带点火功能的水煤浆烧嘴及应用

刘孝弟，张 勇，王 岳，顾学颖

（1.清华大学，北京 100084；2.北京航天动力研究所，北京 100076；3.山西丰喜集团临猗分公司，山西临猗 044100）

由于我国缺油、少气、煤炭资源相对而言比较丰富，无论作为能源还是化工原料，煤炭在今后较长一段时间里仍将占主导地位。

单纯作为能源（火力发电和各种加热装置），煤炭的消耗量几乎占到了70%，在如何提高煤炭作为能源的利用效率方面，超临界、超超临界的蒸汽发电系统（锅炉及汽轮机）已取得了长足的进步，IGCC系统（燃气轮机和蒸汽轮机结合）的研究和完善也在积极推进之中。

由于煤炭中的有效成分主要是以固体的形式存在，而且煤炭中存在一定比例的灰分和杂质，直接作为化工原料几乎是不可能的，因此在利用的前端，必须对煤炭进行有效的预处理，形成了众所周知的煤化工产业，即煤炭的焦化、气化和液化。煤炭的焦化除了可以得到焦炉气（气态）和煤焦油（液态）外，其主要产品为焦炭（固态）。而气化和液化的过程第一步均需要将煤炭进行气化，即将煤炭中的有效成分全部转变成气体。通常情况下，气体中有效成分主要为CO＋H2，然后根据最终产品要求，通过不同的工艺流程和操作条件及其他原料，将CO＋H2转变成需要的化工产品：合成氨及下游产品，甲醇及下游产品，加氢成液体燃料等［1］。

由此可知，煤的气化在煤深加工和煤化工中起着举足轻重的作用，近年来在国内几乎呈燎原之势。由于加压气化在能源利用效率、环境保护、操作自动化、节省占地面积、大型化等方面有绝对优势，因此建设和运行比重不断加大。

煤的加压气化方法从操作压力等级来区分，可分为低压等级和高压等级两种。低压等级的气化压力一般不超过3MPa，例如，HTW炉，U－gas炉，灰熔聚炉等。而高压等级的气化压力一般在4MPa以上，例如，GE炉，SHELL炉，HT－L炉，GSP炉等。煤的加压气化方法从使用原料的种类来区分，可分为干煤粉和水煤浆两种，除了GE炉利用水煤浆作为原料外，其他的各炉型基本使用干煤粉作为原料。

GE炉利用水煤浆作为原料，在煤气化过程中，必须带进一部分水，影响了气化效率，对于有效气体成分也有一定的负面影响，但是由于水煤浆的供应和流量控制等方面存在一定的优越性，其气化炉操作压力可以更高，最高运行压力已达到8.5MPa［2］，仍然具有一定的生命力。

GE炉的最大缺点是，水煤浆烧嘴的使用寿命短和炉内耐火砖的维护费用高，另外，由于耐火砖的性能，限制了炉内的操作温度，这给水煤浆气化的煤种适应性带来了不利影响。

1 关于水煤浆气化技术的有关改进

由于处理原料的特性、烧嘴的基本结构要求、烧嘴材料等原因，水煤浆气化工艺烧嘴，一般情况下使用2个月左右就需要进行维修，这在很大程度上影响了工艺系统的长周期连续运行，同时增加了原料消耗和维护使用成本［3］，在某种意义上成为该技术推广使用的不利因素。在GE炉的基础上，国内开发的熔渣－非熔渣炉（由清华大学、北京达力科、山西丰喜共同开发，北京航天动力研究所提供水煤浆工艺烧嘴和二次补氧烧嘴），采取了水煤浆分级气化的方式，利用二次补氧的核心技术，降低了水煤浆供应主烧嘴的雾化要求，同时降低了主烧嘴端面区域的燃烧温度，使主烧嘴的使用寿命延长到了100d左右［3］。另外，我们对烧嘴头部使用特殊材料并进行表面处理，设计了 “长寿命水煤浆烧嘴”，通过有关技术人员的辛勤努力和现场操作人员的大力配合，目前水煤浆烧嘴的使用寿命在120d以上，最高可达150d左右，这对于增强水煤浆加压气化技术的竞争性无疑是有力的技术支撑［4］。

由于煤的种类很多，每一种煤的组分也不尽相同，特别是煤中的挥发分比例和成分千差万别，因此煤的着火温度一般只是一个定性的指标，常见煤种的着火温度如表1所示［1］。

表1 煤的着火温度

在设计气化炉的点火方式和炉膛的结构时，各种气化炉有所不同。SHELL炉使用的原料为干煤粉，其气化炉上共有3种烧嘴：电点火烧嘴、引燃烧嘴、工艺烧嘴。使用的点火方式是，由电点火烧嘴提供点火能量，使引燃烧嘴（使用液化气、天然气或工艺弛放气等燃料）形成稳定的火焰，并使炉膛温度逐步升高、压力升高，达到设计值时，由工艺烧嘴供应煤粉和纯氧，待形成稳定的火焰后，关闭引燃烧嘴，并从原路缩回安全区域。

