水煤浆烧嘴研究
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。
水煤浆气化技术的后起之秀
水煤浆气化技术的后起之秀
水煤浆气化技术的后起之秀——晋华炉，目前已成为世界上最先进的煤气化技术之一。预计在“十三五”期间，为满足新装置建设和老装置改造的需要，为适应不同原料煤制成的水煤浆，各种类型的晋华炉均会有一个良好的发展空间，其应用推广前景值得期待。
标签：水煤浆气化技术;后起之秀;晋华炉
1 水煤浆气化技术的优势
水煤浆气化是一种简单、成熟、经济、环保的煤气化技术，在煤化工行业得到广泛应用。其优势主要表现在如下方面。
1.1技术成熟：采用激冷流程的水煤浆气化工艺已经有50多年的历史，原料可以采用重油、渣油、水煤浆和多元料浆等，技术简单而成熟。
1.2设备简单：气化炉结构相对简单，其后续流程中的几台关键设备的结构也较简单。
1.3投资低：相对于粉煤气化，水煤浆气化装置投资低，对设备材质的要求不高，设备制造相对容易。
1.4原料易得：水煤浆是由煤、水和煤浆添加剂按一定配比磨制而成的混合物，原料易得，煤浆流动性和稳定性较高，易于储存。
1.5操作安全：水煤浆属于非易燃流体，相对于油、气、煤粉等易燃、易爆介质来说，其安全性很高。
1.6产品成本低：产品水煤气[粗合成气，以有效气（CO+H2）计]的生产成本较低。
1.7污水处理容易：水煤浆气化产生的外排灰水较容易处理。
2 晋华炉的发展历程和特点
2.1Ⅰ型晋华炉
Ⅰ型晋华炉属耐火砖气化炉，原称为“非熔渣-熔渣分级气化技术”，其主要特点是采用分级给氧与向下喷射的喷嘴。由于氧气采用分级水平供给，气化炉主喷嘴供氧量与反应需氧化学当量脱离约束，减轻了主喷嘴的氧气负荷，改善了主喷嘴的工作环境，延长了其运行周期。在此过程中，高温区自喷嘴端部下移，喷嘴处于相对低的温度区域，并提高了出渣口区域的温度，同时提高了气化室内平
均温度，使气化效率得到提高，还增加了氧煤的混合，延长了物料平均停留时间，提高了有效气成分，降低了渣中的含碳量。由于氧气分级供给，比不分级气化炉轴向温度更均衡，其高径比可加大，突破了国内外关于
德士古煤气化炉烧嘴烧坏事故分析及预防
科技视界Science&TechnologyVision
Science&TechnologyVision科技视界德士古气化工艺过程是高压水煤浆与纯氧在工艺烧嘴内混合,呈射流状态进入气化炉袁在高温尧高压下进行气化反应,生成以CO和H2为主要成分的粗合成气遥气化炉烧嘴作为气化炉的关键部件,长期工作在高温尧高压状态下袁烧嘴的稳定运行对气化炉的长周期稳定运行起至关重要的作用遥2011年我公司某化工单位发生一起德士古煤气化炉烧嘴冷却水盘管破裂引起的烧嘴烧坏事故袁本文通过对该事故发生原因的系统分析袁提出了具体的预防尧改进措施袁可以有效避免烧嘴类似事故的发生遥1事故经过我公司某化工单位气化装置设置德士古煤气化炉两台遥2011年8月29日20时08分29秒袁气化控制室操作人员发现其中一台气化炉运行压力突然出现下降袁同时向调度室汇报袁控制室操作人员立即通过摄像头监控气化框架画面袁发现有大量浓烟雾冒出袁初步判断为气化框架有气体泄漏袁20时08分46秒气化炉氧气流量由28817Nm3/h波动至32377Nm3/h遥由于无法判断具体泄漏位置袁为确保装置安全袁当班操作人员立即对气化系统进行紧急停车袁并同时向调度室汇报遥调度室指挥后系统切气停车袁并通知相关岗位做好工艺处理遥两台气化炉先后于20时08分47秒和20时08分50秒停车遥气化高压氧气管线紧急隔离袁切至空分界区内放空袁并对氧气管线进行氮气置换遥20时13分气化完成系统停车并进入降压尧充氮气置换程序遥本次事故造成烧嘴盘管尧外氧喷头烧坏袁直接损失虽然较小袁但气化炉烧嘴冷却水盘管出现破损后袁因温度较高烧嘴冷却水盘管被迅速烧坏袁大量高压尧高温气体通过被烧化的烧嘴冷却水盘管进出口部位进入气化框架袁可燃尧有毒气体和烟雾充斥气化框架袁直接导致了事故的进一步发展袁造成全厂停车袁若非操作人员操作及时袁险些酿成重大事故遥
