含水甲醇與弛放氣在水煤漿氣化爐烘爐中的應用實踐

李曉鵬，朱曉龍

（西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安710100）

以耐火磚結構為代表的熱壁氣化爐，其預熱燒嘴用于將氣化爐的爐膛溫度由環境溫度升高到1 250℃左右，也用于氣化爐的熱備以及耐火材料施工后的烘爐和養護。原始設計的預熱燒嘴主要由長明燈、液化石油氣噴槍、柴油噴槍、火焰監測系統組成。氣化爐烘爐時，低溫段使用液化石油氣噴槍，高溫段需更換為柴油噴槍。

甲醇作燃料相比柴油燃燒更完全，所排放的碳氫化合物、氮氧化物和一氧化碳等有害氣體少，能避免柴油烘爐時燃燒不充分出現的“冒黑煙”現象。基于甲醇作燃料的優勢和水煤漿氣化爐烘爐時使用的液化石油氣/天然氣、柴油等燃料大部分需外購并需現場儲存管理等弊端，筆者設計了水煤漿氣化爐一體化預熱燒嘴（已申請實用新型專利），將點火裝置、高低溫噴嘴以及火焰監測系統集成一體化。該一體化預熱燒嘴使用化工廠自產的含水甲醇為主燒嘴燃料、弛放氣為點火燒嘴燃料，能滿足烘爐和日常升溫的需求。與原預熱燒嘴相比，一體化預熱燒嘴不僅可減輕現場人員的安全和管理壓力，降低操作難度，還可以降低氣化爐的烘爐成本。以重慶某化工企業為示范用戶，對該燒嘴進行了計算設計和試驗測試，并在該企業完成了一體化預熱燒嘴的首次工業應用，現介紹如下。

1 基礎參數

1.1 物料參數

該化工企業主要產品為甲醇，使用生產裝置產生的含水甲醇和弛放氣作為一體化預熱燒嘴的燃料，含水甲醇中水的質量分數約5%；弛放氣組分：H2體積分數70%、CO體積分數5%、C H4體積分數4%，燃料主要參數見表1。

表1 燃料主要參數

1.2 技術參數

一體化預熱燒嘴設計使用含水甲醇作為主燃料，弛放氣為點火燃料，空氣作為氧化劑和霧化劑。甲醇噴槍為內混式高壓氣動霧化結構，甲醇在混合室內與空氣混合后，從噴孔噴出并膨脹霧化。良好的預混合霧化有利于減少氣耗，提高燃燒速度，縮短火焰長度[1]。

低流速下甲醇對碳鋼材料不具有腐蝕性，故使用原有的柴油管道可滿足0.4 m/s的甲醇輸送要求。一體化預熱燒嘴熱負荷調節范圍為2.34×106k J/h～2.34×107k J/h，一體化預熱燒嘴設計參數見表2。

表2 一體化預熱燒嘴設計參數

1.3 外形結構

一體化預熱燒嘴為抽風倒焰式，主要由弛放氣噴槍、甲醇噴槍、高能點火裝置、火焰監測系統組成，燒嘴外形示意圖如圖1所示。氣化爐烘爐時，先通入助燃空氣和弛放氣，同時啟動高能點火槍進行點火，待火焰監測系統觀察到預熱燒嘴點燃并穩定運行后，停止高能點火槍。氣化爐開始升溫，隨著爐溫不斷升高，根據升溫速率要求，投用甲醇噴槍，開始通入霧化空氣和含水甲醇，并調節風門開度，觀察到甲醇噴槍霧化完全、燃燒穩定后，可停止弛放氣噴槍。

圖1 一體化預熱燒嘴外形示意圖

2 試驗測試

一體化預熱燒嘴制造完成后，需先進行冷態霧化試驗，觀察、測量不同流量下霧化粒徑和霧化角度是否滿足設計要求。在冷態霧化試驗完成后，需要進行點火試驗，在不同流量下測試燒嘴的點火成功率、燃燒穩定性，同時測量火焰長度是否和氣化爐膛尺寸匹配。

2.1 冷態霧化試驗

一體化預熱燒嘴霧化試驗使用水和壓縮空氣作為試驗介質，霧化空氣設計壓力為0.40 MPa、流量為56 g/s，水按甲醇折算后對應流量為350 g/s，壓力為0.30 MPa。霧化試驗開始前分別進行通水和通氣試驗，以檢驗設計參數和試驗數據的偏差范圍。通水試驗結果：水流量為350 g/s時，對應水壓力為0.25 MPa～0.30 MPa；通氣試驗結果：空氣流量為56 g/s時，對應空氣壓力為0.35 MPa。考慮到燒嘴加工精度和測量誤差，預熱燒嘴結構尺寸滿足設計要求。

