工业烧嘴冷却水管路阻力损失的计算.doc

工业烧嘴冷却水管路阻力损失的计算牛苗任1 于广锁1 周志杰1 于遵宏1 刘强2 祝庆瑞2 孙永奎2(1.华东理工大学洁净煤技术研究所，上海200237；2.兖矿国泰化工有限公司，滕州277527) 2007-06-21引 言 煤的气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的关键技术，尤其是高压、大容量气流床气化技术，具有良好的经济和社会效益，更是当前的发展趋势，是最清洁的煤利用技术。利用该技术，不仅减少空气污染，而且可生产出许多有价值的副产品，如高纯度硫、CO2和无毒炉渣。随着环境标准的日趋严格，它的优势将越来越突出。在国家“863计划”的支持下，华东理工大学和山东兖矿集团有限公司等共同开发成功四烧嘴对置式水煤浆气化技术，在煤的气化领域达到国际领先水平，并建成商业示范装置，且运行良好。 烧嘴是气化工艺的关键部件，其工艺目标是通过氧流股与煤浆流股的动量交换，达到雾化煤浆的目标，为炉内的气化与燃烧过程创造条件，它的运行状态和寿命直接决定着装置能否长周期、经济运行。为保护在高温下工作的烧嘴，烧嘴冷却水通过烧嘴端部的冷却盘管和水夹套连续循环流动，以冷却烧嘴，防止高温损坏。对烧嘴冷却水的阻力损失进行准确地预测计算是一项非常重要的工作，可以为烧嘴的设计和烧嘴冷却水泵选型等提供科学依据。只有烧嘴冷却水阻力损失计算准确，才能保证烧嘴冷却水达到合适的流量，才能真正保护好烧嘴。到目前为止，还未发现有关计算工业烧嘴冷却水管路阻力损失的资料。1 烧嘴冷却水管路的结构 图1给出了烧嘴冷却水管路结构示意图，采用螺旋盘管式冷却。烧嘴通过法兰与气化炉连接，置于烧嘴室中，为使烧嘴免受高温影响，烧嘴的头部(向火面)采用水夹套冷却，冷却水从A处进入，沿烧嘴柱体经管路AB、BC，然后经CD旋转数周，进入向火面夹层DE，冷却向火面金属，自夹层出来的冷却水沿烧嘴螺旋盘管EF旋转数周，经管路FG、GH流出炉外。烧嘴端部的冷却盘管为螺旋管，螺旋管内的流动过程：在螺旋盘管内，流体除了沿轴向流动外，还要产生和轴向垂直的两个对称的涡流流动，称为二次回流。当流体在螺旋盘管内流动时，由于受到离心力的作用，流体从管子中心部分由螺旋盘管内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋盘管内侧的低压区。在压差作用下，流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧。流体的这种二次回流与轴向的主流复合成螺旋式的前进运动。2 阻力损失的计算方法 进行烧嘴冷却系统的设计需要根据设计流量、管径大小、管路长度、管件材料、管路附件等来确定管路系统的阻力。可以看出，影响管路系统阻力的因素很多，因此较难准确计算管路系统的阻力。由于水力学理论的局限性，单从理论方面还难以准确计算出管路系统阻力，一般使用半理论半经验法，从某种意义上讲，经验法计算的阻力值更接近真实值。 某工业装置烧嘴冷却水的工艺条件为：流量V=16.9m3/h，出口压力P2=0 Pa(表)，冷却水进、出口平均温度46，求出冷却水进口压力P1，即可得到整个烧嘴冷却管路总阻力损失P。 以进水管内侧为截面1-1，出水管内侧为截面2-2，0-0平面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式，即： 式中： Z1、Z2截面1-1与截面2-2的中心至基准水平面0-0的垂直距离，m； u1、u2流体分别在截面1-1与截面2-2处的流速，m/s； p1、p2流体分别在截面1-1与截面2-2处的压强(表)，Pa； hf管路系统中的总能量损失，J/kg。式中，Z1=Z2，u1=u2，p2=0，所以p1=hf=p。 由于冷却管路由若干直径不同的管段组成，各段的流速不同，故把整个烧嘴冷却管路分为6部分，用Matlab软件进行编程，分别计算每部分阻力，最后求和即为总阻力损失p。查得46下水的密度=988.172 8kg/m3，黏度=5.740 510-4Pas，取所有管件绝对粗糙度=0.3mm。