图12事故原因2.1直接原因由于气化炉烧嘴冷却水盘管出现漏点袁炉内气体压力远大于盘管内冷却水的压力袁导致气化炉内高温尧高压混合气体沿漏点进入烧嘴冷却水盘管袁导致炉嘴冷却水盘管被烧坏破裂袁气体窜出袁夹杂炭灰形成大量烟雾遥圆援圆间接原因烧嘴冷却水流量低联锁动作延迟时间原设计为10s袁时间设置不合理袁造成联锁保护不能及时发挥作用袁未及时联锁停车袁造成事故的进一步发展遥猿事故原因分析1冤烧嘴的使用运行管理不到位袁没有摸索总结烧嘴常规运行周期袁没有建立完备的烧嘴运行记录遥该单位烧嘴运行最长周期为67天袁事故烧嘴为2011年6月28日投入使用袁8月4日连投一次袁8月22日连投一次袁至8月22日连投时该烧嘴已运行55天袁连投前没有对烧嘴进行全面检查和分析曰至8月29日发生事故时袁烧嘴已运行61天袁在已接近最长运行周期的情况下袁未及时对该烧嘴进行全面检查和分析遥2冤联锁保护原设计存在缺陷袁联锁动作延时过长袁未起到安全保护的作用遥若联锁能在气化炉烧嘴出现故障初期及时动作袁可以极大增加装置的安全性袁有效避免或减小事故损失遥从DCS上的信号延时趋势来看袁其烧嘴冷却水温度尧流量差等联锁延时时间均为10s袁延时时间太长袁不利于气化炉的安全运行袁本次气化炉烧嘴DCS记录从盘管泄漏到停车期间信号异常持续时间为8S,联锁跳车还没有动作袁就手动停车了遥3冤气化炉冷却水入口支管段上没有压力测量点袁只有进口流量尧进出口流量差尧回水温度信号袁这几种信号反应相对较慢袁而压力信号反应最快袁说明联锁动作条件不完善遥4预防尧改进措施1冤切实把安全生产摆到第一位的位置袁正确处理安全与生产的关系袁做到不安全不生产袁先安全后生产袁坚决杜绝设备超检修周期运行遥2冤科学制定烧嘴使用周期袁做到有计划地使用和更换袁特别是连投时袁要充分考虑到烧嘴的累计运行时间袁运行时间较长的必须进行全面检查后袁方可继续使用遥不能盲目地追求烧嘴长周期运行遥3冤对全厂控制系统联锁保护有效性排查袁确保联锁保护齐全有效遥重点对气化炉尧变换炉尧合成塔尧压缩机尧汽轮机等关键设备的联锁动作条件和延迟时间进行分析袁并与公司内部其他化工单位相同尧相似设备联锁进行对比袁对工艺相同但联锁设置差别较大的袁重点分析曰对不合理的时间延时要按审批程序进行更改遥4冤及时与设备联锁软件包提供商沟通袁了解联锁软件包更新情况袁并对联锁保护进行升级完善遥经了解袁GE公司的烧嘴冷却水联锁软件包已经有了升级版袁增加了联锁袁如冷却水压力的高高报尧低低报袁流量差的高高报尧低低报尧紧急停车联锁等袁其联锁延时时间为2S遥根据生产实际情况袁将气化炉烧嘴冷却水连锁延时时间设定为2.7S袁同时在气化炉烧嘴冷却水入口支管截止阀前增设压力测量点袁并参与报警联锁袁联锁值设为3.0Mpa渊正常运行值为1.5耀1.7MPa冤遥5结束语由于气化炉烧嘴的稳定运行直接决定着气化炉的长周期尧安全运行袁本文通过一起典型的德士古煤气化炉烧嘴烧坏事故袁及对事故发生原因的具体分析袁提出了有针对性的预防尧改进措施袁为气化炉的长周期尧安全稳定运行提供保障袁同时可以有效避免类似事故的发生遥揖参考文献铱咱员暂吕运江袁潘荣袁吕传磊.德士古煤气化工艺运行方式总结[J].化肥工业袁2008袁2援咱责任编辑院薛俊歌暂作者简介院刘波渊1981要冤袁男袁山东青州人袁2003年毕业于青岛科技大学袁兖矿集团有限公司机电环保部袁工程师袁从事机电技术尧管理工作遥德士古煤气化炉烧嘴烧坏事故分析及预防刘波渊兖矿集团有限公司袁山东邹城273500冤揖摘要铱本文通过一起典型的德士古煤气化炉烧嘴冷却水盘管破裂引起的烧嘴烧坏事故袁及对事故发生原因的系统分析袁提出了具体的预防尧改进措施袁可以有效避免烧嘴类似事故的发生袁并为气化炉的长周期稳定运行提供保障遥揖关键词铱气化炉曰烧嘴曰事故分析曰预防改进
煤气化烧嘴及其技术现状
煤气化烧嘴及其技术现状
王德海
【摘 要】概述了煤气化烧嘴的工作原理和分类,详细论述了目前工业应用中最典型的水煤浆气化烧嘴和粉煤气化烧嘴的结构.针对当前煤气化烧嘴在实际运行过程中存在使用寿命短的问题,从设计制造、材料和操作运行3个方面提出了建议.%The
