蓄熱式水煤漿氣化爐燒嘴的方案研究

劉孝弟 ，顧學(xué)穎，王 東 ，石建新，徐玉坤

（1．北京航天動力研究所，北京 100076；2.安陽盈德氣體有限公司，河南 安陽 456400；3.首都航天機械有限公司，北京 100076）

引 言

20世紀(jì)40年代，美國德士古發(fā)展公司（Texaco Development Corporation）在重油氣化的基礎(chǔ)上發(fā)展了水煤漿加壓氣化技術(shù)，目前該技術(shù)已成為煤潔凈利用的主要技術(shù)之一，尤其在我國，通過引進、消化、吸收、改進、工程放大、工藝優(yōu)化等措施，已在煤化工領(lǐng)域占據(jù)了重要的份額。

水煤漿氣化爐在設(shè)計之初，采用的點火方式有兩種，即兩步方案和一步方案。兩步方案：利用預(yù)熱燃燒器（燃料氣+空氣）將爐膛加熱到900℃，更換工藝燒嘴將爐膛進一步加熱到1 400℃后，切換成水煤漿+氧氣，使氣化爐開始正常運行[1]。一步方案：利用預(yù)熱燃燒器（燃料氣+空氣）將爐膛溫度一步加熱到1 300℃以上，然后迅速取下預(yù)熱燃燒器，將水煤漿工藝燒嘴安裝到位，利用燒嘴將水煤漿和純氧混合充分，利用高溫耐火磚爐膛的熱輻射將水煤漿和氧氣的混合物加熱到著火點（由于煤種的不同和水煤漿濃度的差異，該著火點會有一定的變化，一般水煤漿與純氧混合物達到1 000℃以上就可以實現(xiàn)穩(wěn)定著火）。目前廣泛使用的是一步方案，但兩種方案存在同樣的問題，即在爐膛加熱階段，需要大量的潔凈燃料氣（弛放氣、天然氣或液化石油氣）來加熱氣化爐并使耐火磚得到蓄熱，同時需要配備引射器來排放爐膛煙氣，以保證爐膛的負(fù)壓（或微正壓）狀態(tài)，造成了不得已的浪費。

清華爐（晉華爐）在爐膛內(nèi)采用了水冷壁結(jié)構(gòu)，沒有傳統(tǒng)氣化爐膛內(nèi)耐火磚的蓄熱過程，需要利用自帶點火功能的水煤漿氣化爐工藝燒嘴來使水煤漿與氧氣混合物達到著火溫度，從而實現(xiàn)氣化爐的冷啟動過程。其原理是：利用高壓電點火器將部分氧氣和點火燃料氣（弛放氣、天然氣或液化石油氣）的混合物點燃，形成的穩(wěn)定火焰將隨后通過工藝燒嘴加入的水煤漿和氧氣的混合物點燃并形成穩(wěn)定的燃燒，最終將點火器和點火燃料氣撤除后氣化爐達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，能夠保證氣化爐的升溫、升壓同時進行。升溫過程能夠回收所有煙氣中的有效氣體成分和全部熱能,同時減少開車的工序和用時，因此在新建的工程項目中得到了廣泛的使用[2]。

本文提出一種新的理念和新的水煤漿氣化爐工藝燒嘴結(jié)構(gòu)和配套系統(tǒng)，利用燃料氣加熱后（或同時加熱氧氣）的內(nèi)在蓄熱功能，實現(xiàn)水煤漿氣化爐的點火，使升溫、升壓過程同時進行，簡化開車程序，節(jié)約潔凈燃料氣的用量，避免氣化爐啟動階段的熱量損失和有效氣體成分的損失。

1 理念提出的理論基礎(chǔ)

