水
煤浆气化工艺
烧嘴浅谈
前言：工艺烧嘴是水煤浆气化技术的核心设备，烧嘴性能的好坏、寿命的长短直接影响到整个装置的运行质量，气化装置的大部分技术经济指标都与工艺烧嘴有关。烧嘴使用寿命是决定是决定水煤浆气化炉生产长周期长短的关键因素，60%的煤气化安全事故都与烧嘴有关，或由烧嘴引起，或首先造成烧嘴损坏。烧嘴损坏时，可能直接造成气化反应氧碳比失调，使气化炉进料系统物料絮乱，引发气化炉超温、过氧爆炸等严重事故。因此，运行过程中要特别关注烧嘴。
关键词：烧嘴、雾化、寿命、检测、保护
1、工艺条件
新能凤凰(滕州)能源有限公司采用国内具有自主知识产权的华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、天辰设计院共同研发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺，气化装置设置3台气化炉，单炉气化规模1500t煤/天，气化炉设计运行压力6.5MPa，采用两开一备的运行方式，可提供年产甲醇72万t/年的合成气。
目前，国内运行的水煤浆气化技术主要有GE水煤浆气化技术（德士古）和华理四喷嘴水煤浆气化技术。两种水煤浆气化技术均为三通道烧嘴，工艺物流为氧流股、煤浆流股和烧嘴冷却水。以新能凤凰公司气化装置为例，工艺烧嘴的工艺条件如下（设计值）：
氧流股：9565x4=38260Nm3/h，8.11MPa(G)，25℃；
煤浆流股：20.5x4=82.0m3/h，浓度（含固量）=~60%，50℃，7.88MPa（G）；
烧嘴冷却水：12x4=48m3/h，进口压力为2.84MPa（G），出口压力为0MPa（G），进口温度为43℃，出口温度为49℃；
2、工艺目标及过程描述
烧嘴的工艺目标是通过氧流股与煤浆流股的动量交换，达到雾化煤浆的目标，为炉内的气化与燃烧过程创造条件。
本公司水煤浆气化技术（华理四喷嘴水煤浆气化）采用预膜式烧嘴，外混式。进烧嘴的氧流股分成两个流道，中心通道称为一通道，外侧通道称为三通道，一与三通道之间为而通道，即煤浆通道。三股物流射出烧嘴，煤浆的外侧为高速流动的氧流股，且与煤浆呈一定交汇角；氧流股通过撞击、振动等方式使煤浆雾化，可以达到100um尺度。
引进水煤浆气化技术（德士古，现为GE水煤浆气化）采用内混式雾化，亦为三通道，一通道的氧与二通道的煤浆在烧嘴内腔进行一次雾化，一与二通道汇合后再与三通道的氧进行二次雾化。
工业实践表明，预膜式烧嘴的雾化效果优于内混式烧嘴。
3、工艺烧嘴的结构及工作原理
水煤浆气化技术的工艺烧嘴为三流式套管结构，喷头处设有冷却水管，中心通道为氧气(正常时流量为氧气总流量的15%~20%)，中间通道为水煤浆，外层通道为氧气。其工作原理是：中心通道和外环通道的高流速氧气与中间通道的水煤浆在喷头处混合，在氧气的冲击下，煤浆以调整雾状形式喷入气化炉，达到雾化煤浆的效果。
评价工艺烧嘴的标准主要是特定工艺条件下烧嘴的雾化效果，烧嘴的雾化效果与烧嘴的装备尺寸、煤浆粒度及粘度、中心氧占入炉总氧比例、氧气流速（氧气流量、氧压大小、氧气温度）有关。
3.1装备尺寸
烧嘴的雾化效果主要取决于烧嘴的装备尺寸，其中，烧嘴头部尺寸为主要尺寸：孔道直径、孔道间隙、雾化角度等，其他的为次要尺寸：烧嘴长度、公称直径、法兰尺寸等。烧嘴三层装置必须严格对中心，保持同轴线，精度为0.02mm。
3.2煤浆粒度及粘度
水煤浆气化要求煤浆粒度要求<8目，粒度分布合理，粘度一般控制在900-1200cp。对于四喷嘴，由于每个烧嘴的孔道尺寸相当于德士古更小，因此对煤浆粒度要求更高，除磨机出料处设置滚筒筛外，另外还配置有二级滚筒筛，严禁不合格大颗粒进入烧嘴，造成孔道磨蚀甚至堵塞。
3.3氧气流速
氧气流量是由流量计FI1202/03/04及FI1205测量的。为了保证氧煤比的准确性，三个流量传感器提高三选二逻辑信号至安全逻辑系统，且氧气流量控制阀FV1203，PT1203，TE1201相互补偿，以保证氧煤比的精确性。
由于气体体积是随压力和温度的变化而变化的，为了使气化炉操作稳定，要求一个恒定的氧气流量入炉，因此在氧气流量控制系统中，同时输入压力、温度信号进行补偿校正，算出标准状态下的流量，并将调节信号送至调节阀。调节氧气流量，从而有效地避免了氧气流量因压力、温度出现波动时发生流量信号失真现象。
3.4中心枪占入炉总氧比例