operational principle and classification of the coal gasification burner are
summarized. The structure of the most typical coal water slurry gasification
burner and pulverized coal gasification burner in industrial application is
discussed in detail. In order to improve the service life of the burner in
operation process, some suggestions are put forward from design and
manufacture, material and operation.
【期刊名称】《化肥工业》
【年(卷),期】2017(044)006
【总页数】5页(P27-31)
【关键词】煤气化;烧嘴;技术现状
【作 者】王德海
【作者单位】中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100010
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ545
1 煤气化烧嘴的工作原理和分类
烧嘴是煤气化装置的核心设备之一，是一种将气化介质与气化剂混合雾化并燃烧的设备，其基本形状为一圆筒体，内部结构大都是多流道套管形式。现代煤气化烧嘴内部基本结构包含气化介质通道、气化剂通道和烧嘴冷却水通道。气化介质一般通过气化剂(一般为纯氧)射流气力雾化，气化介质在气化剂的气力剪切或旋流作用下进行雾化并混合燃烧。气力式雾化烧嘴按照雾化方式可分为内混、半内混和外混3种形式，其中：内混式烧嘴在烧嘴出口之前设有混合腔，气化剂与气化介质在此区域内进行雾化；外混式雾化烧嘴是气化剂与气化介质在离开烧嘴后相遇进行雾化；半内混式雾化烧嘴则是预混合雾化与外混合雾化相结合。单纯从雾化方式的设计理念分析，内混式烧嘴雾化效果最好；从对烧嘴的保护角度分析，气化介质对外混式烧嘴的磨损较小，而对内混式烧嘴的磨损较大[1- 2]。
德士古水煤浆气化工艺分析
德士古水煤浆气化工艺分析
摘要：近些年，水煤浆逐渐发展起来，已成为我国重点发展的环保类产品。德士古水煤浆气化技术作为一种环保型煤气化技术，已在我国应用较长时间。笔者就德士古水煤浆气化技术展开研究，从相关概述入手，随即对其工艺流程及工艺原理进行分析，最后提出这一工艺的优、缺点，以期丰富学术上该项技术的研究内容。
关键词：水煤浆；新型燃料；气化工艺
前 言
所谓的水煤浆技术，实际上是使固态煤燃料转化为液态煤基燃料的过程，一方面，该项技术会保留煤的燃烧特性，另一方面，又会使其拥有重油液态相类似的特点。液态煤基燃料作为新型清洁燃料，具有制备简单、安全可靠以及便于运输储存等特点，西方较为发达的国家已将其用到较多工程中，我国关于煤炭资源较多，相对石油资源较少，在工业化进程不断发展的时代背景下，大力发展该项技术对我国发展意义重大。
一、德士古水煤浆气化工艺概述
德士古水煤浆气化工艺作为从天然气及重油中生成合成气的工艺，由美国的德士古公司研发[1]，在1948年，美国研究出了首套15吨煤的测试设备，进行20种固体原料的测试，主要有：无烟煤、褐煤、石油焦、烟煤以及煤液化。又于1956年建立气化炉，运行压力为2.8MPa，每日的处理量达到了100吨。现今，在不断发展下日投煤量已达到1600吨，该技术已成为二代气化技术中发展最迅速、最成熟的技术，其喷嘴位于气化炉顶部，由于它实际喷射速度较高，会发生物料短路，还会出现碳转化率低等不良现象。该技术的关键在于气化炉，气化炉的关键在于喷嘴，因此，关于这一技术的实际发展方向，应重点对新型喷嘴进行研究，才是关键所在，我国在“九五”时期，对多喷嘴对置式水煤浆气化炉进行大力研究，已在国际上领先，更是在“十五”期间，使其进入商业示范推广发展环节。我国研究出的这一技术作为一种新型技术，是经四喷嘴对置产生撞击流，从而进一步强化混合效果，使热质传递效果更佳，最终提升气化反应效果，与传统的水煤浆气化技术相比，成本更低、效果更好。不过存在寿命短、运行稳定性不佳以及气化率不高等缺点，因此还应加大研究力度，将发展重点放在大型成套化发展上，以实现可持续发展清洁低碳的目的。
