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1、合成氨部HCA-ZLW-2010-061德士古气化炉闭式升温烧嘴（Z1302A/B/C）系统一、 总则本方案规范阐述了预热烧嘴的作用、形式以及工艺条件。预热烧嘴的加工方法以及管道、管件的使用压力等级和材料选用，均需依据有关压力容器制造规范。二、 流程说明在开车时，气化炉升温阶段用预热烧嘴（Z1302A/B/ C）临时替换工艺烧嘴（Z1301A/B/C） ，用石油液化气作燃料，空气辅助燃烧，对气化炉进行升温。用蒸汽驱动开工抽引器（J1301A/B/C）,使气化炉内形成微负压，蒸汽和燃烧后的尾气经过开工抽引器（J1301A/B/C）后排入大气。气化炉投料时要求的最低炉温为 1000。如果气化炉投料
2、前炉温降至 1000以下进行，气化炉投料会对气化炉耐火材料造成过度“热震击” ，避免出现投料不成功的情况，气化炉炉温在 1000以上时投料。三、 设备、工艺条件数据表INCONEL-600产品产地：美国/德国/ 日本主要成分：77Ni-16Cr -6FeINCONEL 600 的高镍成分使合金具有非常强的抗氯化物应力裂变腐蚀能力，以及在还原状态下可维持其高耐蚀性及在碱溶液中亦具有很强的耐腐蚀能力。同时因含铬，所以在氧化性环境下耐腐蚀性更胜纯镍。INCONEL600 是一种镍基合金，是 Ni-Cr-Fe 合金系列的代表性材料，其成分大致为Ni75%， Cr16%，Fe8%。Inconel 600
3、 的力学性能与普通奥氏体不锈钢 304 相近镍合金:又称蒙乃尔合金，是一种以金属镍为基体添加铜、铁、锰等其它元素而成的合金。蒙乃尔合金耐腐蚀性好,呈银白色 ,适合作边丝材料。 蒙乃尔合金的用途 蒙乃尔 400 合金的组织为高强度的单相固溶体,它是一种用量最大、用途最广、综合性能极佳的耐蚀合金。一、工艺烧嘴（Z0402） 结构说明a所有与氧气接触的部件材质选用Inconel600不锈钢。b烧嘴加工方法以及管道和管件主要使用压力等级，依据有关压力容器制造规范。c所有螺栓孔跨在中心线上。d烧嘴装运前，烧嘴所有表面用三氯乙烷进行彻底脱脂。 e烧嘴水压试验依据施工规范。f所有焊缝依据施工规范进行测试。
4、g所有配管及管件采用无缝管。 合成氨部HCA-ZLW-2010-062h装配法兰下方的烧嘴部件必须能够放入内径为320mm的耐火材料炉颈部。 设计操作条件NOC DC烧 嘴 等 级温度 压力 MPa 温度 压力 MPa氧气接管 30 8.2 60 8.5煤浆接管 50 7.8 80 8.2冷却水接管（入口） 40 1.6 425 7.15烧嘴整体装配 - - 425 7.15气化炉壳体 280 6.5 425 7.15二、预热烧嘴（Z0401A/B/C） 预热烧嘴的作用预热烧嘴用于气化炉耐火材料安装就位后的养护干燥，以及将气化炉从常温预热至约 1300。预热烧嘴也用于气化炉保持热备状态即恒温阶
5、段。 预热烧嘴的形式预热烧嘴为抽风倒焰式预热烧嘴。 预热烧嘴的工艺要求燃料：本设计使用石油液化气为主燃料。放热量：12560 MJ/h（针对单台预热烧嘴） 预热烧嘴的机械要求a.烧嘴应适于装在气化炉结构图中所示的气化炉顶部法兰上。b.烧嘴应 设 计 一 只 顶 部 吊 耳 ， 便 于 通 过 电 动 葫 芦 将 其 装 入 气 化 炉 或 从 气 化 炉 中 吊 出 。c.最小放热量应为上述满负荷放热量的 10。负荷变化范围应为满负荷放热量的10100。d.仪表及控制系统的有关要求应与用户要求及有关此类设备的标准相一致。e.烧嘴壳体采用碳钢。由供货厂商确定喷管材质。f.预热烧嘴应设计点火口，以
6、便进行手动点火。g.要求提供以下控制系统以便对预热烧嘴进行调节控制： 调节点火气体需要的自调节式压力调节阀（PCV） 。 压力显示表（现场） 。 手动流量调节阀。 流量显示表（现场） 。气化炉材料说明合成氨部HCA-ZLW-2010-0631. 耐火材料的分布种类及所在部位如下：A. 向火面耐火 砖 ： 直 接 受 气 化 反 应 生 成 的 粗 合 成 气 及 熔 渣 作 用 的 高 铬 耐 火 材 料 （ Cr-90，重量6.85T，密度 1.4g/cm3） 。B. 绝热层耐火砖：紧靠向火面耐火砖外侧设置（ Cr-10，重量 6.85T，密度 1.4g/cm3） 。C. 保温层隔热砖：紧靠
