第37卷第6期化工設(shè)計通訊2011 F12 A Chemical Engineering Design Communications15·會成氨生產(chǎn)抆術(shù)帶點火功能的水煤漿燒嘴及應用孝鼻1,2,碧勇3,王岳2,順學顴2(1.清華大學,北京100084;2.北京航天動力研究所,北京1000763.山西豐喜集團臨猗分公司,山西臨猗044100)摘要:簡要介紹開發(fā)研制的帶點火功能的水煤漿燒嘴,由此使水煤漿氣化采用水冷壁氣化爐成為可能?？梢赃M一步提高水煤漿氣化爐的溫度,以適應于高灰熔點的煤種。該燒嘴已成功應用于山西豐喜肥業(yè)集團關(guān)鍵詞:燒嘴;水煤漿氣化;水冷壁爐中圖分類號:TQ546文獻標志碼:A文章編號:1003-6490(2011)06-0015-04Coal-Water Slurry Combustion Nozzle with Igniter and ApplicationLIU Xiao-di,, ZHANG Yong, WANG Yue, GU Xue-ying(1. Qinghua University, Beijing 100084, China2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China3. Linyi Branch of Shanxi Fengxi Fertilizer Group Co. Ltd, Linyi Shanxi 044100, China)Abstract: Introduce coal-water slurry combustion nozzle with igniter, and the pressurized coal-water slurry gasifier with water cooled inner wall can be designed because of successful developmentand application of the nozzle Temperature in the coal-water slurry gasifier can be increased a lot, so itcan be used for coal with high ash fusion temperature. The combustion nozzle has been appliedsuccessfully in Shanxi Fengxi Fertilizer GroupKey words: nozzle; coal-water slurry gasification; water cooled inner wall由于我國缺油、少氣、煤炭資源相對而言比眾所周知的煤化工產(chǎn)業(yè),即煤炭的焦化、氣化和較豐富,無論作為能源還是化工原料,煤炭在今液化。煤炭的焦化除了可以得到焦爐氣(氣態(tài))和后較長一段時間里仍將占主導地位。煤焦油(液態(tài))外,其主要產(chǎn)品為焦炭(固態(tài))。而單純作為能源(火力發(fā)電和各種加熱裝置),氣化和液化的過程第一步均需要將煤炭進行氣煤炭的消耗量幾乎占到了70%,在如何提高煤化,即將煤炭中的有效成分全部轉(zhuǎn)變成氣體。通炭作為能源的利用效率方面,超臨界、超超臨界常情況下,氣體中有效成分主要為CO+H2,然的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)(鍋爐及汽輪機)已取得了長足的后根據(jù)最終產(chǎn)品要求,通過不同的工藝流程和操進步,IGCC系統(tǒng)(燃氣輪機和蒸汽輪機結(jié)合)的作條件及其他原料,將CO+H2轉(zhuǎn)變成需要的研究和完善也在積極推進之中?；ぎa(chǎn)品:合成氨及下游產(chǎn)品,甲醇及下游產(chǎn)由于煤炭中的有效成分主要是以固體的形式品,加氫成液體燃料等存在,而且煤炭中存在一定比例的灰分和雜質(zhì),由此可知,煤的氣化在煤深加工和煤化工中直接作為化工原料幾乎是不可能的,因此在利用起著舉足輕重的作用,近年來在國內(nèi)幾乎呈燎原的前端,必須對煤炭進行有效的預處理,形成了之勢。