各类烧嘴简介
各类烧嘴简介
各类烧嘴简介
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
大型合成氨装置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15m/s，蒸汽速度大于60m/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75m/s，氧气在中心管内流速为132～137m/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置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℃，9.60MPa)和经过预热的渣油(315℃，10.0MPa)、蒸汽(320℃，10.0MPa)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1.47MPa，0.098MPa。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置多采用一次机械雾化、二次气流雾化的二通
水煤浆气化技术的特点及应用
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水煤浆气化技术的特点及应用
作者：林航
来源：《中国化工贸易·上旬刊》2019年第12期
摘 要：水煤浆气化技术是煤洁净技术的主要应用类型。利用水煤浆与氧气在气化炉中进行氧化反应，可以获得需要的粗合成气。这是煤洁净技术的重要组成部分，必须重视水煤浆气化技术的研究以及发展，才能够促进我国清洁能源行业的发展，从而提高我国煤炭资源的综合利用效率，降低煤炭资源在应用过程中对生态环境产生的破坏以及污染。这对推动我国经济社会的可持续发展有十分重要的现实意义。
关键词：水煤浆;气化技术;特点分析;应用
煤炭是当前世界上分布范围比较广，储量比较多的能源，是世界经济以及社会发展过程中的重要动力能源。随着石油资源的日益短缺，煤炭资源仍然是世界的主要能源之一，并且其在国民经济发展中越来越重要。在我国的经济发展过程中，煤炭起着至关重要的作用，但是我国在对煤炭进行利用的过程，利用方法比较单一，利用效率相对较低，并且会产生严重的污染问题，会在极大程度上影响经济社会的可持续发展以及环境保护工作的质量。因此，需要充分利用煤洁净技术，解决我国油气短缺的能源安全问题，在满足国民经济发展对能源需求的基础上，促进我国经济的可持续发展，保证生态环境与经济发展之间的和谐与协调。
1 水煤浆气化技术特点
水煤浆气化技术在应用过程中，其主要特点包括以下方面：第一，对原料煤种的适应性比较宽。在利用水煤浆气化技术时，理论上可以对各种煤种进行利用，并且可以有效利用碎煤以及煤粉，能够在极大程度上提高煤的综合利用效率。第二，生产的连续性比较强。水煤浆气化技术一般会采用连续进料、液态排渣的方式，在排渣过程中，并不会对气化炉的运行状况进行产生影响。因此，能够在极大程度上提高生产效率。第三，可以有效降低气体压缩的功耗。在气化炉运行过程中利用加压气化，煤浆的压力主要是由煤浆泵提供的，而氧气压力主要是由液氧泵进行提供，能够有效降低气体加压过程中所需要的功耗。第四，能够对热量进行回收。利用水煤浆在气化在高温、高压的环境中进行生产的，可以使用激冷流程或者辐射锅炉对热量进行回收。
精细煤粉提高化工用水煤浆质量浓度的研究