7、绝热层耐火砖外侧设置，用以降低气化炉壳体温度的耐火材料（低硅钢玉，重量 6.85T，密度 1.4g/cm3） 。D. 烧嘴接入口：气化炉反应室顶部安装烧嘴的部位。E. 耐火衬里拱顶部：气化炉反应室上部位于耐火材料直筒部与烧嘴安装口之间的部位。F. 耐火衬里直筒部：沿气化炉反应室直筒部设置的耐火材料。G. 耐火衬里锥底部：气化炉反应室底部流道缩小的部位，此处形成粗合成气流。H. 耐火衬里下炉口部：位于气化炉反应室耐火衬里下锥底与粗合成气激冷室之间的部位。2. 工艺要求A. 向火面耐火材料应能承受气化炉反应室正常操作温度条件下熔渣的侵蚀作用，使用寿命不应低于 12000 小时。且能承受气化炉反应室
8、操作温度短时间剧升至 1540条件下的高温作用。B. 耐火材料设计应使气化炉炉壁温度比相应的水汽露点温度至少高 30，以防止气化炉炉壁及耐火材料发生露点腐蚀。气化炉炉壁最高温度，气化炉壁厚及材质情况下的最大应力等由气化炉设计者确定。C. 热传导曲线的有关计算应考虑粗合成气中氢气的分压。D. 设计一套气化炉炉壁温度检测报警系统，用以监测耐火材料发生故障，或出现高温粗合成气透过耐火材料层发生所谓“串气”的故障工况，有效的保护气化炉。气化炉烧嘴说明水煤浆加压气化技术由于高效、洁净，在我国备受关注并大量推广。但水煤浆气化的烧嘴连续使用寿命较短，制约了装置的长周期运行，并影响经济效益。为此，国内科研院所
9、、烧嘴使用单位等开展了大量的工作，从结构、形式、材质等多方面进行改进，期望提高使用寿命。本文作者多年来一直从事于水煤浆气化炉工艺烧嘴的研制工作，作为专题负责人，主持承担了“国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划专题合同：水煤浆气化炉烧嘴研制”，并成功应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司的水煤浆加压气化国产化装置。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），其烧嘴也由我们提供。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。本文作者全程参与了该项目的开发，在方案的选取、专利申请、气化炉结构的确定、工
10、艺烧嘴的设计及配置、二次补氧烧嘴的设计、配置等方面提出了建议,配套提供的专用工艺烧嘴和二次补氧烧嘴,为该工艺合成氨部HCA-ZLW-2010-064技术的工业实施作出了重要的贡献。本文作者就水煤浆气化炉工艺烧嘴研制方面所进行的一些工作和思考进行简单的介绍,同时对烧嘴的改进提供一些个人看法,仅供同行参考。1 工艺烧嘴的设计目前普遍采用的气化炉工艺烧嘴头部结构如图 1 所示。烧嘴的设计需要考虑的因素有以下。图 1 水煤浆气化炉工艺烧嘴头部典型结构（1）结构形式为同心三套管。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，同时其端面相对于烧嘴断面基准面有一定的缩入量，这样形成一个水煤浆和中
11、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，其目的是为了保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果。外氧管口的缩入量更大一些，目的是提供更高流速的氧气，使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。（2）流通通道无论是中心氧、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，力争达到良好的混合和雾化效果。但是，中心氧的比例有一定的限制，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。