HT－L炉、GSP炉使用的原料也为干煤粉，采用的烧嘴结构基本相同，见图1。点火方式是，由高压电点火棒提供点火能量，点燃处于烧嘴中心的点火用燃气及部分纯氧，工作大约1h左右，炉膛温度及压力升高到一定指标，投煤粉和相应的氧气，使其形成稳定的火焰，最后关闭点火燃气。

图1 GSP炉煤粉工艺烧嘴结构

SHELL炉、HT－L炉、GSP炉等以干煤粉为原料的气化炉，其炉膛均为钢管式水冷壁结构（冷壁），在稳定工作时，水冷壁的外表面会形成稳定的渣膜，对水冷壁进行热保护，因此炉膛可以工作到1 600～1 950℃，这样，高灰熔点的煤种可以适用。

由于流动性要求，水煤浆在制作过程中，根据煤种的成浆性能不同，需要加入35%～40%的水及少量的稳定剂，这就使水煤浆着火比起干煤粉来说需要的能量要高出不少。GE（原为Texaco）公司在开发和推广水煤浆加压气化技术的工艺流程时，气化炉一直采用耐火砖内壁（即热壁），其目的就是为了实现水煤浆的点火。水煤浆气化炉的点火方式是，首先在气化炉上安装预热烧嘴，利用燃气和空气燃烧对炉膛加热，并利用耐火砖蓄热，同时需要在炉膛出口加设抽引器，以使炉膛保证微负压状态。当炉膛温度接近1 000℃时，及时拆下预热烧嘴，并将水煤浆工艺烧嘴安装到位。由于耐火砖的蓄热功能，烧嘴切换完成后，炉膛内仍然维持有800℃以上的温度，在此温度下，能保证水煤浆和氧气的安全着火。为了使耐火砖能达到最佳使用性能，耐火砖在第一次使用时要用预热烧嘴加热烘炉，烘炉过程要严格按照升温曲线进行，这一过程一般长达十几天，需要消耗大量的能源。大部分情况下，水煤浆气化炉在备用时，需要保持一定的温度，这也会造成一定的能源浪费。而在气化炉重新投用时，由于耐火砖的特性，预热烧嘴对炉膛的加热过程需要严格按照升温程序执行，不然就会造成耐火砖的破裂及热膨胀过快而对炉壁造成损害。一般在冷炉情况下，这一升温过程需要数天，也会造成大量的能源浪费。另外，由于耐火砖的性能限制，水煤浆加压气化炉的操作温度一般不允许超过1 350℃，这是造成水煤浆气化煤种灰熔点不能太高的重要原因之一。同时，耐火砖的使用寿命一般为1a左右，一炉砖的费用在数百万元至一千万元，这是生产成本高的重要原因之一。目前，国内开发的多元料浆气化炉、四对冲水煤浆气化炉、熔渣－非熔渣水煤浆气化炉，无一例外采用了这一原始方式。国内外凡使用水煤浆的气化炉，没有一个更换这一模式。

丰喜集团（已并入山西阳煤集团）由于阳煤集团所产煤种灰熔点较高，无法适应水煤浆气化要求，所用煤不得不从陕西神木购入，造成生产成本居高不下。该公司进行了部分掺烧本地煤的实验，结果并不理想，能否利用本地产的阳泉煤进行水煤浆气化，成了该公司的迫切愿望。丰喜集团提议设计水冷壁的水煤浆气化炉，以提高气化温度来满足气化本地煤的要求，并节省每年更换耐火砖的费用。经清华大学和北京航天动力研究所反复讨论研究，认为这种可能性是存在的。最后确定由清华大学进行水冷壁炉及配套工艺的设计，北京航天动力所实施带水冷壁水煤浆气化炉的点火，这是带有巨大风险的课题，也是水冷壁水煤浆气化炉能否可行的关键所在。

凭借我们多年在水煤浆气化炉烧嘴方面丰富的研制经验和强大的科研生产能力，以及熔渣－非熔渣水煤浆气化炉开发过程中的成功合作，无论是清华大学，还是丰喜集团公司，均寄予厚望。在烧嘴及点火方案研制开发的同时，水冷壁水煤浆气化炉的工程设计和建设就在同步进行，这充分说明了对我们的高度信任。在接到该研制任务之后，我们清醒地认识到，如果该烧嘴及点火方案研制不成功，后果将会不堪设想。

从2009年年中开始，我们进行了大量的分析研究工作，最终确定了烧嘴的结构及点火方案，提出了 “自带点火装置的水煤浆加压气化工艺烧嘴装置”，确定了点火方案和具体点火流程，并同时申报了国家专利［5］。在此基础上，我们为丰喜集团提供了产品，烧嘴的基本结构见图2。