Ｉ●１用技术誓 气一固相反应的比表面积与颗粒尺寸密切相关：大 颗粒煤离开烧嘴后具有较大的动能和速率．在反应 区中停留时间比小颗粒短：比表面积与颗粒尺寸成 反比。这两种影响因素必然导致小颗粒的转化率比 大颗粒高，小颗粒（小于２００目）含量多对气化有 利，一般控制小颗粒煤的质量分数在６０％左右。棒 磨机的粒度分布不能达到此要求，不仅细粒含量偏 低，而且呈现单峰分布，稳定性差，因此气化效率 偏低【２Ｊ。 ３）粒度分布对水煤浆稳定性的影响。为了保 障煤浆输送和过滤系统的安全顺畅，制浆应有合理 的粒度级配，这种级配必须使煤粒均匀、稳定地分 散到水中。最佳煤的粒度及粒度分布为：煤的粒度 大小一般为８０％的颗粒通过２００目筛。无大于４目 的颗粒，小于４５ ｍ的为２８％以上，４～２８目的为 ２５％，其余在２８～３２５目，一般呈双峰分布或多峰 分布的煤浆稳定性好。浆液密度为１．１９ｘｌＯ。ｋｇ／ｍ ， 外观类似重油，粘度在１．１～１．４ ｍＰａ・Ｓ。 试验表明，提浓后的水煤浆的粒度各项指标更 加接近上述标准，因此提浓后的水煤浆具有更好的 稳定性。 ４）水煤浆粘度及流动性对气化装置的影响。 为了便于水煤浆的输送，水煤浆力求质量浓度高、 稳定性好，并且要易于泵送。以获得较高的气化效 率和碳转化率，实现较低的氧耗、煤耗『３１。 提浓后的水煤浆表观粘度高于原水煤浆，但当 温度升高时，水煤浆的粘度会大幅度降低，如提浓 后的水煤浆在３６ ｏＣ １００ Ｓ－ 时，粘度为６０４ ｍＰａ・Ｓ， 在５５ｏＣ １００ Ｓ 时，粘度为４５０ ｍＰａ・Ｓ。而且如果在 工业化提浓过程中，精细煤粉随原煤一起进入棒磨 机，提浓后的水煤浆出口温度约为５５℃。这样本 身水煤浆对管道及其他设备的影响将降到最低。 ３精细煤粉提高棒磨机水煤浆质量浓度的可行性 研究 １）通过试验可以将原水煤浆质量浓度提高至 ６３．２％，其间没有采用任何复杂的仪器，只是通过 机械搅拌就可以达到所需要求。因此，只需要将煤 粉按照比例与原煤混合直接加入棒磨机人口，一方 面原有精细煤粉可以提高水煤浆质量浓度．另一方 面精细煤粉进入磨机相当于二次研磨，更有利于得 到较好粒度分布的水煤浆。 ２）产能提升分析：如果将质量浓度为５８．２％ 的水煤浆提升到６３．２％用于制成甲醇．其产能可由 原来的２０万ｔ，ａ提升至２２万ｔ／ａ［４１。 ４结束语 通过张家峁煤粉提高神木化工水煤浆质量浓度 的试验，得出以下结论。 １）此次试验，水煤浆在提高质量浓度的基础 上。保证了水煤浆良好的流动性和雾化性。而且令 提浓后的水煤浆拥有了良好的粒度分布，提高了煤 的转化率、提升了气化效率。 ２）水煤浆质量浓度的提高和流变性的改善将 有效提高水煤浆的气化效率和煤气中有效气组分含 量并降低气化氧耗、电耗，降低整个水煤浆气化的 成本，因此，应用精细煤粉提高气化水煤浆质量浓 度将拥有广大的发展领域。 参考文献： 【１］ 吴国光．煤岩组成与水煤浆成浆性能的关系研究卟中国 矿业大学学报，２００９（３）：１—２． 【２］郝临山．水煤浆制备与应用技术【Ｍ】．北京：煤炭工业出版 社．２００３：４６－４８． 【３ｌ 肖宝清．煤中矿物对水煤浆流变性影响卟北京矿冶研究 总院学报，１９９３（１２）：２－３． 【４］ 王勋涛．新型水煤浆气化装置试车情况及问题讨论Ｕ】＿西 部煤化工，２００８（１）：１—２． （责任编辑高腾） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｍａｓｓ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｗａｔｅｒ Ｓｌｕｒｒｙ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｄｕｓｔ Ｗａｎｇ Ｙｕ－ｇａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｊｕｎ－ｚｈｅ （Ｃｏａｌ ＷａＷｒ Ｓｌｕｒｒｙ Ｐｌａｎｔ ｏｆ Ｓｈｅｎ Ｍｕ Ｚｈａｎｇ Ｊｉａ Ｍａｏ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ， Ｓｈａｎｘｉ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｙｕｌｉｎ ７１９３００ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｃｏａｌ Ｗａｔｅｒ Ｓｌｕｒｒｙ Ｐｌａｎｔ ｏｆ Ｓｈｅｎ Ｍｕ Ｚｈａｎｇ Ｊｉａ Ｍａｏ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｘｉ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ ｔｏ ｅａｃｈ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｗａｔｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｗａｓ ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｃｏｕｌｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｇａｓ ｏｆ Ｓｈｅｎ Ｍｕ ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｘａｃｏ ｇａｓｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｆｕｒｎａｃｅ，ｔｈｅｒｅｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ ｗａｔｅｒ ｓｌｕｒｒｙ；ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ ＣＯａｌ ｄｕｓｔ；ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉ
水煤浆气化工艺中的问题分析与改进
水煤浆气化工艺中的问题分析与改进
摘要：本文通过对气化系统、灰水处理系统、联锁系统，进行分析寻找对应的解决措施与改良方法，希望能够给有关人士提供一定的参考价值。
关键词：水煤；浆气化；工艺中；问题
1水煤浆气化装置的概况
1.1装置的简述
某公司在合成氨的年生产量可以达到30万吨，尿素则可以达到52万吨，在气化装置方面，完整的气化装置总共包含制浆、气化及后续对渣水进行处理的三套系统。
1.2装置运行情况的概述
需要注意的是，中国海油的首套煤气化装置便是该气化装置，但是系统也存在以下主要问题：第一，煤仓在运行中会经常出现煤被堵住的现象，料机皮带也会因为煤量的原因造成毁损，导致磨煤机的入料管线发生堵塞的现象，在共同作用下导致煤浆的最终输入量与标准要求相差甚远，而气化炉也经常需要被迫进行减负荷。第二，磨煤机筒体螺栓存在严重漏浆问题，环境受到污染，同时将煤浆流入磨煤机的小齿轮轴承中，难以把持其原有的使用期限。第三，当地煤成分掺杂较多杂质，由于烧嘴压差较低而使气化炉联锁停车高达十几次。第四，在采取比较长的激冷水系列管线的时候，极易造成停车备炉在清洗与检修的过程中无法对断口进行清理，同时热量运行不够充分，运行周期大大缩减。
2气化系统的改良
2.1工艺烧嘴的改良
1. 烧嘴压差波动时的现象。烧嘴压差波动，表明煤浆在烧嘴处雾化效果变差，部分煤浆未经充分反应就被高速的气流带出气化炉燃烧室，在煤浆流量几乎没有变化的情况下，气化效率下降、产气率降低而导致气化炉压力下降、高压煤浆泵出口压力持续下降，由于氧气与煤浆在烧嘴头部混合，煤浆压力降低造成氧气流量不断上涨，气化炉因处于过氧状态而温度上涨，工艺气组分发生明显变化——CH4、CO含量下降而CO2含量上升，有效气含量明显降低；与此同时，经过长期的操作观察，烧嘴压差波动具有偶然性，有时波动小，有时波动大，甚至会出现烧嘴压差降为负值的情况，经过一段时间后有时又会突然上涨恢复至正常值，如此反复。图1是A炉、B炉某同一时段(当时A炉烧嘴已运行30d、B炉烧嘴已运行10d)烧嘴压差的波动趋势。可以看出，烧嘴压差出现大范围波动时呈现一定的规律性，不同运行周期的A炉、B炉烧嘴压差波动趋势基本一致，因烧嘴压差初始值不同，波动最低点甚至降为负值。