燃料的著火分為兩種方式，即自然（熱力）著火和強迫著火。自然著火有兩個條件：可燃混合物有一定的能量儲存過程；可燃混合物的溫度不斷提高[3]。強迫著火就是利用電火花（或其他點火源）或熾熱物體來加熱局部的可燃混合物的著火方式。清華爐（晉華爐）就是先利用電火花將氧氣和點火燃料氣點燃，再將水煤漿與氧氣的混合物噴射進燃料氣與氧氣形成的高溫火焰中而形成著火，兩個過程均屬于強迫著火。傳統(tǒng)水煤漿氣化爐的啟動方式，水煤漿和氧氣的混合物能夠在加熱后的爐膛里穩(wěn)定著火燃燒，則是利用了熾熱物體（耐火磚）的加熱使其強迫著火。

筆者提出的設(shè)計理念的理論基礎(chǔ)就是充分利用可燃物達到著火溫度，同時滿足氧氣濃度（著火濃度極限范圍內(nèi)）的條件。著火濃度極限即在一定的溫度和壓力條件下，不做進一步的點火，就能夠無限燃燒已燃的氧化劑-燃料混合物的化學(xué)計量成分的極限（極大的和極小的）值[4]。只要氧化劑-燃料混合物的成分處于該極限之內(nèi)，就可以維持穩(wěn)定的燃燒過程，水煤漿氣化爐利用耐火磚蓄熱的過程，就是為了使水煤漿和氧氣（處于著火濃度范圍內(nèi)）的混合物達到著火點溫度而采取的原始設(shè)計方案。

化工系統(tǒng)常用的有機物的自燃溫度（著火溫度）可以從有關(guān)文獻資料中得到，常用的點火燃料氣單一組分的自燃溫度見表1。

表1 常用點火燃料氣單一組分的自燃溫度 ℃

注：文獻[5]中給出的溫度沒有指明是空氣中的燃點，還是純氧中的燃點；文獻[6]和[7]給出的溫度值為空氣中的燃點，括號內(nèi)為純氧中的燃點；文獻[6]給出的CO在純氧中的燃點可能有誤。

甲烷（天然氣主要組分）與純氧反應(yīng)式見式（1）：

要想使某溫度（T0）的氧氣與甲烷形成一定比例的混合物溫度達到600℃（為了安全著火和簡化計算，取整數(shù)），則甲烷的加熱溫度（不考慮熱損失）就很容易得出。

實際上，可燃?xì)怏w在純氧中具有一定的著火濃度范圍，文獻[8]給出的甲烷與氧氣的混合物著火濃度極限為：氧氣的體積分?jǐn)?shù)為39%～95%。

由于無法得到完整的物性參數(shù)，僅進行定性計算，常溫（300 K）、常壓（大氣壓）下氧氣和甲烷的比容分別取 0.768 8 m3/kg[3]、1.552 m3/kg[4]；定壓比熱分別取1.001 kJ/（kg·K）[0.239 1 kcal/(kg·K)]、3.406 kJ/（kg·K）[0.813 6 kcal/(kg·K)][3]。

氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%時，甲烷與氧氣的質(zhì)量比可以計算得出為0.742 8。根據(jù)上述參數(shù)，計算得到使氧氣與甲烷的混合物溫度達到600℃時甲烷需要的加熱溫度，結(jié)果見表2。

表2 氧氣與甲烷的混合物溫度達到600℃時需要的甲烷加熱溫度

加熱甲烷（或同時加熱氧氣）僅為了使混合物達到著火溫度，只要保證達到著火的濃度范圍，著火時需要的甲烷和氧氣流量并不重要，如果采用電加熱器的話，對其加熱能力（加熱器的功率）沒有過多的要求，消耗的電能是一個可控的因素。

如果氧氣也能同時加熱到600℃的話，問題就會變得非常簡單，這樣就可以隨意地調(diào)整點火時的混合比，使著火更加容易實現(xiàn)。

通過加熱使處于著火濃度范圍內(nèi)的氧化劑-燃料混合物著火，是筆者團隊提出“蓄熱式水煤漿氣化爐燒嘴”的理論基礎(chǔ)，目的是實現(xiàn)水煤漿氣化爐在冷態(tài)環(huán)境下的點火，使升溫、升壓過程同時進行，大大節(jié)約氣化爐啟動過程中潔凈氣體燃料的用量。

