水煤漿氣化爐新型工藝燒嘴冷卻機構的研制和應用

胡振中，畢大鵬，張建勝

（清華大學山西清潔能源研究院，山西 太原030032）

煤氣化是煤制化學品（合成氨、甲醇、乙二醇等）、煤制油、煤制氫、整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）、氣化聯合燃料電池發電（IGFC）的關鍵核心技術，其中，水煤漿氣流床氣化具有氣化壓力高、燃料輸送穩定等優勢，是煤氣化技術的發展方向[1]。

工藝燒嘴是水煤漿氣流床氣化爐的核心設備，承擔著將氣化工質（水煤漿和氧氣）連續穩定地輸送至氣化室并合理組織燃燒的任務。水煤漿氣化反應一般為劇烈的高溫高壓燃燒過程，氣化過程產生大量的高含固合成氣和熔融液渣。由于工藝燒嘴直接與氣化室相連，因此工作環境非常惡劣，燒嘴頭部端面直接暴露在1 500℃以上的高溫環境中，承受高強度的輻射熱負荷，長期工作極易因熱疲勞而產生裂紋，影響氣化爐的運行安全。通常，需要在工藝燒嘴外層套設冷卻機構，對燒嘴進行保護，但即便如此，工藝燒嘴的使用壽命一般也僅在60 d左右，制約了氣化爐的連續運行時間，對企業的經濟效益產生了明顯的影響，提升燒嘴的使用壽命已成為水煤漿氣流床氣化技術的熱點問題和重要發展方向。

在此背景下，本文以水煤漿氣化爐工藝燒嘴冷卻保護機構為研究對象，通過傳熱分析、建立模型，提出了一種基于增材制造（3D打?。┘夹g的新型高效換熱工藝燒嘴冷卻機構，并對該新型冷卻機構的性能和實踐效果進行了分析。

1 工藝燒嘴冷卻機構的特點

目前，水煤漿氣化爐工藝燒嘴采用飽和循環水進行冷卻，傳統的冷卻機構可分為盤管式和夾套式兩種形式。盤管式冷卻機構工藝燒嘴結構和端蓋處水流方向示意圖分別見圖1和圖2。該冷卻機構由內、外兩層螺旋盤管和頭部的水腔組成。螺旋盤管在燒嘴頭部嵌套形成冷卻水的進、出通道，冷卻水由內層盤管流至工藝燒嘴頭部一側后進入水腔，并從水腔另一側流出后經外層盤管返回冷卻水系統。在水腔內部，工藝燒嘴端蓋和管壁共同形成了環形的冷卻水通道（見圖2），冷卻水進入水腔后，在端蓋內壁做環形繞流運動，吸收來自氣化爐內高溫合成氣的熱量。

圖1 盤管式冷卻機構工藝燒嘴結構示意圖

圖2 盤管式冷卻機構工藝燒嘴端蓋水流方向示意圖

夾套式冷卻機構工藝燒嘴結構和端蓋水流方向示意圖分別見圖3和圖4。該冷卻機構由內、外兩層套管和頭部環形頂板組成。內、外層套管在燒嘴頭部通過環形頂板密封連接，形成冷卻水的進、出通道，冷卻水由內層套管流至工藝燒嘴頭部，經環形頂板折返后流入外層套管，返回冷卻水系統。在環形頂板內表面，冷卻水自內側流入后，沿環形頂板徑向流動至頂板外側（見圖4），進入外套管，吸收來自氣化爐內高溫合成氣的熱量。

圖3 夾套式冷卻機構工藝燒嘴結構示意圖

圖4 夾套式冷卻機構工藝燒嘴端蓋水流方向示意圖

2 傳熱模型的建立

水煤漿氣化反應是高溫高壓的放熱反應，氣化爐內反應溫度Tg高達1 500℃以上，工藝燒嘴通常在氣化爐頂部以法蘭連接的方式與氣化爐直接相連，工藝燒嘴頭部端面直接暴露在高溫環境中，所承受的熱負荷很大。

氣化爐內流場示意圖見圖5。氣化爐正常運行時，高速流動的氧氣攜帶著充分霧化的水煤漿自工藝燒嘴噴出，在離開工藝燒嘴一定距離的氣化爐中心位置形成主射流區（高速射流區），其內部發生劇烈的高溫燃燒氣化反應；而工藝燒嘴頭部端面附近，由于主射流的卷吸效應，形成以未反應的氧氣和水煤漿為主的低速回流區，因此，工藝燒嘴頭部端面承受的對流熱量所占份額很少，可以忽略不計，端面主要承受高溫合成氣的輻射熱量。

