帶點(diǎn)火功能的水煤漿燒嘴及應(yīng)用

劉孝弟，張 勇，王 岳，顧學(xué)穎

（1.清華大學(xué)，北京 100084；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076；3.山西豐喜集團(tuán)臨猗分公司，山西臨猗 044100）

由于我國缺油、少氣、煤炭資源相對(duì)而言比較豐富，無論作為能源還是化工原料，煤炭在今后較長一段時(shí)間里仍將占主導(dǎo)地位。

單純作為能源（火力發(fā)電和各種加熱裝置），煤炭的消耗量幾乎占到了70%，在如何提高煤炭作為能源的利用效率方面，超臨界、超超臨界的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)（鍋爐及汽輪機(jī)）已取得了長足的進(jìn)步，IGCC系統(tǒng)（燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)結(jié)合）的研究和完善也在積極推進(jìn)之中。

由于煤炭中的有效成分主要是以固體的形式存在，而且煤炭中存在一定比例的灰分和雜質(zhì)，直接作為化工原料幾乎是不可能的，因此在利用的前端，必須對(duì)煤炭進(jìn)行有效的預(yù)處理，形成了眾所周知的煤化工產(chǎn)業(yè)，即煤炭的焦化、氣化和液化。煤炭的焦化除了可以得到焦?fàn)t氣（氣態(tài)）和煤焦油（液態(tài)）外，其主要產(chǎn)品為焦炭（固態(tài)）。而氣化和液化的過程第一步均需要將煤炭進(jìn)行氣化，即將煤炭中的有效成分全部轉(zhuǎn)變成氣體。通常情況下，氣體中有效成分主要為CO＋H2，然后根據(jù)最終產(chǎn)品要求，通過不同的工藝流程和操作條件及其他原料，將CO＋H2轉(zhuǎn)變成需要的化工產(chǎn)品：合成氨及下游產(chǎn)品，甲醇及下游產(chǎn)品，加氫成液體燃料等［1］。

由此可知，煤的氣化在煤深加工和煤化工中起著舉足輕重的作用，近年來在國內(nèi)幾乎呈燎原之勢(shì)。由于加壓氣化在能源利用效率、環(huán)境保護(hù)、操作自動(dòng)化、節(jié)省占地面積、大型化等方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此建設(shè)和運(yùn)行比重不斷加大。

煤的加壓氣化方法從操作壓力等級(jí)來區(qū)分，可分為低壓等級(jí)和高壓等級(jí)兩種。低壓等級(jí)的氣化壓力一般不超過3MPa，例如，HTW爐，U－gas爐，灰熔聚爐等。而高壓等級(jí)的氣化壓力一般在4MPa以上，例如，GE爐，SHELL爐，HT－L爐，GSP爐等。煤的加壓氣化方法從使用原料的種類來區(qū)分，可分為干煤粉和水煤漿兩種，除了GE爐利用水煤漿作為原料外，其他的各爐型基本使用干煤粉作為原料。

GE爐利用水煤漿作為原料，在煤氣化過程中，必須帶進(jìn)一部分水，影響了氣化效率，對(duì)于有效氣體成分也有一定的負(fù)面影響，但是由于水煤漿的供應(yīng)和流量控制等方面存在一定的優(yōu)越性，其氣化爐操作壓力可以更高，最高運(yùn)行壓力已達(dá)到8.5MPa［2］，仍然具有一定的生命力。

GE爐的最大缺點(diǎn)是，水煤漿燒嘴的使用壽命短和爐內(nèi)耐火磚的維護(hù)費(fèi)用高，另外，由于耐火磚的性能，限制了爐內(nèi)的操作溫度，這給水煤漿氣化的煤種適應(yīng)性帶來了不利影響。

1 關(guān)于水煤漿氣化技術(shù)的有關(guān)改進(jìn)