2 蓄熱式水煤漿氣化爐工藝燒嘴結(jié)構(gòu)和方案

目前廣泛使用的水煤漿氣化爐工藝燒嘴的頭部示意圖見圖1。燒嘴頭部共有三個通道，分別為外環(huán)的主氧通道、中環(huán)的水煤漿通道、內(nèi)環(huán)的輔助氧通道[2]。上述提出的設(shè)計理念具體的實施方案有以下兩種。

圖1 常用水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部示意圖

2.1 燃料氣加熱方案

燃料氣（氧氣）加熱工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。直接加熱（電加熱器是最簡單可行的方案）燃料氣，使點火燃料氣達到一定溫度，通過燒嘴的內(nèi)環(huán)通道進入燒嘴，在外環(huán)通道里供入相應(yīng)的氧氣（可同時加熱），使混合物的溫度達到或超過著火溫度，同時滿足混合物濃度處于著火范圍，在燒嘴出口就會實現(xiàn)著火。形成穩(wěn)定燃燒后，可停止燃料氣（和/或氧氣）的加熱。為了使氣化爐爐膛內(nèi)形成必要的高溫環(huán)境而使水煤漿與純氧著火，最終的燃料氣供應(yīng)量也須達到一定的要求[2]。

在燃料氣和純氧形成穩(wěn)定的火焰之后（通過觀火孔或熱電阻確定），利用中環(huán)通道供應(yīng)水煤漿，同時按比例加大外環(huán)的氧氣流量，使水煤漿和氧氣的混合物著火。此后，撤除內(nèi)環(huán)的燃料氣供應(yīng)（同時適當(dāng)減小外環(huán)氧的對應(yīng)量），使中環(huán)的水煤漿和外環(huán)氧形成穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，切掉內(nèi)環(huán)的燃料氣后，利用小流量的氮氣置換內(nèi)環(huán)通道內(nèi)的燃料氣，以免引起內(nèi)爆。最后，在內(nèi)環(huán)實施氧氣供應(yīng)的同時，加大中環(huán)水煤漿的供應(yīng)，使整個工藝燒嘴達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，氣化爐由冷態(tài)、常壓逐步實現(xiàn)升溫和升壓。整個過程不需要爐膛的負(fù)壓環(huán)境，因此原設(shè)計的引射器就可以停用，所有燃料氣燃燒后的熱量和氣體成分均可以得到有效利用，點火用燃料氣的消耗量也會大大減小。

圖2 燃料氣（氧氣）加熱工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 燃?xì)獍l(fā)生器方案

氣化爐啟動時，爐膛一般處于常壓狀態(tài)，因此可以在內(nèi)環(huán)氧氣供應(yīng)管入口處，安裝一臺小型燃?xì)獍l(fā)生器（點火燃料氣+純氧），燃燒后的產(chǎn)物保證燃料氣有所過剩，只要滿足與外環(huán)氧氣混合后處在燃料氣的著火濃度極限范圍內(nèi)，就可以形成穩(wěn)定的火焰。此后逐漸停止該燃?xì)獍l(fā)生器的氧氣供應(yīng)，后續(xù)的操作過程與2.1方案相同。配套燃?xì)獍l(fā)生器工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 配套燃?xì)獍l(fā)生器工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

燃?xì)獍l(fā)生器的工作條件和工作要求，可以根據(jù)成熟的熱力學(xué)軟件進行準(zhǔn)確的計算得到。在此，利用ASPEN PLUS軟件對甲烷和純氧的燃燒過程進行分析，得出燃?xì)獍l(fā)生器的有關(guān)理論操作要求。假定絕熱條件，甲烷和氧氣燃燒反應(yīng)的理論燃燒溫度如圖4所示。

圖4 甲烷和氧氣燃燒反應(yīng)的理論燃燒溫度

加熱燃料氣（或同時加熱氧氣）的溫度和燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)混合物溫度越高，對自燃著火越有利，但過高的溫度，必然會對燒嘴的管道材料形成一定的影響。由于點火時間較短，對于常用的Inconel600或者Inconel800管道材料來說，該影響因素基本不會引起問題，工藝燒嘴的硬密封材料也不會受到影響。如果需要的話，將內(nèi)環(huán)的純氧供應(yīng)管路更換成高溫適應(yīng)性更好的材料，也是可以考慮的補償措施之一。