12、中心氧量也不能太大，一方面，太大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加重，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，合成氨部HCA-ZLW-2010-065径向速度分量减小，其结果是使整个烧嘴出口的火焰变得细长，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停留时间变短，炉渣中的含碳量增加,引起气化效率降低，而且，会使火焰直冲炉底，影响炉底激冷环的工作。（3）流速中心氧的出口流速一般为 150180 m/s，煤浆出口流速一般为 24 m/s，预混合腔出口平均流速一般为 1220 m/s，外氧的出口流速一般为 160
13、200 m/s。2 影响烧嘴使用寿命的主要因素探讨根据多年来从事水煤浆气化炉工艺烧嘴研制的经验和工业化运行的生产实际情况，水煤浆气化炉工艺烧嘴的损坏方式主要有种：即冷却水盘管损坏；中喷头物理磨蚀；热、化学、应力使外喷头受损。以下逐一分析。2.1 冷却水盘管损坏冷却水盘管的作用是保护烧嘴（处于高温工艺气体的本体部分），冷却水盘管的外部环境恶劣。损坏方式一般有以下几种。（1）冷区水盘管和外喷头焊接处热应力损坏。原因是两个零件之间的连接为角焊缝焊接，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）形式的损坏。我们采取的改进措施是将角焊缝处改为同一种材料
14、，收到了一定的效果。如图 2 所示。图 2 改进的冷却水盘管合成氨部HCA-ZLW-2010-066（2）如果冷却水盘管内的冷却水温度控制不当，会造成盘管表面低温腐蚀，一般将冷却水温度控制在 170 以上比较合适，但实际工艺设计中，冷却水的作温度一般在 50以下，这样盘管表面就存在低温腐蚀。另外，盘管应选用高温性能稳定的材料，目前材料以 Inconel600 为最好。（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。（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，这些
15、积渣在烧嘴拔出时也会造成盘管的损坏，增加盘管的壁厚等级可以有效减轻这一损坏。2.2 中喷头的物理磨蚀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和整个工艺连续运行的主要因素之一。一般情况下，水煤浆气化炉工艺烧嘴连续运行 3060 天，就需要停炉检修和更换，因此，水煤浆气化工艺必须有备用炉，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，必须用一定量的氧气对水煤浆进行雾化，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，气体流速必须达到一定值。也就是说，预混合腔内的混合物（
16、水煤浆、氧气）流速必须达到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，造成中喷头内腔磨损。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是目前唯一可行的方法，当然还要考虑抗氧化性能。普遍采用的材料是 GH188 和 UMCo-50，但连续工作的时间也只有 3060 天。影响运行周期的因素很多，主要有煤种、生产负荷等。据悉有关单位已经研究成功了具有较长寿命的陶瓷材料中喷头，但还没有公开的报道。我们在中喷头的内腔表面喷涂抗物理磨蚀的硬质合金，对提高烧嘴的连续使用时间有一定的作用（见图 5b），有关试验工作还在继续进行。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，太大则混合物的轴向速度分量大,火焰就会细长,甚至直冲炉底，影响部分物料的停留时间，以及碳转化率，而且，从图 3 中也可以看出，混合物流速到达一定值后对雾化液滴尺寸的影响也会变得很小。合成氨部HCA-ZLW-2010-067图 3 水煤浆雾化