水煤浆气化灰渣处理技术
水煤浆气化灰渣处理技术
冯志超
【摘 要】煤浆气化技术是当前煤化工产业净化煤技术的核心技术,是众多煤化工产业净化处理技术的重要基础和关键,同时对灰渣处理技术的应用也逐渐成为了煤化工气化的重要组成部分.而在具体的煤化工技术施工中,水煤浆气化灰渣处理技术也逐渐成为了当前煤化工技术施工中的关键处理技术,能够完成对于不同煤种和目标产品的净化处理,从而提升煤炭的综合利用效率,并降低相关的煤化工造成的污染.而随着我国煤炭需求的不断增加,当前水煤浆气化灰渣处理技术的重要性也越来越突出,相关的气化技术也需要能够针对不同的煤种特征,进行合理的选择和判断,从而提升相关的水煤浆气化灰渣处理质量.就水煤浆气化灰渣处理技术进行的深入探究,以期实现对于不同煤种的净化处理.%Coal slurry gasification technology is the
core technology of coal purification technology in coal chemical industry.
It is an important foundation and key to the purification technology of
many coal chemical industry.At the same time,the application of ash
treatment technology has gradually become the gasification of coal
chemical industry.important parts of.In the specific coal chemical
technology construction,the coal ash slurry gasification ash slag treatment
technology has gradually become the key treatment technology in the
工艺烧嘴
一、 概述
“我国石油和化学工业在快速发展的同时，正面临着资源、能源和环境等多重压力”。由于我国石油和天然气短缺，煤炭相对丰富的资源特征，加之国际油价的持续高位运行状态，煤炭在我国的能源和化工的未来发展中所处的地位会变得越来越重要。
目前，煤炭在我国的能源消费比重不断加大，用于发电和工业锅炉及窑炉的比例大约为70%左右，其余主要是作为化工原料及民用生活。随着煤化工技术的不断发展，煤炭作为化工原料的比重将会得到不断的提高。
传统的煤化工特点是高能耗、高排放、高污染、低效益，即通常所说的“三高一低”。随着科技的不断进步，新型的煤气化技术得到了快速的发展，煤炭作为化工原料的重要性得到了普遍的认可。煤化工目前采用的方法主要有三个途径：煤的焦化、煤的气化、煤的液化。由于最终产品的不同，三种途径均有存在的市场。煤焦化的直接产品主要有焦炭、煤焦油及焦炉气，煤气化的直接产品主要有合成气、一氧化碳和氢气，煤液化后可直接得到液体燃料。
煤焦化产业相对比较成熟，煤液化存在直接液化和间接液化两种方法，由于该技术的成熟程度和投资等原因，制约了其产业化和规模化的进一步发展。随着煤气化技术的不断成熟，特别是加压气化方法的逐步完善和下游产品的多样化，煤气化已成为我国目前煤化工的重中之重。
煤气化所产生的合成气，成为氮肥（主要是尿素）、甲醇、二甲醚、醋酸等过去主要依赖石油化工产品的主要原料，也成为国内目前煤化工所上的主要项目。煤气化除了投资比较小的常压固定床以外，粉煤加压气化（以壳牌和GSP为主要代表）、水煤浆加压气化（以德士古为主要代表）成为众多厂家引进国外节能环保的主要首选技术。
国内具有自主知识产权的煤气化技术还有：①粉煤加压气化：西安热工院的干煤粉加压气化技术、陕西联合能源的灰粘聚流化床粉煤气化技术、山西煤化所的灰熔聚流化床粉煤气化技术、北京航天万源的航天炉粉煤气化技术等。②水煤浆加压气化技术：华东理工大学的四对冲烧嘴技术、北京达立科的分级气化技术、西北化工研究院的多元料浆（主要成份是水煤浆）气化技术等。