作者：刘强，刘晓兵。
作者简介：刘强，男，1984年8月出生，本科学历，工程师，2009年毕业于黑龙江科技学院化学工程与工艺，现在中海石油华鹤煤化有限公司气化部从事工艺技术管理工作。
摘要：分析烧嘴压差频繁波动的原因，通过将工艺烧嘴改造为高压差烧嘴，达到减少或杜绝因烧嘴压差频繁波动导致气化炉停车或工艺烧嘴盘管烧穿的目的，延长工艺烧嘴的使用寿命及气化炉运行周期，实现生产装置的安全、稳定运行。
关键词：气化炉 工艺烧嘴 烧嘴压差 高压差烧嘴
1概述
工艺烧嘴是水煤浆气化装置的核心设备，煤浆与空分装置来的氧气经工艺烧嘴混合雾化后进入气化炉上部的燃烧室，进行部分氧化还原反应。影响工艺烧嘴使用寿命的一个重要因素是烧嘴压差，烧嘴压差是煤浆入炉前压力与气化炉压力的差值，如果烧嘴压差频繁波动，会大幅缩短烧嘴的使用寿命，严重时会导致烧嘴冷却水盘管烧穿，造成气化炉停车。
工艺烧嘴为三流式套管结构，喷头处设有冷却盘管，中心管走氧气，中间套管环隙走煤浆，外套环隙走氧气，如图1所示。
图1 工艺烧嘴结构
中心管的氧气和外套管环隙的氧气与煤浆在喷头处混合，在氧气冲击下，煤浆以高速雾化形式喷入气化炉，达到雾化煤浆的效果。中心管的氧气比例一般控制在总氧量的15%~25%，控制过小无法对煤浆起到稀释和加速作用，导致煤浆雾化效果差，燃烧不充分。控制过大会导致中心管的喷头磨损严重，同时物料出烧嘴后轴向速度变大，径向速度变小，导致气化炉内火焰变得细长，物料在气化炉停留时间变短，转化率降低，残炭增加。
2烧嘴压差低
中海石油华鹤煤化有限公司气化炉运行一段时间后烧嘴压差就开始出现频繁波动，经常会出现烧嘴压差降为0，甚至负值，烧嘴压差变低，火焰变短，炉膛温度上移，严重时拱顶超温或炉壁局部超温，有时会导致烧嘴冷却水盘管烧穿，存在很大的安全隐患。
气化炉运行过程中烧嘴压差运行数据、变化趋势和工艺烧嘴运行前、后尺寸分别如表1、图2和表2所示。
图2 烧嘴压差运行趋势
从表1、图2、表2可以看出：①随着系统运行时间的增长，同负荷下烧嘴压差逐渐降低，负荷为34m3／h时，气化炉刚运行时烧嘴压差约370kPa，运行1个月后烧嘴压差约310kPa，同负荷下烧嘴压差降低约60kPa；②气化炉运行15d左右，烧嘴压差开始频繁波动，经常波动至0，后期波动更为频繁，气化炉平均运行45d就需停车更换工艺烧嘴；③工艺烧嘴运行后外氧环隙变小，中喷头尺寸变大。
3原因分析
中喷头磨损严重，煤浆喷头处尺寸变大。烧嘴运行一段时间后，由于喷嘴口受热，逐渐导致氧气外环隙内缩变小，在氧气流量不变的情况下，喷头处通道变小，出喷头流速变大，由于氧气流速增加，对煤浆腔具有“抽负压”作用，导致煤浆腔内平衡被打破，腔体内形成微负压，从而导致煤浆流速变大，动能变大，静压能降低，煤浆入炉前压力降低，从而导致烧嘴压差降低。同时由于煤浆流速变大，煤浆内含有大量的固体颗粒，不断加速了煤浆喷头处通道的冲刷和磨损，导致中喷头和内腔磨损严重，煤浆喷头处尺寸变大[1]。由于烧嘴压差波动，气化炉内火焰变短，炉温上移，加剧了烧嘴头部的烧蚀和冲刷，从而形成恶性循环。
4解决措施
4.1确定高压差烧嘴尺寸
针对烧嘴压差低，工艺烧嘴运行周期短的问题，通过对造成烧嘴压差低的原因分析，对现有工艺烧嘴进行优化调整，决定将当前烧嘴升级改造为高压差烧嘴。
水煤浆加压气化反应由炉内混合过程决定，在物料工艺条件、炉体结构和尺寸一定的情况下，炉内流场分布、雾化好坏由工艺烧嘴的设计结构决定。工艺烧嘴喷头三通道性能优化改造案例在行业内已有应用，但同时能够实现提高煤浆入炉前压力与气化炉炉膛压差、降低氧气入炉前压力与气化炉炉膛压差双重效果的技术研究还属首次。烧嘴改造以实现较高的烧嘴压差、较好的雾化效果为目标，以优化工艺烧嘴流动参数及流场状态为手段，将烧嘴关键尺寸较原设计缩小10%左右，同时优化物料流通型面，进而实现较好的流动效果及设计要求。
1）优化烧嘴结构尺寸。根据水煤浆和氧气相关物性和流量参数要求，确定内氧通道压降、煤浆通道压降、外环氧通道压降，以保证最佳雾化状态为目的，合理控制水煤浆与氧气的反应保证气化工艺的产品品质。综合考虑中喷头磨损、外喷头的烧蚀，兼顾烧嘴寿命，最终确定内喷嘴氧流速度、中喷嘴煤浆流速度、外喷头环氧流速度，获得内喷嘴尺寸、中喷嘴尺寸、外喷嘴尺寸及相互关联配合尺寸。
2）工艺烧嘴与气化炉的匹配性。通过成熟的CFD数值模拟计算，分析比较炉内火焰造型，研究燃烧状态对工艺烧嘴、气化炉拱顶、侧壁砖、渣口砖的冲刷速率，研究有效气成分、气化炉温度场分布等影响因素。
