德士古煤气化工艺烧嘴的浅议王润斌高级技工助理工程师（鄂尔多斯金诚泰煤化工气化车间2011-9-5）（关键词：煤气化工艺烧嘴）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。
本作者近年来一直从事于水煤浆气化的工艺及设备作，水煤浆加压气化装置（包括引进装置和国产化装置）是目前国内广泛使用的煤加压气化技术（占到国内煤加压气化装置的75%以上），气化后得到的合成气主要用于合成氨、尿素、甲醇、醋酸等的原料，也可用于城市煤气及钢铁等其他行业，气化炉烧嘴是该装置中的关键设备之一。
本作者就关于水煤浆气化炉工艺烧嘴的使用及维护方面所进行的一些工作和思考进行简单的介绍，同时对于该烧嘴的改进方向提供一些个人看法，仅供同行参考。
二、煤加压气化技术简述煤加压气化的主要技术优势在于：三高1.气化效率高，碳转化率可高达98~99%，煤气中CO+H2（即有效气体成分）可达80~90%。
2.气化压力高，水煤浆加压气化炉压力可达8.5MPa，粉煤加压气化炉压力可达4MPa，有利于实现装置的大型化，与其他先进技术联合使用，可以省去合成气的压缩机，降低能耗。
3.气化温度高，水煤浆加压气化炉温度可达1200~1500℃，粉煤加压气化炉温度可达1300~1700℃,GSP又称黑水泵气化（神华宁煤）技术据说最高可达1900℃或以上。
气化温度高，煤中的有机物质分解气化彻底，降低污染，同时扩大了煤种的适应范围。
目前，我国普遍采用的煤加压气化技术是水煤浆加压气化和粉煤加压气化，二者各有特点，主要有：1.气化压力：由于原料进料方式的不同，粉煤加压气化的压力没有水煤浆加压气化的压力高。
2.气化温度：由于炉内向火面的结构不同，水煤浆气化炉由于使用耐火砖形式，气化温度相对不能太高，这在一定程度上限制了煤种的适用范围。
3.水煤浆气化由于要将原料制成煤浆，因此要求原料煤具有稳定的成浆性能，当然，由于气化温度的限制，煤的灰熔点也不能太高。
4.粉煤气化由于是干粉供应，因此对原料煤的水分有一定的要求，而壳牌粉煤气化使用的废热锅炉冷却合成气，用于制氢和制合成氨时，在一氧化碳变换系统中，还要重新加入蒸汽，部分抵消了气化过程中的优势。
5.水煤浆由于需要将液体原料（含高浓度的固体煤粉）通过工艺烧嘴进行雾化，工作条件非常恶劣，因此，烧嘴的连续使用寿命制约了整个气化炉的连续运行周期。
6.为了追求较高的气化效率（有效气体成份），壳牌粉煤气化中需要用废热锅炉和过滤器，同时要用到循环气对气化炉出口合成气进行激冷，流程相对复杂，投资较大；7．水煤浆气化的需氧量比粉煤气化的需氧量大，即增加了空分装置的工作量，增大投资费用；因此，在选择工艺路线时，要考虑投资、煤种、效益等多方面因素，任何一种工艺技术，都不是十全十美的，均存在需要改进的地方。
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），就是对传统水煤浆加压气化技术的一次有效改进，取得了很好的效果（详细论述见下文），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。
工艺烧嘴的设计及配置、二次补氧烧嘴的设计、配置等方面均有了改造，并得到了有效实施。
同时为该工艺技术配套提供了专用的工艺烧嘴和二次补氧烧嘴，为该工艺技术的工业实施做出了重要的贡献。
三、水煤浆加压气化炉工艺烧嘴水煤浆加压气化技术的一项弱点，就是其工艺烧嘴的一次性连续使用寿命较短，影响了单台气化炉的连续运行时间，因此，一般情况下均有备用炉在线，以便工艺烧嘴更换和维修。
为了满足较高的有效气体成份以及气化炉温度的要求，在较低的比氧给料情况下，利用唯一可用的雾化介质（氧气），将水煤浆进行高效的雾化，获得较高的碳转化率，普遍采用的气化炉工艺烧嘴头部结构如图1所示。
图1 水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构1、工艺烧嘴设计的一般原则1.1结构形式为同心三套管形式，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，同时其端面距烧嘴断面基准面有一定的缩入量，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，共同的作用就是为了保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。
外氧管口的缩口比例更大一些，目的是提供更高流速的氧气，对于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。