圖5 氣化爐內流場示意圖

工藝燒嘴頭部端面的傳熱和溫度分布示意圖見圖6。通常采用水冷的方式對端面進行保護，來自循環水系統的溫度為Tw的冷卻水流經溫度為Ti的端面內壁，吸收高溫合成氣傳遞來的熱量，使端面外壁維持在合理的工作溫度To，從而達到延長工藝燒嘴使用壽命的目的。上述熱量傳遞過程涉及輻射、傳導和對流3種傳熱方式，燒嘴頭部端面外壁主要接受高溫合成氣的輻射熱量Qrd；工藝燒嘴端面壁厚一般為8 mm～10 mm，內壁面與冷卻水接觸，由于冷卻水溫度低于高溫合成氣，在溫差的作用下，熱量由外壁通過傳導的方式傳遞到內壁（傳導換熱量Qcn），隨后被流動的循環冷卻水以對流換熱的方式帶走（端面內壁與冷卻水之間的對流換流量Qcv），從而完成整個冷卻換熱過程。

圖6 工藝燒嘴頭部端面傳熱和溫度分布示意圖

氣化爐內的組分極為復雜，同時存在合成氣體、液態渣、煤粉、飛灰等氣-液-固相高溫物質，由于水煤漿工藝燒嘴位于氣化爐頂部，在工藝燒嘴附近主要以高溫合成氣的輻射換熱為主。高溫氣體輻射具有強烈的光譜選擇性和容積性，其輻射特性與氣體種類、溫度、壓力、容積形狀等多種因素有關，Edwards的指數寬帶氣體輻射特性模型是被工程實踐證明較為準確的模型之一，該模型將氣體輻射在整個光譜范圍內按指數規律分成許多小間隔，并保證前后吸收系數相等，這樣可得到每個譜帶的一系列新的參數，并將譜帶的輻射強度與同溫度黑體輻射強度之比定義為合成氣的發射率。對于工藝燒嘴端面，將其表面的輻射強度與同溫度黑體輻射強度之比定義為燒嘴端面的發射率，則可按式（1）計算高溫合成氣和端面外壁之間的輻射換熱量。

式中：Qrd為輻射換熱量，W；σ0為斯特藩-玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/（m2·K4）；A為工藝燒嘴端部表面積，m2；Tg為合成氣平均溫度，K；To為工藝燒嘴端面外壁溫度，K；εg為合成氣發射率；εo為工藝燒嘴端面外壁發射率。

來自氣化爐內高溫合成氣的輻射熱量到達工藝燒嘴端面外壁后，在內外溫差的作用下，通過傳導的方式將熱量傳遞至端面內壁，傳導換熱量可按式（2）進行計算。

式中：Qcn為傳導換熱量，W；λ為燒嘴端部鋼材的導熱系數，W/（m·K）；Ti為燒嘴端面內壁溫度，K；δ為燒嘴端面厚度，m。

對于燒嘴端面內壁和冷卻水之間的對流換熱，可按式（3）計算對流換熱量[2]。

式中：Qcv為對流換熱量，W；h為對流換熱系數，W/（m2·K）；Acv為冷卻水和燒嘴內壁的接觸面積，m2；Tw為冷卻水平均溫度，K。

式（3）中的對流換熱系數h的影響因素眾多，如冷卻水的物理性質（黏度、密度、導熱系數等）、端面內表面的形狀和位置、冷卻水的流動狀態等。通常，對流換熱系數h和努塞爾數Nu之間的關系見式（4）。

式中：λw為冷卻水的導熱系數，W/（m·K）；Nu為努塞爾數；L為特征長度，m。

而對于端面內壁這類流體橫掠表面的對流換熱，Nu數可用式（5）進行計算。

式中：Re為雷諾數；Pr為普朗特數。

根據熱量傳遞過程的連續性，燒嘴端面承受的輻射換熱量Qrd、端面內外壁之間的傳導換熱量Qcn以及端面內壁和冷卻水之間的對流換熱量Qcv之間應滿足等式（6）。

根據式（1）～式（6），可通過迭代計算的方式計算出工藝燒嘴端面內壁溫度和外壁溫度。

燒嘴端面外壁溫度To是衡量工藝燒嘴冷卻機構效果的主要指標，良好的冷卻應該能使To降低并維持在一個合理的水平，從而保證工藝燒嘴能夠長時間運行而不開裂失效。

對于上述傳熱過程，冷卻水和端面內壁之間的對流換熱強度是影響工藝燒嘴冷卻效果的主要因素。由式（3）～（5）可知，對流換熱的計算關鍵在于求取Nu數，而對于相同的冷卻介質，Pr數是相同的，因此，影響對流換熱的主要因素是Re數。