由于加壓氣化在能源利用效率、環(huán)境保凵中國煤化工收稿日期:2011-10-17CNMHG作者簡介:劉孝弟(1958-),男,陜西富平人,清華大學在讀博士,北京大動刀魷咒所魷咒貝。中國石油和化學工業(yè)協(xié)會煤氣化專家顧問,中國氮肥工業(yè)協(xié)會技術(shù)委員會委員,中國石油勘查協(xié)會設(shè)計委員會委員?；ぴO(shè)計通訊第37卷護、操作自動化、節(jié)省占地面積、大型化等方面相同,特別是煤中的揮發(fā)分比例和成分千差萬有絕對優(yōu)勢,因此建設(shè)和運行比重不斷加大別,因此煤的著火溫度一般只是一個定性的指煤的加壓氣化方法從操作壓力等級來區(qū)分,標,常見煤種的著火溫度如表1所示。可分為低壓等級和高壓等級兩種。低壓等級的氣表1煤的著火溫度化壓力一般不超過3MPa,例如,HTW爐,煤種著火溫度/℃Cgas爐,灰熔聚爐等。而高壓等級的氣化壓力一泥炭225~280般在4MPa以上,例如,GE爐, SHELL爐,褐煤200~350高揮發(fā)分煙煤HT-L爐,GSP爐等。煤的加壓氣化方法從使用低揮發(fā)分煙煤300~500原料的種類來區(qū)分,可分為干煤粉和水煤漿兩無煙煤600~700種,除了GE爐利用水煤漿作為原料外,其他的在設(shè)計氣化爐的點火方式和爐膛的結(jié)構(gòu)時,各爐型基本使用干煤粉作為原料。各種氣化爐有所不同。 SHELL爐使用的原料為GE爐利用水煤漿作為原料,在煤氣化過程干煤粉,其氣化爐上共有3種燒嘴:電點火燒嘴、中,必須帶進一部分水,影響了氣化效率,對于引燃燒嘴、工藝燒嘴。使用的點火方式是,由電點有效氣體成分也有一定的負面影響,但是由于水火燒嘴提供點火能量,使引燃燒嘴(使用液化氣、媒漿的供應和流量控制等方面存在一定的優(yōu)越天然氣或工藝弛放氣等燃料)形成穩(wěn)定的火焰,并性,其氣化爐操作壓力可以更高,最高運行壓力使爐膛溫度逐步升高、壓力升高,達到設(shè)計值時,已達到8.5MPa2,仍然具有一定的生命力由工藝燒嘴供應煤粉和純氧,待形成穩(wěn)定的火焰GE爐的最大缺點是,水煤漿燒嘴的使用壽后,關(guān)閉引燃燒嘴,并從原路縮回安全區(qū)域。命短和爐內(nèi)耐火磚的維護費用高,另外,由于耐HT-L爐、GSP爐使用的原料也為干煤粉,采火磚的性能,限制了爐內(nèi)的操作溫度,這給水煤用的燒嘴結(jié)構(gòu)基本相同,見圖1。點火方式是,由漿氣化的煤種適應性帶來了不利影響。高壓電點火棒提供點火能量,點燃處于燒嘴中心1關(guān)于水煤漿氣化技術(shù)的有關(guān)改進的點火用燃氣及部分純氧,工作大約1h左右,爐膛溫度及壓力升高到一定指標,投煤粉和相應的由于處理原料的特性、燒嘴的基本結(jié)構(gòu)要氧氣,使其形成穩(wěn)定的火焰最后關(guān)閉點火燃氣求、燒嘴材料等原因,水煤漿氣化工藝燒嘴般情況下使用2個月左右就需要進行維修,這在田高壓電點火火焰探測器很大程度上影響了工藝系統(tǒng)的長周期連續(xù)運行,點火用燃料同時增加了原料消耗和維護使用成本3,在某種冷卻水意義上成為該技術(shù)推廣使用的不利因素。在GE一冷卻水氧氣/蒸汽→爐的基礎(chǔ)上,國內(nèi)開發(fā)的熔渣非熔渣爐(由清華冷卻水大學、北京達力科、山西豐喜共同開發(fā),北京航冷卻水天動力研究所提供水煤漿工藝燒嘴和二次補氧燒冷卻水嘴),采取了水煤漿分級氣化的方式,利用二次冷卻水→補氧的核心技術(shù),降低了水煤漿供應主燒嘴的霧化要求,同時降低了主燒嘴端面區(qū)域的燃燒溫度,使主燒嘴的使用壽命延長到了100d左右3。另外,我們對燒嘴頭部使用特殊材料并進行表面處理,設(shè)計了“長壽命水煤漿燒嘴”,通過有關(guān)技術(shù)人員的辛勤努力和現(xiàn)場操作人員的大力配合,目前水煤漿燒嘴的使用壽命在120d以GSP爐煤粉工藝燒嘴結(jié)構(gòu)中國煤化工上,最高可達150d左右,這對于增強水煤漿加SHEI壓氣化技術(shù)的競爭性無疑是有力的技術(shù)支撐。