3 计算过程3.1 进、出水管部分管路阻力损失P1(AB+GH段) AB段和GH段是对称的。管路长度L1=0.531m，管路内径d1=0.0211 m，相对粗糙度/d1=0.0142，管内水流速度雷诺数 查文献，得摩擦系数1=0.045 9；查文献，得90弯管局部阻力系数0.175，所以，AB+GH段阻力损失为： 3.2 进、出水管与螺旋管相连的管路阻力损失P2 (BC+FG)段 BC段和FG段是对称的。管路长度L2=0.715m，管路内径d2=0.020m，相对粗糙度/d2=0.0150，管内水流速度 雷诺数 Re2= 查文献，得摩擦系数2=0.046 6；所以，BC+FG段阻力损失： 3.3 进头部腔室之前螺旋管阻力损失P3(CD段) 进水螺旋管的长度L3=1.306 9m，进水螺旋管竖直距离h=0.2m，管路内径d3=0.020m，管路半径R3=0.010m，曲率半径Rc3=0.104m，管路摩擦系数3=2=0.046 6，管内水流速度u3=u2=14.942 9m/s，雷诺数Re3=Re2=5.147 4105，由文献可计算出，螺旋管摩擦系数4=31+0.075Re30.25(R3/Rc3)0.5=0.075 6，所以，CD段阻力损失： 3.4 出头部腔室之后螺旋管阻力损失P4(EF段) 出水螺旋管的长度L4=4.121 8 m，管路内径d4=0.020m，管路半径R4=0.010m，曲率半径Rc4=0.082m，管内水流速度u4=u2=14.942 9 m/s，雷诺数Re4=Re2=5.147 4105，螺旋管摩擦系数5=31十0.075Re40.25(R4/Rc4)0.5=0.079 2，所以，EF段阻力损失： 3.5 头部腔室阻力损失P5(DE段) 腔室截面积A=2.4510-4m2，腔室截面润湿周长L=0.066 2m，水利直径，腔室内径d5=0.020，腔室半径R5=0.010m，曲率半径Rc5=0.053m，相对粗糙度/de=0.020 2，腔室水流速度u5= 雷诺数2.443 9105，由文献得，与腔室等直径的管路摩擦系数6=0.0466，摩擦系数7=61+0.075Re50.25(R5/Rc5)0.5=0.0803，所以，腔室周长L5=0.333 0m，DE段阻力损失： 3.6 进出头部腔室阻力损失P6 由文献得：突然扩大1=0.25，突然缩小2=0.25，105弯头3=0.19 (2个)，管内水流速度u6=14.942 9m/s，考虑局部阻力损失，可得进出头部腔室阻力损失 3.7 烧嘴冷却管路总阻力损失P 烧嘴冷却管路总阻力损失P=P1+P2+P3+P4+P5+P6=3.180 7106Pa，即冷却水进口压力为3.180 7106 Pa。 所以，泵的最小压头4 结果及分析 取某工业装置烧嘴冷却水的工艺条件：冷却水流量V=15.0m3/h，进行计算检验，两种条件的计算结果见表1。由于冷却管路内水流速度较高，所以整个冷却管路阻力损失较大。出头部腔室之后螺旋管阻力损失P4，即EF段阻力损失最大，约占整个管路阻力损失的56%；其次是进头部腔室之前螺旋管阻力损失P3，即CD段，约占整个管路阻力损失的18%，说明螺旋管的盘绕方式和几何因素对流动阻力的影响不可低估。 本文首次对工业烧嘴冷却水管路的阻力损失进行了计算，计算值与实测值符合较好，说明计算方法可用于烧嘴冷却水阻力损失的实际计算。研究结果为烧嘴的设计和烧嘴冷却水泵选型提供了科学依据。淮化水煤浆加压气化装置运行及改进情况许令奇(安徽淮化集团有限公司,安徽 淮南 232038) 2004-07-16 淮化2000年建成投产的“1830”工程是一套年产180kt合成氨，300kt尿素的生产装置。其中气化部分采用的是美国德士古公司水煤浆加压气化工艺，是国内继山东鲁南化肥厂、上海焦化有限公司、渭化化肥厂之后投运的第四套水煤浆加压气化装置。装置包括二套磨煤系统、三台气化炉系统及一套灰水处理系统。气化炉为二开一备，气化压力为4.0MPa，生产能力（H2+CO）为1264km3/d。 该工程于1992年立项，国家计委于1994年批准项目建议书和可行性研究报告，1994年批准该项目的初步设计。