粉煤加壓氣化爐燒嘴技術研究與開發成 雷（中國石化安慶分公司 ，安 徽 安 慶 246000）摘 要 ：針對原進口的煤粉燒嘴不 能滿足殼牌粉煤加壓氣化爐長周期運行的現狀 ，開展了煤粉燒嘴的技術研 究及相應的國產化開發 。 通 過 對 煤 粉燒嘴的結構和工藝原理的剖析 ，研制了具有與原進口性能相當的國產化煤 粉 燒 嘴 ，并得到了工業應用 。關 鍵 詞 ：氣 化 爐 煤 粉 燒 嘴 國 產 化 研 發煤 粉燒嘴是殼牌粉煤氣化 爐的關鍵設備之 一 ， 其作用是將煤粉由氮氣加壓后密相送 入 氣 化 爐 ，主要由噴頭和機 身 兩 部 分 構 成 ，其 中 ，機 身 由煤 粉 氮 氣 輸 送 管 、氧 氣 水 蒸 氣 外 套 管 、冷 卻 水 套 管三大部分組成 。 煤粉燒嘴運行環境苛刻 ，通常在高壓（大于 4 MPa）、高溫（1 600 ）下工作 。 因此，對圖 2煤粉燒嘴的剖面結構 設備本身的工藝加工精度要求很高 ，突 出 表 現 在煤粉燒嘴噴頭處于 1 500 以 及 55 MPa 的 純氧 化 環 境 中 ，是煤粉燒嘴設備的易損件 ，對 材 料 材 質和冷卻條件要求十分嚴格 。 煤 粉 燒 嘴 噴 頭 噴 射 角 設 計 必 須配合特定的燒嘴冷卻罩結構參數 ，以減少工藝參數包線內回流區帶出的微小煤 粉 顆 粒對輻射表面的噴刷 ， 而內部環形冷卻流通 的 壁 厚 和結構設計則是確保冷卻水對噴頭頂部輻 射 面 實施快速冷卻的關鍵 。 該部分的結構如圖 3 所示。薄壁加工件的焊接工藝和焊接質量的要求上 。早期投用的煤粉燒嘴均從國外進口 ，不 僅 價 格 高 昂 ，而且制造供貨周期長 ， 無法滿足工廠煤氣 化 裝 置 長周期運行需要 1。 為此，開展了 “煤粉燒嘴的技術 研究及相應的國產化 ”開發，取得了較好的成效 。煤粉燒嘴結構和工藝原理煤粉燒嘴的結構殼牌粉煤氣化爐的煤粉燒嘴主要 包 括 煤 粉 通111道 、氧氣和水蒸氣通道 、冷 卻 水 通 道 。 煤 粉 燒 嘴 的外觀結構和剖面結構分別如圖 1 和圖 2 所示。圖 3煤粉燒嘴噴頭結構 煤粉燒嘴主要技術參數 2以 中國石化安慶分公司 2 000 t d 規 模 的 殼 牌12收 稿 日 期 ：2011-02-28；收到修改稿日期 ：2011-03-04。作 者 簡 介 ：成雷 ， 男 ， 高 級 工 程 師 ，1992 年 畢 業 于 華 東 理 工大學化學工程專業 ，碩 士 ，現 任 中國石化安慶分公司副總經理 。 聯系 電 話 E-mail：。圖 1煤粉燒嘴的外觀結構 第 2 期成雷 . 粉煤加壓氣化爐燒嘴技術研究與開發 123粉煤加壓氣化爐為例 ， 煤粉燒嘴的技術條 件 必 須壓力損失約 01 MPa； 一般采用直徑 114 mm7 mm無 縫 管 ， 連 接 法 蘭 采 用 ASME B1652003 class600。滿 足 以 下 指 標 。燒 嘴 噴 粉 量 20 t h，調 節 范 圍50120；燒 嘴 工 作 壽 命 8 000 h，確 保 可 靠 使用 1 a；燒嘴工作壓力不小于 4 MPa；燒 嘴 工 作 環境溫度頭部為 1 6001 700 ， 安 裝 夾 層 約 300；燒 嘴 氣 耗 量 ：每 千 克 煤 粉 耗 氮 氣 0085 6 kg， 耗 氧 氣 0692 kg，耗 水 蒸 氣 0041 kg；燒 嘴 霧 化 及 燃 燒 性 能 ：滿 足 氣 化 爐氣化反應需要 ；）燒 嘴 外 形 尺 寸 ：保證氣化爐安裝及外部管路連接 ；爐 膛 技術條件 ：壓力 40 MPa，直徑 2 960 mm，高度 8 800 mm； 煤 粉 技 術 參 數 ： 顆 粒 直 徑 大 于 90 m 為3） 冷 卻 水 輸 送 管 。燒 嘴 頭 部 與爐內高溫火焰 直 接 接 觸 ，高溫煙氣的輻射換熱將會使燒 嘴 端 面急劇上升 。 因此，在燒嘴頭部設計冷卻水強制循環通道，使燒嘴端面 溫 度 控 制 在 450 以 下 。流量一般為 32 kg s，壓力為 5 MPa。