料的氣化CNMHG以干煤粉為原與消目小冷壁結(jié)構(gòu)(冷由于煤的種類很多,每一種煤的組分也不盡壁),在穩(wěn)定工作時,水冷壁的外表面會形成穩(wěn)定的第6期劉孝弟等:帶點火功能的水煤漿燒嘴及應用17渣膜,對水冷壁進行熱保護,因此爐膛可以工作到團提議設(shè)計水冷壁的水煤漿氣化爐,以提高氣化1600~1950℃,這樣,高灰熔點的煤種可以適用。溫度來滿足氣化本地煤的要求,并節(jié)省每年更換由于流動性要求,水煤漿在制作過程中,根耐火磚的費用。經(jīng)清華大學和北京航天動力研究據(jù)煤種的成漿性能不同,需要加入35%~40%所反復討論研究,認為這種可能性是存在的。最的水及少量的穩(wěn)定劑,這就使水煤漿著火比起干后確定由清華大學進行水冷壁爐及配套工藝的設(shè)煤粉來說需要的能量要高出不少。GE(原為計,北京航天動力所實施帶水冷壁水煤漿氣化爐Texaco)公司在開發(fā)和推廣水煤漿加壓氣化技術(shù)的點火,這是帶有巨大風險的課題,也是水冷壁的工藝流程時,氣化爐一直采用耐火磚內(nèi)壁(即水煤漿氣化爐能否可行的關(guān)鍵所在。熱壁),其目的就是為了實現(xiàn)水煤漿的點火。水憑借我們多年在水煤漿氣化爐燒嘴方面豐富煤漿氣化爐的點火方式是,首先在氣化爐上安裝的研制經(jīng)驗和強大的科研生產(chǎn)能力,以及熔渣預熱燒嘴,利用燃氣和空氣燃燒對爐膛加熱,并非熔渣水煤漿氣化爐開發(fā)過程中的成功合作,無利用耐火磚蓄熱,同時需要在爐膛出口加設(shè)抽引論是清華大學,還是豐喜集團公司,均寄予厚器,以使爐膛保證微負壓狀態(tài)。當爐膛溫度接近望。在燒嘴及點火方案研制開發(fā)的同時,水冷壁l000℃時,及時拆下預熱燒嘴,并將水煤漿工水煤漿氣化爐的工程設(shè)計和建設(shè)就在同步進行,藝燒嘴安裝到位。由于耐火磚的蓄熱功能,燒嘴這充分說明了對我們的高度信任。在接到該研制切換完成后,爐膛內(nèi)仍然維持有800℃以上的溫任務之后,我們清醒地認識到,如果該燒嘴及點度,在此溫度下,能保證水煤漿和氧氣的安全著火方案研制不成功,后果將會不堪設(shè)想。火。為了使耐火磚能達到最佳使用性能,耐火磚從2009年年中開始,我們進行了大量的分在第一次使用時要用預熱燒嘴加熱娂爐,烘爐過析研究工作,最終確定了燒嘴的結(jié)構(gòu)及點火方程要嚴格按照升溫曲線進行,這一過程一般長達案,提出了“自帶點火裝置的水煤漿加壓氣化工十幾天,需要消耗大量的能源。大部分情況下,藝燒嘴裝置”,確定了點火方案和具體點火流程,水煤漿氣化爐在備用時,需要保持一定的溫度,并同時申報了國家專利。在此基礎(chǔ)上,我們?yōu)檫@也會造成一定的能源浪費。而在氣化爐重新投豐喜集團提供了產(chǎn)品,燒嘴的基本結(jié)構(gòu)見圖用時,由于耐火磚的特性,預熱燒嘴對爐膛的加2011年8月22日,由我們提供的工藝燒嘴熱過程需要嚴格按照升溫程序執(zhí)行,不然就會造投用,使世界上首套水冷壁水煤漿氣化爐在豐喜成耐火磚的破裂及熱膨脹過快而對爐壁造成損集團一次開車成功(圖3),在行業(yè)內(nèi)影響不小,害。一般在冷爐情況下,這一升溫過程需要數(shù)取得了業(yè)內(nèi)專家的高度認可。在祝賀豐喜集團的天,也會造成大量的能源浪費。另外,由于耐火同時,我們也為自己的工作所取得的成績感到自磚的性能限制,水煤漿加壓氣化爐的操作溫度一豪,同時也感謝豐喜集團對我們的信任。般不允許超過1350℃,這是造成水煤漿氣化煤水冷壁水煤漿氣化爐的運行成功,可以將水種灰熔點不能太高的重要原因之一。同時,耐火煤漿氣化工藝帶入一個新的發(fā)展階段。主要表現(xiàn)磚的使用壽命一般為1a左右,一爐磚的費用在在以下幾個方面。數(shù)百萬元至一千萬元,這是生產(chǎn)成本高的重要原(1)氣化爐不再為耐火磚的更換不斷的投入。因之一。