于1996年动工兴建，2000年建成，2000年8月开始试车，9月全系统一次开车成功，当年12月通过性能考核。至今已运行三年半时间，其间对系统进行了大小几百项的改造，并成功地进行了义马煤中配入华亭、北宿、新河煤及石油焦的试烧工作，并创造性地掺烧了淮南、关桥精煤，于2003年达到了设计能力。三年来运行显示该装置具有生产能力大，安全稳定，操作弹性大的优点。1 制浆系统 自试车以来制浆系统操作简单、运行较平稳，对煤种变化的适应性强，完全能满足气化对水煤浆的要求，并在正常生产中对江苏南京、山东济南、浙江句容等几家水煤浆添加剂进行了成浆试验，取得了满意的效果。水煤浆输送设备高低压煤浆泵选用荷兰的“奇好”泵，该泵运行稳定，故障率少，但由于设计、煤质等方面的原因，泵的易损件损坏较频繁，制浆系统易损件消耗见表1。 几年来，由于工艺、设计等方面的原因，制浆系统的问题主要表现在以下两个方面：磨机进口溜槽设计时采用普通碳钢板，由于磨损、腐蚀等原因泄漏频繁，检修工作量较大；钢棒使用到后期，细棒、断棒在磨机中被磨成钢丝随煤浆带入煤浆泵,造成煤浆流量及烧嘴压差波动，给生产带来隐患。目前我们正准备针对以上出现的情况进行相应改造。 气化装置从2000年8月9日第一次投料起，至2004年4月，3台气化炉共投料近150次，投料成功率大于98%。单炉连续稳定运行时间为1154h。运行过程中，针对出现的问题，对装置进行了数百项技术改造，积累了较为丰富的经验，设备及备品、备件国产化率不断提高，德士古烧嘴、耐火砖、锁渣阀等关键设备已实现了国产化。原料使用上我们大胆尝试，分别于2000年11月进行了义马煤配入50%华亭煤的试烧、2002年3月配入20%石油焦的试烧、2002年5月配入30%北宿煤的试烧工作，皆取得了成功，并在2003年创造性地配入淮南、关桥精煤进行试烧，还在试验室中进行了数十种配煤的成浆试验，为进一步拓展德士古气化用煤打下了基础。三年来无论在经济运行、计划停车率及单炉稳定运行等方面都取得了长足进步，三年中气化炉停车情况见表2，气化炉运行具有代表性的技术经济指标见表3。 2.2 原料使用情况、问题及改进 从纯理论角度上说，德士古气化对煤种的适应性较广，但在实际生产中，要保证系统长周期稳定经济运行，煤的质量是一个至关重要的因素。具体地说，煤的灰分、成浆性、灰熔点、粘温特性是影响德士古气化经济运行的几个重要指标。煤中的灰分虽不直接参加气化反应，但要消耗反应热，增加氧耗、煤耗。灰分多，渣量多，随渣而损失的碳也相应增加，且给锁渣系统及灰水处理系统的运行带来困难。成浆性能好的煤易制得较高浓度的煤浆，可降低制浆成本，煤浆浓度高，合成气中的有效气体成分（CO+H2）将增加。德士古气化为液态排渣，灰熔点高，操作温度就高。在正常生产条件下，耐火砖表面有一层煤渣层，适当的渣层可以减缓气体和熔渣的冲刷，温度低时渣层较厚，温度高时渣层较薄，影响耐火砖的使用寿命，不利于系统的经济运行。煤的粘温特性也直接影响气化炉的操作温度，有时灰熔点低的煤，灰的粘性温度并不低，如义马煤其T4温度一般小于1300，但当温度在1400以上时，灰粘度较小，而低于1400，灰粘度急剧增大，流动性变差，故气化炉操作温度应综合考虑灰熔点和灰粘度。我厂设计用煤为义马煤，义马煤成浆性较好，但灰分、灰熔点较高，且煤质极不稳定，所以开车不久，我厂就在义马煤中掺入50%的华亭煤试烧并取得成功。进入2001年后，义马煤质逐渐恶化，灰分高时可达30%，灰熔点高达1400，严重制约了气化正常运行，表现为1#、3#炉下降管烧结，气化炉炉砖蚀损严重，锁斗循环泵运行质量大大下降，捞渣机掉链频繁，灰水系统运行困难，给整个生产和管理带来极大的麻烦。为此我厂及时调运一批石油焦，掺入义马煤中，使整个原料的灰分下降到17%20%，灰熔点在12501300，逐渐使生产恢复正常。因此煤种的好坏对整个气化装置的经济运行影响很大。 德士古煤气化对原料煤的要求，使单一的原料煤种较难满足系统正常运行的需要，采用配煤技术，扩大气化用煤来源已成为国内现有德士古气化厂的共同之举。几年来我厂在义马煤中掺配石油焦、华亭煤、北宿煤、三河尖煤等，都取得成功，且掌握了一定的配煤经验。