承受高压的假件，此假件上半部为实心，下半部为管状，与烧嘴同长，中部有一排小孔，使二环少量气化剂进入，以防止由假件所构成的一环端部出现死气和超温。

第2环和第4环为气化剂环隙，升温时为二次空气，正常时通过的介质为入炉氧气和作为气化剂的部分蒸汽混合气。

第3环为渣油进料通道，气化剂通过烧嘴节流高速喷射入炉，从两面对渣油进行剪切雾化，确保了雾化效果，而第3环在升温时为升温介质液化气。

第5环为屏蔽蒸汽环隙，升温时则为激冷空气。屏蔽蒸汽入炉后包围在整个火焰外部，这样有效地解决了炉内返流的原料气耗氧问题，使入炉的氧气充分与渣油进行反应。

烧嘴的外部首先是冷却水夹套，此夹套与老式烧嘴相比，改变较大，新式烧嘴的冷却水系统为高压强制循环，操作数据为 6.0MPa、190℃，并且在夹套内部增加了新的分布器，确保冷却均匀。在由主烧嘴构成的五、四、三环内均有带小孔的环形分布器，一方面确保物流分布均匀，另一方面也起到固定各环隙的作用。第2环则由主烧嘴最内环的内壁与升温烧嘴或假件的外壁构成，此环没有分布器，但在升温烧嘴或假件端头有4块固定板，使之固定。

现在，随着企业油改气的完成，这种烧嘴已经不用了。

5六通道烧嘴

GSP气化炉是由多用途烧嘴、冷壁气化室和激冷室组成的加压气流床。GSP工艺技术适用于各种碳氢化合物(石油焦，无烟煤，褐煤，油，生物植物，木材，泥浆，家庭废物，城市废料等)的气化。

GSP气化采用的是一种内冷式多通道烧嘴，共有6层通道，共分内中外三层。烧嘴外层是主燃料(三个进口)，例如煤粉；中层是氧气和高压蒸汽；内层为燃料气，作为持续点火用。该烧嘴还配有闭路循环水冷却系统。为安全起见，该冷却系统的循环水压高于气化炉的操作压力。冷却水也有三层。分别在物料的内中、中外层之间和外层之外。这种冷却方式，传热比较均匀，可以使烧嘴的温度保持在较低的水平，特别是烧嘴头部的温度不至于太高，从而避免将烧嘴的头部烧坏。烧嘴头部的材料比较好，因此，这种烧嘴的使用寿命预计可以在10年以上。但是，对烧嘴头部金属材料的要求比较高，而且每年都要作简单维修。

该烧嘴由配有火焰检测器的点火烧嘴和生产烧嘴所组成，故称为组合式烧嘴。承受较高热负荷的烧嘴部件通过烧嘴循环冷却系统来强制冷却。烧嘴的材质为奥氏体不锈钢，高热应力的烧嘴顶端材质为镍合金。

目前，这种烧嘴还没有运行经验。但其设计理念是比较合理的。

由中心向外的环隙依次为点火燃料气、点火氧气、氧气/蒸汽、煤粉通道。几根煤粉输送管均布进入最外环隙，并在通道内盘旋，使煤粉旋转喷出。给煤管线末端与烧嘴顶端相切，在烧嘴外形成一个相当均匀的煤粉层，与气化介质混合后在气化室中进行气化。因此从给煤管出口到烧嘴顶端之间只产生很小的热应力。