上述兩種方案均將燃料氣加熱器（燃?xì)獍l(fā)生器）安裝在工藝燒嘴的外環(huán)氧氣管路上，操作方法和工作原理相同。具體如何實現(xiàn)，可以根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的安裝和使用條件而定，總之，將運行安全、操作方便、節(jié)省投資作為首先考慮的因素。需要注意的是，無論采用哪一種方案，點火過程完成后，需要保持燃料氣和氧氣工作一段時間，一方面使?fàn)t膛內(nèi)形成穩(wěn)定的高溫環(huán)境，另一方面，和水煤漿流道接觸的管路溫度也需要降低到一定范圍，否則會使水煤漿內(nèi)的水分閃蒸，另外也會引起水煤漿在熱管路內(nèi)的黏結(jié)，這些都是需要考慮的。

3 有關(guān)參數(shù)的數(shù)值仿真模擬

為了驗證以上的思路，利用有關(guān)的熱力學(xué)軟件，對甲烷與氧氣加熱著火燃燒的過程進行了相應(yīng)的數(shù)值仿真模擬計算[9]。

根據(jù)反應(yīng)式（1），設(shè)置甲烷燃燒反應(yīng)阿倫尼烏斯公式中指前因子為2.119×1011，活化能為2×105J/mol。

利用FLUENT軟件，設(shè)置必要的邊界條件，對甲烷+氧氣的自燃著火過程實現(xiàn)比較可靠的數(shù)值模擬。不同摩爾比對應(yīng)的甲烷在純氧中的燃點模擬結(jié)果見表3，燃點仿真結(jié)果折線圖見圖5（圖中虛線為摩爾比及燃點數(shù)值的多項式擬合趨勢線）。

表3 不同摩爾比對應(yīng)的甲烷在純氧中的燃點模擬結(jié)果

圖5 燃點仿真結(jié)果折線圖

從圖5可以看出：（1）甲烷在氧氣中的燃點隨甲烷量增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢；（2）甲烷與氧氣摩爾比為 1∶2時（化學(xué)式當(dāng)量比），燃點最低；（3）在非化學(xué)當(dāng)量比情況下，甲烷與氧氣摩爾比由小變大時，甲烷燃點呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率為Δt1；經(jīng)過化學(xué)當(dāng)量比后，甲烷燃點呈現(xiàn)上升趨勢，上升速率為Δt2；可以看出

表3和圖5的結(jié)果顯示，甲烷與氧氣混合物的自燃溫度與表1的數(shù)值有約100℃的差距，這和計算過程的模型選取、原始參數(shù)的確定、計算網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)計、判斷CO2生成速率的依據(jù)等因素有關(guān)，但是甲烷與氧氣混合物經(jīng)過加熱后形成自燃的機理得到了驗證，自燃溫度與兩種氣體混合比的關(guān)系有了明確的結(jié)論，實際的著火溫度還需要進一步的實驗驗證。

4 結(jié) 語

從燃料著火的基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合筆者多年來從事的工作經(jīng)歷和研究，提出了一種新的水煤漿氣化爐點火方案，給出了完整的思路和實施流程，具體實施前還需要進行有關(guān)的蓄熱點火實驗和流程優(yōu)化，也需要總體設(shè)計單位進行可行性研究及技術(shù)論證，在水煤漿氣化爐的現(xiàn)場還需要進行一系列的改造和設(shè)備配套。任何一種新的工藝和流程的最終成型，要靠設(shè)備研究單位、工程設(shè)計單位、設(shè)備使用單位的緊密配合及不斷完善才能發(fā)揮作用，因此，后續(xù)工作的深入進行和詳細(xì)研究是極其重要的，本文提出的設(shè)計理念能否最終成為現(xiàn)實，為水煤漿氣化爐的發(fā)展提供有益的幫助，還需要多方面的共同努力和通力合作。