2011年8月22日，由我们提供的工艺烧嘴投用，使世界上首套水冷壁水煤浆气化炉在丰喜集团一次开车成功（图3），在行业内影响不小，取得了业内专家的高度认可。在祝贺丰喜集团的同时，我们也为自己的工作所取得的成绩感到自豪，同时也感谢丰喜集团对我们的信任。

水冷壁水煤浆气化炉的运行成功，可以将水煤浆气化工艺带入一个新的发展阶段。主要表现在以下几个方面。

（1）气化炉不再为耐火砖的更换不断的投入。

（2）可以提高气化炉的运行温度，使煤种的适应性得到进一步的放宽。

（3）气化炉不再需要预热过程，直接可以升温升压，节省费用。

2 自带点火装置的水煤浆加压气化工艺烧嘴结构及运行简介

图2为水冷壁水煤浆气化炉设计的工艺烧嘴结构简图，和普通水煤浆气化炉工艺烧嘴的结构基本一致，目的是为了在正常工作状态下满足水煤浆雾化及稳定燃烧的需要。其特征是在中心氧管道的内部安装了电点火棒和导向机构，而在另一端烧嘴的出口加装了一套电点火棒的伸缩机构（气动执行机构）以及高压动密封机构，以保证电点火棒的就位和复位，从而不至影响工艺烧嘴在正常工作状态下的运行。

图2 工艺烧嘴结构简图

图3 丰喜集团采用自带点火的水煤浆烧嘴装置示意

该烧嘴设计的基本出发点是，首先利用中心氧气管路输送一定量的燃气（液化气、天然气或其他可燃气体，比如合成氨系统的弛放气等），和外主氧管路输送的纯氧形成可燃环境，将电点火棒伸出到一定位置后通电，利用电火花的能量将燃气与纯氧的混合物点燃，形成高温的火焰区域，再将水煤浆送入该高温的火焰区域，使其燃烧（同时增加外主氧的流量，以满足燃气和水煤浆的共同需要），在水煤浆被点燃之后，逐渐减小燃气流量（同时逐渐加大水煤浆流量），最终在水煤浆与外主氧达到稳定燃烧状态后，对中心氧通道利用氮气（或二氧化碳气体）进行必要吹除及置换，逐渐供应中心氧气。最后，调整中心氧、外主氧、水煤浆流量，达到稳定的气化要求。

图4为烧嘴的工作流程简图。氮气的吹除接口要尽量靠近中心氧阀门的出口，以便燃气阀门关闭后将管路中的残余燃气置换和吹除干净，避免管路中残余燃气与氧混合，造成安全隐患。

图5为工艺烧嘴工作逻辑要求。当燃气与外主氧混合物的点火出现失败时，需要将系统吹除干净后重新点火。若煤浆投入后未被点燃，也需要重新启动点火程序。因此，在制定操作规程和确定工艺参数时，燃气流量、外主氧流量、水煤浆流量、中心氧流量、置换和吹除氮气流量等均需要严格控制，以保证点火环境和着火条件。

图4 工作原理图

该工艺烧嘴的点火过程设计要求如下。

点火程序启动之前，所有阀门处于关闭状态。

在气化炉的启动过程中，烧嘴的点火程序远比上述程序复杂得多，所有阀门的开度，各种物料的流量、压力及燃气的火焰温度等参数均需要严格控制和联锁。据丰喜操作现场的调整结果，从点火过程开始至达到正常工作状态大约需要3h，而大约5h系统就可产出粗煤气。气化炉系统从点火开始，升温和升压同步进行，不需要抽引器使炉膛呈负压，也不需要更换烧嘴，极大地方便了操作并减少了大量的能源浪费。

图5 工艺烧嘴工作逻辑图

3 结 论

水冷壁水煤浆气化炉的运行成功，其核心设备 “自带点火装置的水煤浆加压气化工艺烧嘴装置”起到了极为关键的作用，为这一工艺技术的发展提供了有力的技术支撑，有条件的话可以进一步提高水煤浆气化炉的操作温度，为适应更多的煤种（特别是高灰熔点煤）提供了可能。

该工艺烧嘴本体如果也采用与我们研制的“长寿命水煤浆烧嘴”相结合的方式来设计及制造，无疑会为水煤浆气化工艺提供更有竞争力的技术支撑。

据了解，清华大学目前正着手对已有耐火砖的水煤浆气化炉改为水冷壁结构进行设计，如果能够顺利实施改造，可以预见，一定会为采用水煤浆气化的用户提供更可靠、更经济的运行装置。

［1］贺永德主编.现代煤化工技术手册 ［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］章荣林.怎样选择煤气化技术 ［J］.氮肥与甲醇，2007，2（2）：1～7.

［3］刘孝弟，尹润生.改进水煤浆气化工艺的一些思考 ［J］.大氮肥，2009，32（4）：222～227.

［4］刘孝弟，王岳，李兵科.水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的探讨［J］.化肥工业，2009，36（2）：20～23.

［5］王岳，刘孝弟，宋晓峰等.自带点火装置的水煤浆加压气化工艺烧嘴装置：中国，ZL200920219759.3［P］.