由于處理原料的特性、燒嘴的基本結(jié)構(gòu)要求、燒嘴材料等原因，水煤漿氣化工藝燒嘴，一般情況下使用2個(gè)月左右就需要進(jìn)行維修，這在很大程度上影響了工藝系統(tǒng)的長周期連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)增加了原料消耗和維護(hù)使用成本［3］，在某種意義上成為該技術(shù)推廣使用的不利因素。在GE爐的基礎(chǔ)上，國內(nèi)開發(fā)的熔渣－非熔渣爐（由清華大學(xué)、北京達(dá)力科、山西豐喜共同開發(fā)，北京航天動(dòng)力研究所提供水煤漿工藝燒嘴和二次補(bǔ)氧燒嘴），采取了水煤漿分級(jí)氣化的方式，利用二次補(bǔ)氧的核心技術(shù)，降低了水煤漿供應(yīng)主燒嘴的霧化要求，同時(shí)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(duì)燒嘴頭部使用特殊材料并進(jìn)行表面處理，設(shè)計(jì)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(chǎng)操作人員的大力配合，目前水煤漿燒嘴的使用壽命在120d以上，最高可達(dá)150d左右，這對(duì)于增強(qiáng)水煤漿加壓氣化技術(shù)的競(jìng)爭性無疑是有力的技術(shù)支撐［4］。

由于煤的種類很多，每一種煤的組分也不盡相同，特別是煤中的揮發(fā)分比例和成分千差萬別，因此煤的著火溫度一般只是一個(gè)定性的指標(biāo)，常見煤種的著火溫度如表1所示［1］。

表1 煤的著火溫度

在設(shè)計(jì)氣化爐的點(diǎn)火方式和爐膛的結(jié)構(gòu)時(shí)，各種氣化爐有所不同。SHELL爐使用的原料為干煤粉，其氣化爐上共有3種燒嘴：電點(diǎn)火燒嘴、引燃燒嘴、工藝燒嘴。使用的點(diǎn)火方式是，由電點(diǎn)火燒嘴提供點(diǎn)火能量，使引燃燒嘴（使用液化氣、天然氣或工藝弛放氣等燃料）形成穩(wěn)定的火焰，并使?fàn)t膛溫度逐步升高、壓力升高，達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，由工藝燒嘴供應(yīng)煤粉和純氧，待形成穩(wěn)定的火焰后，關(guān)閉引燃燒嘴，并從原路縮回安全區(qū)域。

HT－L爐、GSP爐使用的原料也為干煤粉，采用的燒嘴結(jié)構(gòu)基本相同，見圖1。點(diǎn)火方式是，由高壓電點(diǎn)火棒提供點(diǎn)火能量，點(diǎn)燃處于燒嘴中心的點(diǎn)火用燃?xì)饧安糠旨冄酰ぷ鞔蠹s1h左右，爐膛溫度及壓力升高到一定指標(biāo)，投煤粉和相應(yīng)的氧氣，使其形成穩(wěn)定的火焰，最后關(guān)閉點(diǎn)火燃?xì)狻?/p>

圖1 GSP爐煤粉工藝燒嘴結(jié)構(gòu)

SHELL爐、HT－L爐、GSP爐等以干煤粉為原料的氣化爐，其爐膛均為鋼管式水冷壁結(jié)構(gòu)（冷壁），在穩(wěn)定工作時(shí)，水冷壁的外表面會(huì)形成穩(wěn)定的渣膜，對(duì)水冷壁進(jìn)行熱保護(hù)，因此爐膛可以工作到1 600～1 950℃，這樣，高灰熔點(diǎn)的煤種可以適用。