目前,國內(nèi)開發(fā)的多元料漿氣化爐、四(2)可以提高氣化爐的運行溫度,使煤種的對沖水煤漿氣化爐、熔渣一非熔渣水煤漿氣化適應性得到進一步的放寬。爐,無一例外采用了這一原始方式。國內(nèi)外凡使(3)氣化爐不再需要預熱過程,直接可以升用水煤漿的氣化爐,沒有一個更換這一模式溫升壓,節(jié)省費用。豐喜集團(已并入山西陽煤集團)由于陽煤集團所產(chǎn)煤種灰熔點較高,無法適應水煤漿氣化要2自帶點火裝置的水煤漿加壓氣化工藝求,所用煤不得不從陜西神木購入,造成生產(chǎn)成燒嘴結(jié)構(gòu)及運行簡介中國煤化工本居高不下。該公司進行了部分摻燒本地煤的實圖2米CNMHG的工藝燒嘴驗,結(jié)果并不理想,能否利用本地產(chǎn)的陽泉煤進結(jié)構(gòu)簡圖,}通小水化x⊥藝燒嘴的結(jié)構(gòu)行水煤漿氣化,成了該公司的迫切愿望。豐喜集基本一致,目的是為了在正常工作狀態(tài)下滿足水化工設(shè)計通訊第37卷煤漿霧化及穩(wěn)定燃燒的需要。其特征是在中心氧(氣動執(zhí)行機構(gòu))以及高壓動密封機構(gòu),以保證電管道的內(nèi)部安裝了電點火棒和導向機構(gòu),而在另點火棒的就位和復位,從而不至影響工藝燒嘴在端燒嘴的出口加裝了一套電點火棒的伸縮機構(gòu)正常工作狀態(tài)下的運行執(zhí)行機構(gòu)動封機構(gòu)中心氧(燃氣)進口煤漿進口外氧進口點火導向機構(gòu)電點火棒■圖2工藝燒嘴結(jié)構(gòu)簡圖干凈后重新點火。若煤漿投人后未被點燃,也需要重新啟動點火程序。因此,在制定操作規(guī)程和確定工藝參數(shù)時,燃氣流量、外主氧流量、水煤漿流量、中心氧流量、置換和吹除氮氣流量等均需要嚴格控制,以保證點火環(huán)境和著火條件。點火燃氣中心氧閥燃氣閥氧氣管網(wǎng)—改藝燒嘴中心氧通道2氮氣閥除氮氣煤漿閥圖3豐喜集團采用自帶點火的水煤漿燒嘴裝置示意煤漿泵工藝燒嘴水煤漿通道外主氧閥該燒嘴設(shè)計的基本出發(fā)點是,首先利用中心氧氣管網(wǎng)工藝燒嘴外主氧通道氧氣管路輸送一定量的燃氣(液化氣、天然氣或其他可燃氣體,比如合成氨系統(tǒng)的弛放氣等),圖4工作原理圖和外主氧管路輸送的純氧形成可燃環(huán)境,將電點該工藝燒嘴的點火過程設(shè)計要求如下。火棒伸出到一定位置后通電,利用電火花的能量點火程序啟動之前,所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。將燃氣與純氧的混合物點燃,形成高溫的火焰區(qū)電點火棒就位一→→啟動電點火→→同時打開域,再將水煤漿送入該高溫的火焰區(qū)域,使其燃燃氣閥十外主氧閥→→火焰檢測器工作檢測點火燒(同時增加外主氧的流量,以滿足燃氣和水煤狀態(tài)一電點火棒復位一→打開水煤漿閥投水煤漿的共同需要),在水煤漿被點燃之后,逐漸減漿—→關(guān)閉燃氣閥—→氮氣吹除中心氧管路一→小燃氣流量(同時逐漸加大水煤漿流量),最終在打開中心氧閥門投中心氧氣一→調(diào)整中心氧閥+水煤漿與外主氧達到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后,對中心氧水煤漿閥+外主氧閥開度,達到正常工作狀態(tài)通道利用氮氣(或二氧化碳氣體)進行必要吹除及在氣化爐的啟動過程中,燒嘴的點火程序遠置換,逐漸供應中心氧氣。最后,調(diào)整中心氧、比上述程序復雜得多,所有閥門的開度,各種物外主氧、水煤漿流量,達到穩(wěn)定的氣化要求料的流量、壓力及燃氣的火焰溫度等參數(shù)均需要圖4為燒嘴的工作流程簡圖。氮氣的吹除接嚴格控制和聯(lián)鎖。據(jù)豐喜操作現(xiàn)場的調(diào)整結(jié)果口要盡量靠近中心氧閥門的出口,以便燃氣閥門從點火過程開始至達到正常工作狀態(tài)大約需要關(guān)閉后將管路中的殘余燃氣置換和吹除干凈,避3h,而大免管路中殘余燃氣與氧混合,造成安全隱患。中國煤化工°氣化爐系統(tǒng)從點火開CNMHG,不需要抽圖5為工藝燒嘴工作邏輯要求。