配煤不但可以使原不能用于气化的单煤、石油焦可以气化，并能保持系统的长周期稳定运行，降低煤耗、氧耗。配煤技术拓宽了德士古气化的原料来源。表4为淮化配煤前后的经济技术指标对比。2.3 烧嘴使用情况、问题及改进 德士古烧嘴是德士古煤气化工艺的核心设备，喷嘴运行初期，雾化效果好，气体成分稳定，系统工况稳定；运行到后期，喷嘴头部变形，雾化效果不好，这时气体成分变化较大，有效气成分下降，特别是发生偏喷时，使局部温度过高，烧坏热偶，严重时，发生窜气，导致炉壁超温。喷嘴的运行质量和使用寿命直接决定了气化长周期经济运行。开车初期，我厂使用的喷嘴由于煤质、烧嘴局部尺寸、煤浆质量等多方面原因，喷嘴使用平均寿命偏低，运行时间最长的不到2个月，最短时只有7天，且不同烧嘴运行稳定性较差，成为制约系统长周期运行的一大问题。经过长期摸索，我们发现多次烧嘴损坏拨出后都存在以下问题：烧嘴头部端面有烧裂痕迹；中外两套管管口龟缩在一起，造成氧气走偏流。针对以上情况，我们对烧嘴局部尺寸进行调整，不断改进后取得了长足进步，现每个烧嘴的使用寿命基本上都在30天以上，但仍存在部分烧嘴雾化效果不好，气体成分较差的情况。烧嘴的质量问题仍是我们下一步工作的主题。2.4 锁渣系统运行情况、问题及改进 我厂用煤灰分设计值为14.78%，而实际运行值在20%左右。灰分增加，渣量随着增大，渣水温度高，给锁渣系统稳定运行带来诸多问题。几年来，遇到的问题主要有以下几个方面。破渣机密封漏大。开车初期破渣机填料泄漏频繁，造成单炉停车，后把密封填料由聚四氟乙烯改为石墨填料，效果较好。在工况较稳定时，破渣机运行也较稳定，而当操作炉温较低或烧嘴异常，造成偏喷时，有大块渣落下，造成破渣机负荷波动大，损坏密封填料，造成轴封漏。排渣阀（XV1310）漏大。自开车以来由于义马煤灰分一直都居高不下，渣量多，热负荷大，锁斗水温比设计值高40左右，对排渣阀XV1310冲刷严重，造成XV1310密封面损坏，XV1310泄漏大，被迫单炉停车。现XV1310的使用寿命平均为6000h。捞渣机掉链。捞渣机掉链是因为锁斗排渣直接冲击链条、负荷过大或是有大渣夹在导轮上，使链条受力不匀，导致掉链。掉链处理较为困难，要打开渣池仓门，人进去清除积渣，才能使链条复位，一般需12h，这时锁斗处于集渣状态，所以必须减负荷才行。 我厂因煤质原因，锁渣系统运行质量一直不太好，开车初期一年多来，先后有7次因锁渣系统故障而停车，占开停车总数的10%左右。经过不断摸索，我们对破渣机填料、捞渣机等进行相应改造并加强对锁渣系统运行的工艺管理，近两年运行情况大为好转，因锁渣系统故障的停车率大大降低。2.5 耐火砖使用情况及改进 德士古气化炉耐火砖的使用寿命是至关重要的，换一次向火面耐火砖，拆卸、筑炉、烘炉、检查、试压用时近一个月，严重影响了备炉工作，所以必须选用较好的耐火砖，筑炉时严格把好质量关，在使用过程中严格控制气化炉操作温度，尽量延长耐火砖的使用寿命。影响耐火砖使用寿命的因素主要有以下几点。煤质。煤中灰分含量高，渣多，对炉砖的冲刷大，在其他工艺条件相同的情况下，其使用寿命就短。烧嘴。烧嘴运行质量对炉砖的影响很大，特别是烧嘴偏喷时，造成炉砖局部温度过高，局部砖蚀损相当严重。操作温度。气化炉操作温度对耐火砖的寿命至关重要。在正常生产条件下，耐火砖表面有一层煤渣层，温度低时渣层较厚，温度高时砖层较薄，适当厚的渣层可以减缓气体和熔渣的冲刷。开停车次数。开停车时，炉内温度有一个温度瞬间由低到高或由高到低的过程，温度变化太快、太大，对耐火砖非常有害，有时甚至会导致耐火砖因受力不匀而开裂损坏，故生产过程中应尽量做到减少开停车。 我厂三台炉砖原始开车使用的都为法国萨瓦公司生产的铬铝锆砖，效果较好，但进口砖价格昂贵，用国内砖替代进口砖已势在必行，几年来这方面的工作我们一直在做，先后在不同的炉子上试用了国内不同厂家的耐火砖，如洛阳洛耐院、洛耐厂和新乡耐火材料厂的耐火砖，几年来炉砖使用情况见表5。2.6 碳洗塔带灰、带水及改进 德士古气化自开车以来一直存在着碳洗塔带灰、带水问题，表现为：碳洗塔阻力上升较快（1个月左右阻力增至0.2MPa以上，只