由于流動(dòng)性要求，水煤漿在制作過程中，根據(jù)煤種的成漿性能不同，需要加入35%～40%的水及少量的穩(wěn)定劑，這就使水煤漿著火比起干煤粉來說需要的能量要高出不少。GE（原為Texaco）公司在開發(fā)和推廣水煤漿加壓氣化技術(shù)的工藝流程時(shí)，氣化爐一直采用耐火磚內(nèi)壁（即熱壁），其目的就是為了實(shí)現(xiàn)水煤漿的點(diǎn)火。水煤漿氣化爐的點(diǎn)火方式是，首先在氣化爐上安裝預(yù)熱燒嘴，利用燃?xì)夂涂諝馊紵龑?duì)爐膛加熱，并利用耐火磚蓄熱，同時(shí)需要在爐膛出口加設(shè)抽引器，以使?fàn)t膛保證微負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)爐膛溫度接近1 000℃時(shí)，及時(shí)拆下預(yù)熱燒嘴，并將水煤漿工藝燒嘴安裝到位。由于耐火磚的蓄熱功能，燒嘴切換完成后，爐膛內(nèi)仍然維持有800℃以上的溫度，在此溫度下，能保證水煤漿和氧氣的安全著火。為了使耐火磚能達(dá)到最佳使用性能，耐火磚在第一次使用時(shí)要用預(yù)熱燒嘴加熱烘爐，烘爐過程要嚴(yán)格按照升溫曲線進(jìn)行，這一過程一般長達(dá)十幾天，需要消耗大量的能源。大部分情況下，水煤漿氣化爐在備用時(shí)，需要保持一定的溫度，這也會(huì)造成一定的能源浪費(fèi)。而在氣化爐重新投用時(shí)，由于耐火磚的特性，預(yù)熱燒嘴對(duì)爐膛的加熱過程需要嚴(yán)格按照升溫程序執(zhí)行，不然就會(huì)造成耐火磚的破裂及熱膨脹過快而對(duì)爐壁造成損害。一般在冷爐情況下，這一升溫過程需要數(shù)天，也會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。另外，由于耐火磚的性能限制，水煤漿加壓氣化爐的操作溫度一般不允許超過1 350℃，這是造成水煤漿氣化煤種灰熔點(diǎn)不能太高的重要原因之一。同時(shí)，耐火磚的使用壽命一般為1a左右，一爐磚的費(fèi)用在數(shù)百萬元至一千萬元，這是生產(chǎn)成本高的重要原因之一。目前，國內(nèi)開發(fā)的多元料漿氣化爐、四對(duì)沖水煤漿氣化爐、熔渣－非熔渣水煤漿氣化爐，無一例外采用了這一原始方式。國內(nèi)外凡使用水煤漿的氣化爐，沒有一個(gè)更換這一模式。

豐喜集團(tuán)（已并入山西陽煤集團(tuán)）由于陽煤集團(tuán)所產(chǎn)煤種灰熔點(diǎn)較高，無法適應(yīng)水煤漿氣化要求，所用煤不得不從陜西神木購入，造成生產(chǎn)成本居高不下。該公司進(jìn)行了部分摻燒本地煤的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果并不理想，能否利用本地產(chǎn)的陽泉煤進(jìn)行水煤漿氣化，成了該公司的迫切愿望。豐喜集團(tuán)提議設(shè)計(jì)水冷壁的水煤漿氣化爐，以提高氣化溫度來滿足氣化本地煤的要求，并節(jié)省每年更換耐火磚的費(fèi)用。經(jīng)清華大學(xué)和北京航天動(dòng)力研究所反復(fù)討論研究，認(rèn)為這種可能性是存在的。最后確定由清華大學(xué)進(jìn)行水冷壁爐及配套工藝的設(shè)計(jì)，北京航天動(dòng)力所實(shí)施帶水冷壁水煤漿氣化爐的點(diǎn)火，這是帶有巨大風(fēng)險(xiǎn)的課題，也是水冷壁水煤漿氣化爐能否可行的關(guān)鍵所在。