霧化試驗時，依次進行了10%～110%流量負荷下的全工況霧化試驗，給定水的流量，通過調節霧化空氣的流量，測得滿足平均霧化粒徑要求時的空氣壓力和氣液比數據并記錄。通過分析上述試驗數據得出：一體化預熱燒嘴在不同流量下霧化均勻，霧化角度為39°～41°，平均霧化粒徑為100μm～150μm，完全霧化距離約為150 mm。試驗結果表明一體化預熱燒嘴霧化效果良好，滿足設計要求。

2.2 點火試驗

點火試驗時，弛放氣使用外購天然氣代替，通過限流孔板將天然氣流量控制在0.35 g/s～0.50 g/s，壓力穩定在0.5 MPa左右；通過限流孔板將助燃空氣流量控制在3.4 g/s～5.0 g/s，壓力穩定在0.5 MPa左右。弛放氣噴槍為預混式結構，試驗開始時高能點火裝置啟動打火，依次通入空氣、天然氣，一體化預熱燒嘴能夠快速點火成功，并穩定燃燒。

含水甲醇噴槍點火試驗時，含水甲醇利用泵進行加壓，流量、壓力控制在設計值；霧化空氣使用瓶裝壓縮空氣，通過試驗平臺調節裝置，使流量、壓力控制在設計值。試驗時，待弛放氣點火燒嘴燃燒穩定后，開始通入含水甲醇和霧化空氣，調節氣液比在設計范圍內，進行不同流量下的燃燒試驗并記錄數據。點火試驗結果表明：一體化預熱燒嘴燃燒完全，火焰穩定，在不同甲醇流量負荷下均能穩定燃燒，停止弛放氣噴槍后，甲醇噴槍仍能穩定燃燒。

3 工業應用及效果

在試驗測試的基礎上，2018年5月一體化預熱燒嘴首次應用在該化工企業氣化裝置上。按照操作規程，先將一體化預熱燒嘴中心的弛放氣噴槍點燃，待運行穩定后，通入霧化空氣和含水甲醇，利用弛放氣噴槍點燃甲醇噴槍。觀察現場運行情況，一體化預熱燒嘴的弛放氣噴槍和甲醇噴槍都能穩定燃燒和運行，在氣化爐升溫低溫段（＜200℃），可考慮繼續投用弛放氣噴槍，這樣有利于甲醇噴槍穩定燃燒，高溫段則停用弛放氣噴槍，通入少量空氣保護即可。

首次運行的數據表明，一體化預熱燒嘴燃燒完全，運行穩定，在氣化爐升溫過程中燒嘴操作調節簡單，火焰監測系統工作正常，排放煙氣中無有害物質，對環境友好。氣化爐從環境溫度升溫到150℃烘干耐火材料時，能滿足10℃/h～30℃/h的升溫速率要求，在高溫段（800℃～1 250℃）可保證以50℃/h～80℃/h的速率升溫，且能保持在1 250℃左右恒溫。

核算氣化爐升溫運行消耗數據發現，在使用一體化預熱燒嘴后，采用甲醇作燃料，相比原始采用液化石油氣和柴油作為燃料，每次烘爐成本可降低約33%。

設計的一體化預熱燒嘴除使用甲醇作燃料外，后續也可開發使用化工企業產生的具有一定熱值的廢液（低黏度廢油）和廢氣作燃料，從而實現廢棄物的資源化利用，減少污染排放。

4 結 論

4.1 應用實踐表明，一體化預熱燒嘴霧化效果好，燃燒完全，運行穩定，能滿足氣化爐對不同升溫速率的要求，也能保持氣化爐在1 250℃左右進行恒溫。燒嘴點火成功率高，火焰監測系統工作正常。

4.2 使用一體化預熱燒嘴，以清潔燃料甲醇作為燃料，可顯著降低氣化爐烘爐成本。

4.3 一體化預熱燒嘴的燃料也可使用具有一定熱值的生產廢液、廢油以及廢氣，能有效提高企業經濟效益。

4.4 相比原始預熱燒嘴，一體化預熱燒嘴具有節能環保、操作維護簡單、可處理廢液廢氣等優勢，化工企業用戶可根據自身產品特點進行技術改造升級。