工艺烧嘴为三通道烧嘴，即中心枪和外环隙为氧气，中间通道为水煤浆，水煤浆在氧气的冲击下雾化后进入气化炉。由于外环隙和中心枪的氧气比值大小决定着水煤浆的雾化效果，因此在气化炉开车或正常操作过程中需要根据工况要求来调节内外两通道的氧气比值。在入工艺烧嘴中心氧气管道上设置调节阀的目的就是用来调节内外通道的氧气流量比值，以调节烧嘴的雾化效果。
目前，国内运行的水煤浆气化炉，中心枪占入炉总氧比例一般在15%~20%，由于气化炉炉内流场的不同，四喷嘴（撞击流股）在15%~20%范围调整中心氧，对炉内流场影响较小，工艺参数的变化不明显；德士古（喷射流股）调整中心氧，气化炉内流场变化大，煤浆雾化、颗粒运动、物料停留时间、炉内温度分布等改变明显，工艺参数变化较大。
气化装置在运行时，烧嘴的雾化状态的判断依据：（1）雾化状态好时，渣样正常、均匀的细粒，渣中可燃物含量低；（2）发气量大，有效气体成分高，CO正常，甲醇产量高，说明雾化效果好。 。
4、烧嘴的保护和检测
4.1烧嘴的保护
工艺烧嘴要有冷却水盘管，烧嘴是伸在炉内工作的，工作环境温度在1350℃左右，若无冷却装置，就会被烧坏，所以在烧嘴头部配有冷却水盘管。用软水作为冷却水进行强制性冷却，以防高温热辐射对烧嘴的破坏。为了防止烧嘴断水，烧嘴冷却水一般设置有运行泵、备泵、事故烧嘴冷却水泵、事故烧嘴冷却水槽，另外，有条件的公司还设置事故电源，保证烧嘴冷却水的供应。
每个烧嘴建立相应的使用台帐，内容包含使用时间、次数、损坏、检修等，便于烧嘴安全管理。烧嘴头部加耐火材料，另外搬运、安装、拔出要特别注意。
4.2烧嘴的检测
烧嘴冷却水的检测：进口流量低、进口压力高、出口温度高3选2，出口流量高高一选一，都进入气化炉安全系统，也有公司设置为四选二。
CO的检测：烧嘴冷却水回水分离罐顶部安装CO报警仪，由于气化炉的操作压力高于烧嘴冷却水系统的压力，当烧嘴喷头处的冷却盘管出现轻微破损时，气化炉中的合成气便会通过破损处进入冷却水中，造成冷却水中CO含量升高报警，据此可以及时发现工艺烧嘴出现的故障，以便采取相应措施。检测CO的目的是检查烧嘴是否被烧穿，如果烧嘴一旦损坏被烧穿，工艺气就会从烧嘴管线泄漏，CO正常值为0，大于10ppm时就会报警。
烧嘴到使用后期会出现煤浆喷头磨损大，雾化效果差，从而导致气化反应工况变差、碳转化率降低，渣中含碳量升高；烧嘴磨损后还会引起煤浆偏流，气化炉耐火砖冲刷磨蚀加剧而且不均匀，使得耐火砖寿命降低，直接导致经济效益的降低。
5.、提高烧嘴寿命的途径
要想提高烧嘴寿命，主要从以下方面考虑：装备尺寸、材质、煤浆质量（浓度稳定、粒度分布）、操作温度、压力控制、稳定工况、开停车操作、冷却水换热效果、特殊保护等。
烧嘴是将煤浆和氧气混合的设备，在烧嘴的端部煤浆和氧气的混合物以较高的速度离开烧嘴头部，同时会对烧嘴头部产生磨损，磨损程度决定了烧嘴的使用寿命，要想延长其使用寿命，必须从减轻煤浆对喷头的磨损或者在煤浆喷头处使用耐磨材料着手解决。为了最大限度减轻气化过程中对烧嘴喷头的磨损，一般烧嘴头部均选用高强度耐磨材料制作，也有将烧嘴中煤浆和氧气混合形式由预混改为预膜。当烧嘴结构形式定型后, 选用碳化钨、硬质合金, 如UMCo50 和Hayness188等高强度耐磨材料，可以延长烧嘴使用寿命。在烧嘴喷头处，改变氧气管喷头和煤浆管喷头配合间隙，使煤浆与氧气混合形式由预混改变为预膜，从而减少煤浆对烧嘴的直接磨损，同时可提高产量。
6、烧嘴维护和改进的几点设想
（1）烧嘴使用企业要进行广泛的交流来探讨烧嘴寿命短的原因。
（2）现用烧嘴材料需要被保护，避免硫化作用和高温下的腐蚀作用；采用整体材料制作喷头以避免烧嘴盘管、烧嘴头焊缝的裂变。
（3）发展新的烧嘴材料，降低制造费用。在现有的技术条件下，仅靠耐磨材料来解决烧嘴的磨损问题，不是提高烧嘴寿命的最佳途径，在提高耐磨材料质量的同时，还应改善烧嘴结构减轻烧嘴喷头的磨损。
（4）发展各种孔口形状的烧嘴和能调节负荷、能适应多种原料的烧嘴，寻求建立烧嘴测试装置的可能性。
（5）避免频繁的开停车，最大限度减少烧嘴在高温的炉膛内受热辐射的时间。
（6）烧嘴的寿命也与干法进料和湿法进料有关，有待于进一步探讨。
7、结论
烧嘴属于周期性易损件，到了使用周期后需要停车更换，每次更换烧嘴停开车过程中会造成一定量煤浆及其他原材物料的损失，因此延长烧嘴使用寿命是提高气化炉运行周期、增加效益的有效途径之一，对于企业而言显得尤为重要。