憑借我們多年在水煤漿氣化爐燒嘴方面豐富的研制經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)大的科研生產(chǎn)能力，以及熔渣－非熔渣水煤漿氣化爐開發(fā)過程中的成功合作，無論是清華大學(xué)，還是豐喜集團(tuán)公司，均寄予厚望。在燒嘴及點(diǎn)火方案研制開發(fā)的同時(shí)，水冷壁水煤漿氣化爐的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)就在同步進(jìn)行，這充分說明了對(duì)我們的高度信任。在接到該研制任務(wù)之后，我們清醒地認(rèn)識(shí)到，如果該燒嘴及點(diǎn)火方案研制不成功，后果將會(huì)不堪設(shè)想。

從2009年年中開始，我們進(jìn)行了大量的分析研究工作，最終確定了燒嘴的結(jié)構(gòu)及點(diǎn)火方案，提出了 “自帶點(diǎn)火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴裝置”，確定了點(diǎn)火方案和具體點(diǎn)火流程，并同時(shí)申報(bào)了國家專利［5］。在此基礎(chǔ)上，我們?yōu)樨S喜集團(tuán)提供了產(chǎn)品，燒嘴的基本結(jié)構(gòu)見圖2。

2011年8月22日，由我們提供的工藝燒嘴投用，使世界上首套水冷壁水煤漿氣化爐在豐喜集團(tuán)一次開車成功（圖3），在行業(yè)內(nèi)影響不小，取得了業(yè)內(nèi)專家的高度認(rèn)可。在祝賀豐喜集團(tuán)的同時(shí)，我們也為自己的工作所取得的成績感到自豪，同時(shí)也感謝豐喜集團(tuán)對(duì)我們的信任。

水冷壁水煤漿氣化爐的運(yùn)行成功，可以將水煤漿氣化工藝帶入一個(gè)新的發(fā)展階段。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）氣化爐不再為耐火磚的更換不斷的投入。

（2）可以提高氣化爐的運(yùn)行溫度，使煤種的適應(yīng)性得到進(jìn)一步的放寬。

（3）氣化爐不再需要預(yù)熱過程，直接可以升溫升壓，節(jié)省費(fèi)用。

2 自帶點(diǎn)火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴結(jié)構(gòu)及運(yùn)行簡介

圖2為水冷壁水煤漿氣化爐設(shè)計(jì)的工藝燒嘴結(jié)構(gòu)簡圖，和普通水煤漿氣化爐工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)基本一致，目的是為了在正常工作狀態(tài)下滿足水煤漿霧化及穩(wěn)定燃燒的需要。其特征是在中心氧管道的內(nèi)部安裝了電點(diǎn)火棒和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，而在另一端燒嘴的出口加裝了一套電點(diǎn)火棒的伸縮機(jī)構(gòu)（氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)）以及高壓動(dòng)密封機(jī)構(gòu)，以保證電點(diǎn)火棒的就位和復(fù)位，從而不至影響工藝燒嘴在正常工作狀態(tài)下的運(yùn)行。

圖2 工藝燒嘴結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 豐喜集團(tuán)采用自帶點(diǎn)火的水煤漿燒嘴裝置示意

該燒嘴設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是，首先利用中心氧氣管路輸送一定量的燃?xì)猓ㄒ夯瘹狻⑻烊粴饣蚱渌扇細(xì)怏w，比如合成氨系統(tǒng)的弛放氣等），和外主氧管路輸送的純氧形成可燃環(huán)境，將電點(diǎn)火棒伸出到一定位置后通電，利用電火花的能量將燃?xì)馀c純氧的混合物點(diǎn)燃，形成高溫的火焰區(qū)域，再將水煤漿送入該高溫的火焰區(qū)域，使其燃燒（同時(shí)增加外主氧的流量，以滿足燃?xì)夂退簼{的共同需要），在水煤漿被點(diǎn)燃之后，逐漸減小燃?xì)饬髁浚ㄍ瑫r(shí)逐漸加大水煤漿流量），最終在水煤漿與外主氧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后，對(duì)中心氧通道利用氮?dú)猓ɑ蚨趸細(xì)怏w）進(jìn)行必要吹除及置換，逐漸供應(yīng)中心氧氣。最后，調(diào)整中心氧、外主氧、水煤漿流量，達(dá)到穩(wěn)定的氣化要求。