通过流体力学和反应动力学计算理论，建立可靠的数值模拟计算模型，获得精确的CFD热力学和流体力学数值模拟计算结果，对计算结果进行完整的分析、对比研究，根据研究结论进一步优化工艺烧嘴喷头结构设计方案，从而最大程度的提升烧嘴设备的综合使用效率。通过不断研究和CFD数值模拟计算，最终确定高压差烧嘴尺寸。煤浆喷头尺寸由32.5mm缩小至26.0mm，外氧喷头出口尺寸由44mm缩小至41mm，外环氧间隙由3.175mm增大为3.556mm，煤浆喷头缩入深度由4.5mm减小至2.3mm。
4.2高压差烧嘴运行情况
工艺烧嘴改造为高压差烧嘴后进行测试，观察使用高压差烧嘴系统的运行情况，B气化炉开车使用高压差烧嘴，因后系统问题，B气化炉被迫停车，运行周期82d，B气化炉停车后更换工艺烧嘴继续运行。使用高压差烧嘴气化炉运行过程中烧嘴压差运行数据、变化趋势和工艺烧嘴运行前、后尺寸分别如表3、图3和表4所示。
图3 高压差烧嘴运行趋势
从表3、图3和表4可以看出，B气化炉使用高压差烧嘴期间，运行70d后烧嘴压差开始出现波动，最低为100kPa，发生波动时能瞬间恢复正常，烧嘴压差整体运行平稳，实现了工艺烧嘴使用周期达到80d的预期目标。
4.3工艺烧嘴改造前、后对比分析
1）高压差烧嘴外环氧环隙尺寸的增大，降低了由于氧气外环隙运行过程中内缩变小而对煤浆腔的“抽负压”作用。
2）高压差烧嘴运行82d后，煤浆喷头内径增大至29.66mm，比原工艺烧嘴运行前煤浆口内径32.40mm还小2.74mm，这就确保了煤浆出口压力，从根源上确保高烧嘴压差，避免了烧嘴压差的频繁波动。
3）在气化炉煤浆投放量达到33m3／h时，烧嘴压差可达到500kPa以上，烧嘴中喷头端面内缩量不大于2.6mm。
4）烧嘴结构比例变化后，生产能力未降低。
5）减少烧嘴压差波动对气化炉拱顶砖的烧蚀，增加拱顶砖的使用寿命。
6）同等条件下，烧嘴的使用周期提高到了80d。
高压差烧嘴在B气化炉完成测试后，分别在另外2台炉进行测试，运行期间烧嘴压差运行平稳，烧嘴使用周期均达到80d，现已将6台工艺烧嘴全部改造为高压差烧嘴。
5结束语
通过对烧嘴压差频繁波动的原因分析，对工艺烧嘴结构尺寸进行优化，从根本上解决了烧嘴压差频繁波动对生产造成的影响，延长了工艺烧嘴的使用周期，为气化炉的长周期稳定运行打下了坚实的基础，也为整个生产系统的稳定、高效运行提供了有力保障。
参考文献
[1] 李晓鹏，王晓伟. 单喷嘴水煤浆加压气化炉工艺烧嘴压差波动的探讨[J]. 煤化工，2017，45（2）：62-65.
ANALYSIS AND TREATMENT OF LOW PRESSURE DIFFERENTIAL ON COAL SLURRY GASIFIER BURNER
Liu Qiang，Liu Xiaobing
（CNOOC Huahe Coal Chemical Co.，Ltd.，Hegang 154100）
Abstract：The cause of frequent fluctuation of pressure differential on the burner was analyzed. Changingthe process burner to high pressure differential burner，the fluctuation that might lead to gasifier shutdown or burnt damage of burner coil was decreased，or even eliminated，so the life of the burner and the gasifier operation cycle were prolonged，which will help to achieve the safe and steady operation of the plant.
Key words：gasifier；process burner；burner pressure differential；high pressure differential burner
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