當燃氣與外引器使爐膛王頭,不而女買嬈嘴,極大地主氧混合物的點火出現(xiàn)失敗時,需要將系統(tǒng)吹除(下轉(zhuǎn)第22頁)22化工設(shè)計通訊第37卷死角內(nèi),即使做上吹吹凈,仍有一部分吹不徹氣爐最近處,減少下吹蒸汽在上行管道和旋風除底,轉(zhuǎn)下吹時將死角空氣帶至氣柜。造成雖然閥塵器內(nèi)存在的龐大死角空間容積。避免變上吹時門等無泄漏,半水煤氣中氧含量仍有0.5%左右。將這部分蒸汽吹到洗氣塔,造成蒸汽損失,蒸汽為消除以上弊端,宜采取以下措施。冷凝還要浪費大量的冷卻水。僅此一項就多浪費(1)將吹風閥、上吹蒸汽閥、下行煤氣閥改20%以上的蒸汽,炎熱夏天,煤氣溫度居高不移到爐底最近處。將爐底三通管改造為單管,即下,也與此有關(guān)將下行煤氣管當成主管道,吹風閥接管蹲在下行以上兩項死角空間(容積)在介質(zhì)切換過程中煤氣管上部,緊靠下行閥;上吹蒸汽管道插口改也耽誤了有效制氣時間,每個循環(huán)填充爐上、爐移在下行煤氣閥板上。上吹蒸汽時徹底將空氣吹下大量死角(容積)空間,浪費達10%以上的有入爐內(nèi)燃燒掉。效制氣時間因吹風閥蹲在下行煤氣管上,O2系大分子,通過對造氣爐的改造,使操作更加方便;提極易下落到主管線內(nèi)。變上吹時極易被蒸汽吹入高了原料的利用率;節(jié)能降耗;減少排放,保護造氣爐內(nèi)燃燒,可使氧含量降低0.2%~0.3%,環(huán)境;提高了煤氣中有效氣體成分,降低煤氣中同樣也減少了蒸汽死角,節(jié)約蒸汽。氧含量的降的氧含量、氮含量(降氧的同時也降低了氮的含低,也減少了變換的蒸汽消耗,同時也避免了因量);保證安全生產(chǎn)。特別適合甲醇生產(chǎn)使用。過剩蒸汽冷凝水外排給環(huán)保帶來的負擔。以上改造,已在實驗廠和全國幾十家企業(yè)推廣應(2)同理,下吹蒸汽閥、上行煤氣閥、煙囪用,均收到顯著的效果,現(xiàn)簡要作一總結(jié),供同閥、回收閥等由旋風除塵器出口改移到入口離造行參考,不當之處,懇請?zhí)釋氋F意見。(上接第18頁)備“自帶點火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴裝點火棒就位置”起到了極為關(guān)鍵的作用,為這一工藝技術(shù)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐,有條件的話可以進一步提高水煤漿氣化爐的操作溫度,為適應更多的煤種(特別是高灰熔點煤)提供了可能。外主氧氣<重新點火該工藝燒嘴本體如果也采用與我們研制的火塔檢測器監(jiān)測“長壽命水煤漿燒嘴”相結(jié)合的方式來設(shè)計及制點火棒復位點火狀態(tài)未著火造,無疑會為水煤漿氣化工藝提供更有競爭力的著火」技術(shù)支撐?；鹧娣€(wěn)定據(jù)了解,清華大學目前正著手對已有耐火磚主氧氣煤漿閥的水煤漿氣化爐改為水冷壁結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,如果開度加打開火焰檢測器監(jiān)測能夠順利實施改造,可以預見,一定會為采用水著火狀態(tài)未著火煤漿氣化的用戶提供更可靠、更經(jīng)濟的運行裝置著火汽閥逐漸關(guān)閉參考文獻:中心氧管路氮氣緩慢吹除[1]賀永德主編.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊[M].北京:化學工業(yè)「中心氯蓬漸供應出版社,2004.[2]章榮林,怎樣選擇煤氣化技術(shù)[].氮肥與甲醇,2007,2正常工作狀態(tài)圖5工藝燒嘴工作邏輯圖[3]劉孝弟,尹澗生,改進水煤漿氣化工藝的一些思考[冂]大氮肥,2009,32(4):222~227方便了操作并減少了大量的能源浪費[4]劉孝弟中國煤化工藝燒嘴有關(guān)問題3結(jié)論dYHCNMH的水煤漿加壓氣水冷壁水煤漿氣化爐的運行成功,其核心設(shè)化工藝燒嘴裝置:中國,ZL200920219759.3[P