圖4為燒嘴的工作流程簡圖。氮?dú)獾拇党涌谝M量靠近中心氧閥門的出口，以便燃?xì)忾y門關(guān)閉后將管路中的殘余燃?xì)庵脫Q和吹除干凈，避免管路中殘余燃?xì)馀c氧混合，造成安全隱患。

圖5為工藝燒嘴工作邏輯要求。當(dāng)燃?xì)馀c外主氧混合物的點(diǎn)火出現(xiàn)失敗時(shí)，需要將系統(tǒng)吹除干凈后重新點(diǎn)火。若煤漿投入后未被點(diǎn)燃，也需要重新啟動(dòng)點(diǎn)火程序。因此，在制定操作規(guī)程和確定工藝參數(shù)時(shí)，燃?xì)饬髁俊⑼庵餮趿髁俊⑺簼{流量、中心氧流量、置換和吹除氮?dú)饬髁康染枰獓?yán)格控制，以保證點(diǎn)火環(huán)境和著火條件。

圖4 工作原理圖

該工藝燒嘴的點(diǎn)火過程設(shè)計(jì)要求如下。

點(diǎn)火程序啟動(dòng)之前，所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

在氣化爐的啟動(dòng)過程中，燒嘴的點(diǎn)火程序遠(yuǎn)比上述程序復(fù)雜得多，所有閥門的開度，各種物料的流量、壓力及燃?xì)獾幕鹧鏈囟鹊葏?shù)均需要嚴(yán)格控制和聯(lián)鎖。據(jù)豐喜操作現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)整結(jié)果，從點(diǎn)火過程開始至達(dá)到正常工作狀態(tài)大約需要3h，而大約5h系統(tǒng)就可產(chǎn)出粗煤氣。氣化爐系統(tǒng)從點(diǎn)火開始，升溫和升壓同步進(jìn)行，不需要抽引器使?fàn)t膛呈負(fù)壓，也不需要更換燒嘴，極大地方便了操作并減少了大量的能源浪費(fèi)。

圖5 工藝燒嘴工作邏輯圖

3 結(jié) 論

水冷壁水煤漿氣化爐的運(yùn)行成功，其核心設(shè)備 “自帶點(diǎn)火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴裝置”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(jìn)一步提高水煤漿氣化爐的操作溫度，為適應(yīng)更多的煤種（特別是高灰熔點(diǎn)煤）提供了可能。

該工藝燒嘴本體如果也采用與我們研制的“長壽命水煤漿燒嘴”相結(jié)合的方式來設(shè)計(jì)及制造，無疑會(huì)為水煤漿氣化工藝提供更有競(jìng)爭力的技術(shù)支撐。

據(jù)了解，清華大學(xué)目前正著手對(duì)已有耐火磚的水煤漿氣化爐改為水冷壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果能夠順利實(shí)施改造，可以預(yù)見，一定會(huì)為采用水煤漿氣化的用戶提供更可靠、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行裝置。

［1］賀永德主編.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］章榮林.怎樣選擇煤氣化技術(shù) ［J］.氮肥與甲醇，2007，2（2）：1～7.

［3］劉孝弟，尹潤生.改進(jìn)水煤漿氣化工藝的一些思考 ［J］.大氮肥，2009，32（4）：222～227.

［4］劉孝弟，王岳，李兵科.水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問題的探討［J］.化肥工業(yè)，2009，36（2）：20～23.

［5］王岳，劉孝弟，宋曉峰等.自帶點(diǎn)火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴裝置：中國，ZL200920219759.3［P］.