對于不同的冷卻機構，冷卻水在端面內壁的流動狀態是不同的，導致Re數存在顯著的差別，進而表現為冷卻水對端面內壁的對流換熱強度差異，影響冷卻機構的整體換熱效果。因此，對工藝燒嘴冷卻機構的優化設計，應著眼于改善冷卻水的流動狀態，提高對流換熱效率，增大對流換熱面積，達到強化換熱，提升燒嘴使用壽命的目的。

3 新型水煤漿工藝燒嘴的設計開發和應用

對燒嘴的傳熱分析表明，燒嘴端面內壁和冷卻水之間的對流換熱是燒嘴冷卻最重要的環節，而從式（3）可以看出，在換熱溫差不變的條件下，增大冷卻水與燒嘴內壁之間的對流換熱面積，同時改善冷卻水在腔體內的流動，提高換熱系數，是提高對流換熱效率的有效途徑，從而改善冷卻機構的冷卻效果。

傳統的水煤漿氣化爐工藝燒嘴采用機加工的方式進行生產制造，無法對冷卻水夾套內表面進行精細化加工。通常采用套管的方式形成水冷夾套，其內表面為平滑的加工面，這就限制了冷卻水在通道內的換熱能力。

3D打印技術是一種快速成形的先進制造技術，其本質原理是離散與堆積，即在計算機的輔助下，通過對實體模型進行切片處理，把三維實體的制造轉換成二維層面的堆積和沿成形方向上的不斷疊加，最終實現三維實體的制造。相比于傳統制造方法，3D打印具有制造周期短、成形不受零件復雜程度限制以及節材、節能等優勢[3]。將3D打印技術引入水煤漿氣化爐工藝燒嘴的生產制造，可實現燒嘴冷卻夾套的換熱精細化設計，有望大幅優化水煤漿燒嘴的冷卻效果，延長燒嘴的使用壽命。

基于3D打印技術和強化換熱的理念，清華大學山西清潔能源研究院技術團隊設計開發出一種新型高效換熱水冷夾套，并進行了理論計算和工業試燒。

新型高效換熱水冷夾套結構和端蓋水流方向示意圖分別見圖7和圖8。其冷卻水輸送段設計采用螺旋筋板結構，形成冷卻水進出水通道。在端面內表面設置螺旋擾流片，使冷卻水在端面內表面呈螺旋流動（見圖8），延長冷卻水流動路徑，增大換熱表面積。同時，端面擾流片的設置也強化了冷卻水的流動，消除了死區，達到了強化換熱的目的。

圖7 新型高效換熱水冷夾套結構示意圖

圖8 新型冷卻機構燒嘴端蓋水流方向示意圖

采用3種不同冷卻機構的日投煤量1 500 t級水煤漿燒嘴的換熱計算結果見表1。由表1可知，假設氣化爐內煙氣溫度為2 000 K，根據傳熱模型，計算出盤管式燒嘴端面內壁溫度為608 K，夾套式燒嘴端面內壁溫度為580 K，而新型高效換熱水冷夾套燒嘴端面內壁溫度僅為523 K，燒嘴端面的工作條件得到了改善。

表1 3種不同冷卻機構換熱計算結果

為驗證新型水冷夾套的使用效果，對某化肥廠氣化車間1臺日投煤量500 t的頂置單燒嘴水煤漿氣化爐工藝燒嘴進行了改造，使用新型水冷夾套替代傳統的水冷盤管。改造后燒嘴各項工藝指標良好，使用壽命延長（改造前不足60 d），運行80 d后燒嘴端面基本無可見裂紋，達到了預期效果。

4 結 語

工藝燒嘴是水煤漿氣化爐的關鍵設備，目前，工藝燒嘴使用壽命短仍是整個氣化爐的短板，制約系統的連續運行周期。高溫環境下的燒蝕和開裂是造成燒嘴失效的主要原因，良好的冷卻是保證燒嘴正常運行、延長燒嘴使用壽命的有效手段。清華大學山西清潔能源研究院從強化換熱角度出發，基于燒嘴冷卻水夾套的換熱原理和計算方法，采用3D打印技術，設計開發出了一種新型高效換熱水冷夾套，計算對比和工業試燒結果證明了計算模型的可靠性和新型結構的可行性，對水煤漿氣化爐工藝燒嘴冷卻水夾套的設計和優化具有一定的指導意義。