冷 卻 水整體結構設計根據輸送物料特性 ，從總體安全考慮 ，在 高 溫22區應是純氧輸送管最易腐蝕 ，如 純 氧 泄 漏 進 入 冷10 ， 顆 粒 直 徑 大 于 5 m 為 90 ，低 位 熱 值 約卻水管系及煤粉管系則將產生嚴重后果 ，故 在 引2241 GJ kg；氣化合成氣主要成分見表 1。入夾套中氧氣水蒸氣管系參照國外產品布 局 為 獨立 夾 套 層 ，一旦泄漏盡可能讓其直接排入大氣中 ，盡 可 能減少其進入煤粉系統及供水系統的可能 性 。 氧 氣 、蒸汽夾層外層為直鎳基高溫合金管 ；水冷卻夾層外層為耐熱合金鋼管 。表 1粗 合 成 氣 組 分摩 爾 分 數 ，組 分COH2CO2CH4N2H2O含 量69.4223.872.880.0193.371.2煤粉燒嘴的工作狀態氣 化 爐 運 行 時 ， 作為氧化劑的氧 氣 和 水 蒸 氣13燒嘴罩設計由于殼牌粉煤加壓氣化爐 采用液態排渣工 23從外套管中高速 噴 出 ，喉部處最高速度可達 100m s 左 右 ， 而 氮 氣攜帶的煤粉從中心管中以近 10m s 的速度噴出 ，煤粉顆粒在高速氧化 劑 的 氣 流 曳 引 、剪 切 下 ，速 度 大 幅 升 高 ；由 于 顆 粒 相 （煤 粉 ）和 連續相 （氧氣和水蒸氣 ）之間存在滑移 。 所以，煤粉顆粒的速度在噴嘴出口處最大達到 879 m s，顆 粒 相和連續相之間的最大速度比約為 0828。顆 粒 相 與 連 續 相 （氧 化 劑 ）進行動量交換后 ，速 度 增 大 ，矢量方向基本上與連續相相同 ；顆 粒 群 既有沿軌道時的均速度滑移運動 ， 又 有 沿 軌 道 兩 側的擴散運動 ，前者明顯比后者更重要 。 由于氣化藝 ，因 此 ，煤粉燒嘴不能伸入氣化爐內部空間 。考慮到燒嘴周圍氣流特性 ， 在煤粉燒嘴出口 與 氣 化爐膜式水冷壁連接區域 ，布置一個喇叭形燒嘴罩 ，該燒嘴罩為薄壁盤管結構 ，內有冷卻水換熱 。煤粉燒嘴材料選擇及性能測試煤粉燒嘴材料選擇鑒于粉煤加壓氣化爐在熱態運行時 ，331爐 內 壓力 為 40 MPa 左 右 、溫 度 為 1 6001 700 ，煤 粉 燒嘴在此工作環境下要實現安全 、穩 定 運 行 。 所 以 ，煤粉燒嘴的材料必須能夠耐高溫 、高壓和抗氧化 。一 般 而 言 ， 燒嘴冷卻水通道采用不銹鋼 316 材 料 ，煤 粉 通 道 采 用 INC0NEL600，氧 氣 和 水 蒸 氣 通道采用 INC0NEL600 材料。32冷卻水 、煤粉和氧氣通道承壓性能測試1） 儀器設備 。 水箱、加壓水泵 、壓力表 、截止閥 等。2） 試驗方法 。 將冷卻水管道一端堵死 ，用加 壓水泵將水流 從 另 一 端 泵 入 ，使 水 壓 達 到 88 MPa并保持住 ，觀察管道變形情況 。 若管道變形在允許范 圍 內 ，則 承 壓 性 能 合 格 ；反 之 不 合 格 ；將 煤 粉 管 道 一 端 堵 死 ，用加壓水泵將水流從另一端泵入 ，爐噴嘴與徑向夾角為 4，形成了比較明顯的切圓 。所 以 在爐膛中心截面上 而燒嘴根部形成 回 流 有利于煤粉的穩定著火和燃燒 。煤粉燒嘴通道計算煤粉燒嘴結構設計2211） 煤 粉 通 道 設 計 。為 了 滿 足 煤粉輸送的工藝 要 求 ，在氮氣輸送煤粉或二氧化碳輸送煤 粉 的 過程 中 ，煤粉輸送速度為 610 m s，輸送管壓力損失 約 01 MPa，一 般 采 用 直 徑 48 mm5 mm 無 縫 管 ，連 接法蘭采用 ASME B1652003 class 600。2） 氧氣和水蒸氣通道 。為 了 使氣化爐中心形 成 有 效 的 切 圓 ，氧氣和水蒸氣介質必須具 有 足 夠使 水 壓 達 到 60 MPa 并 保 持 住 ，觀察管道變形情 的 動 量 ，保 證 通 道 出 口 處 為 100 m s 左 右 ，輸 送 管況 。 若管道變形在允許范圍內 ，則承壓性能合格 ；2011 年 第 34 卷124反 之 不 合 格 ；將氧氣蒸汽管道一端堵死 ，用 加 壓水泵將水流從另一端泵入 ，使 水 壓 達 到 60 MPa 并 保持住 ，觀察管道變形情況 。 