1.2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，力争达到必要的混合和雾化效果。
但是，中心氧的比例有一定的限制条件，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，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情况恶化，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，其结果使整个烧嘴出口的火焰形状变得细长，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的停留时间变小，炉渣中的含碳量增加，引起气化效率的降低，而且，会使火焰直冲炉底，影响炉底激冷环的工作。
1.3 流动速度的设计，中心氧的出口流速一般为150~180米/秒，煤浆出口流速一般为2~4米/秒，预混合腔出口平均流速一般为12~20米/秒，外氧的出口流速一般为160~200米/秒。
2、影响烧嘴使用寿命的主要问题探讨2.1 冷却水盘管的破坏设计冷却水盘管的目的是为了保护烧嘴处于高温工艺气体的本体部分，冷却水盘管承受着最恶劣的外部环境。
破坏方式一般有三种：2.1.1冷却水盘管和外喷头焊接处的热应力破坏，原因是两个零件之间的焊接方式为角焊缝，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）形式的破坏。
我们目前采取的改进方案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 冷却水盘管安装改进方案2.1.2冷却水盘管内的冷却水温度如果控制不当，会造成盘管表面的低温腐蚀，一般地将冷却水温度控制在170℃以上比较合适。
另外，盘管的材质应选用高温性能稳定的材料，目前可用的材料以Inconel600为最好。
2.1.3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。
2.1.4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，在烧嘴拔出过程中也可能造成盘管的损坏，增加盘管的壁厚等级可以有效减轻这一损坏方式。
2.2 物理磨损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时间和整个工艺路线连续运行时间的最主要因素之一。
一般情况下，水煤浆气化炉工艺烧嘴的连续运行时间为30~60天，就需要停炉进行检修和更换，因此，水煤浆气化工艺中必须有备用炉，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，必须对水煤浆利用相应数量的氧气进行有效地雾化，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，气体的流速必须达到一定的数值。
也就是说，预混合腔内的混合物（水煤浆、氧气）流速必须达到一定的数值，由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，这是造成中喷头内腔磨损的主要原因。
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成为目前唯一可用的方法，当然还要考虑抗氧化性能。
普遍采用的材料是GH188和UMCo-50，可以连续工作的时间也只有30~60天，影响这一周期的因素很多，主要有：煤种、生产负荷等。
据说有关单位已经研究成功了具有较长寿命的陶瓷材料的中喷头，但还没有公开的报道。
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，混合物的轴向速度分量太大，火焰就会细长，影响部分物料停留时间，直冲炉底，影响碳转化率，而且，从图3中可以看出，混合物流速到达一定数值后对雾化液滴尺寸的影响作用也会变得很小。
图3 水煤浆雾化性能和雾化氧气流量的关系2.3 热、化学、应力影响影响水煤浆气化炉工艺烧嘴连续使用寿命的另外一种损坏形式是外喷头端面的径向放射性裂纹及不规则龟裂的形成。
在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。
对于图示裂纹的产生原因，目前还没有形成权威性的结论，作者认为，其影响因素主要有以下几个方面。
图4外喷头的典型损坏形式2.3.1热冲击影响。
由于外喷头的断面迎着炉内高温的工艺气体，一般为1200~1500℃，金属材料在这样的高温条件下长期工作，就会使在冶炼和锻造过程中的所有缺陷逐渐地暴露出来，这样就会形成不规则的龟裂。