若管道變形在允許范 圍內，則承壓性能合格 ；反之不合格 。3） 試驗結果 。 經試驗驗證 ，樣機冷卻水 、煤粉、 氧 氣 蒸汽通道在試驗壓力下形變均在允許范圍 內，承壓能力滿足設計要求 。結構以及制造質量的綜合性檢查 ； 通 過 短 時 超壓 ，有可能減緩某些局部區域的峰值應力 ，在 一 定 程度上起到消除和降低 （殘 余 ）應 力 ，使 其 應 力 分 布趨于均勻的作用 。根據近代斷裂力學的觀點 ，短 時 超 壓 可 以 使裂紋產生閉合效應 ，也即鈍化了裂紋尖端 ，使 容 器在正常工作壓力下運行時更為安全 ； 液 壓 試 驗 過 程要經過注液排氣 、升 壓 、保 壓 、檢查及排液吹干 等工序 。 液壓試驗最常用的試驗介質是水 ，燒嘴水壓試驗結果見表 2， 水壓試驗曲線見圖 4。33燒嘴水壓試驗煤粉燒嘴的水壓試驗主要目的 ：全 面 綜 合檢驗產品的整體強度 ，是 對 容 器 選 材 ，設 計 計 算 ，表 2燒嘴水壓試驗報告 試 壓 部 位試 驗 介 質試 驗 壓 力 MPa保 壓 時 間 min環 境 溫 度 介 質 溫 度 氯 離 子 含 量 ，106檢 驗 時 間結 果頭 部 整 體潔 凈 水8.515181422010-03-25合 格化爐工藝參數的要求 。其使用壽命也與原 進 口 設備相當 ，滿足了裝置的檢維修需要 。 對于使用廠家來 說 ， 使用該設備的經濟性和時效性等方 面 效 果 良好。參 考 文 獻圖 4水 壓 試 驗 曲 線結束語開發的國產化煤粉燒嘴在中國石 化 安 慶 分 公 司殼牌粉煤加壓氣化爐上首次應用 。 自 2008 年 9月 投 用 以 來 ，運 行 工 況 正 常 ，完全符合粉煤加壓氣 41龐 忠 榮 氣化爐燒嘴燒損和泄漏原因分析及對策 J 大 氮肥 ，2005，28（1）：5253任 永 強 ，許 世 森 ，張 車 亮 ，等 干粉煤加壓氣化技術的試驗研 究 J煤 化 工 ，2004，（3）：10132TECHNOLOGICAL R D OF BURNER IN PULVERIZEDCOALPRESSURIZED GASIFIERCheng Lei（SINOPEC Anqing branch， Anqing 246000）Abstract：Considering that the originally imported burner for pulverized coal can not meet a long term running of Shell pulverizedcoal pressurized gasifier both the technological research and corresponding nationalization development of burner for pulverized coal are carried outWith the analysis of both burner structure and process principle a nationalized burner with the performance equivalent to the originallyimport- ed ones is made and commercially applied to the plant with good economy and timelinessKey words：gasifier；burner for pulverizedcoal；nationalized R D瀘天化煤氣化及下游項目開工建設2011 年 2 月 11 日 ，四川化工控股集團瀘天化公司 100108 m3 a 煤氣化及其下游后續產品項目在納溪化工園區開工 。該項目總投資約 195 億 元 ， 計劃分二個階段建設 ：2011 年 6 月 2012 年 1