顾学颖1，王佐友2，潘飞2，侯明2，孙岑2，刘孝弟1
（1 北京航天动力研究所，北京100076；2 首都航天机械有限公司，北京100076）
［摘 要］传统的耐火砖式水煤浆加压气化炉启动阶段存在诸多不足，受自带点火装置的水冷壁水煤浆气化炉（第二代晋华炉）工艺烧嘴的启发，提出一种工艺烧嘴强制点火的水煤浆气化炉冷态启动方案以及蓄热式工艺烧嘴结构，并从燃烧与自然着火条件、燃料气（甲烷+氧气混合气）自燃温度等方面进行可行性分析与探讨。此举可望实现水煤浆气化炉（无论是耐火砖式还是水冷壁式）的冷态启动，大幅减少气化炉启动阶段的燃料使用量，还可以保证气化炉升温和升压过程同时进行，避免燃气产物（含大量有效气成分，如CO、H2等）无效排放，减少环境污染，且无需备用气化炉热备。此设想尚需基础试验进一步验证，以及设备研究、工程设计、使用单位等的协作及不断完善，希望能对水煤浆加压气化工艺的优化改进起到一点抛砖引玉的作用。
［关键词］耐火砖式水煤浆气化炉；水冷壁水煤浆气化炉；烧嘴；着火条件；强制点火装置；自燃温度；冷态启动；可行性分析
［中图分类号］TQ546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）05-0019-04
0 引 言
1948年美国德士古公司建成世界上第一套水煤浆加压气化中试装置。自20世纪80年代鲁南化肥厂（现兖矿鲁南化工有限公司）引进国内首套水煤浆加压气化装置（于1993年4月建成投产）以来，水煤浆加压气化工艺取得了长足发展，如今已衍生出多喷嘴对置式水煤浆气化技术（华东理工+兖矿集团研发）、多元料浆气化技术（西北化工研究院研发）、熔渣-非熔渣水煤浆气化技术（第一代清华炉，耐火砖衬里，现习称晋华炉）、水冷壁水煤浆气化炉技术（第二代清华炉，习称第二代晋华炉）等，近年来在国内煤化工项目中得到了广泛应用。
典型的水煤浆加压气化工艺激冷流程为，原料煤与制浆水及添加剂送入磨煤机制浆，所得煤浆由低压煤浆泵送入煤浆储槽，再由高压煤浆泵送入同心套管式烧嘴（煤浆通道），空分装置来的高压氧气送入烧嘴（氧气通道），煤浆与氧气通过工艺烧嘴喷入气化炉燃烧室内进行气化反应，所得粗煤气与灰渣通过下降管进入气化炉激冷室，灰渣通过锁渣罐进入渣池，粗煤气则经文丘里洗涤器和洗涤塔等初步洗涤后进入变换系统或（与）热回收系统[1]。
传统的水煤浆加压气化炉在启动阶段，用预热烧嘴（采用燃气+空气或燃气+氧气）对气化炉进行升温并通过耐火砖蓄热，再将预热烧嘴撤除更换成工艺烧嘴后，利用内衬耐火砖的蓄热将水煤浆与氧气的混合物点燃，实现气化炉的启动。使用耐火砖作为内衬，一方面解决了气化炉的隔热和保温问题，另一方面利用耐火砖的蓄热解决了水煤浆（及氧气）的点火问题。由于耐火砖使用温度存在限制等，气化高灰熔点的煤时会缩短耐火砖的使用寿命（一般需掺烧石灰石），以第一代晋华炉为例，运行约90 d后需要停炉检修更换耐火砖，更换一次耐火砖至少要耗时25 d、费用在300万元左右[2]。为此，北京达立科科技有限公司与清华大学合作，推出了第二代晋华炉（水冷壁水煤浆气化炉），为实现第二代晋华炉的点火，北京航天动力研究所开发了“自带点火装置的水煤浆加压气化工艺烧嘴”，为第二代晋华炉的成功运行奠定了基础[3]。
众多水煤浆气化炉若能实现冷态启动，可促进水煤浆气化技术的发展与进步。笔者受自带点火装置的水煤浆气化炉工艺烧嘴的启发，提出一种工艺烧嘴强制点火装置设想与水煤浆气化炉冷态启动方案，可望实现水煤浆气化炉的冷态启动，无论是耐火砖式水煤浆气化炉还是水冷壁水煤浆气化炉均可采用，由此可大幅减少水煤浆气化炉启动阶段燃料的使用量，避免燃气（含有效气）排放与减少环境污染，还可以保证水煤浆气化炉的升温和升压过程同时进行。
1 燃烧与自然着火条件分析
1）燃烧条件分析。众所周知，任何一种（固态、液态、气态）可燃物质的燃烧，需同时具备三个条件，即可燃物、助燃物（常见助燃物为空气或氧气）及温度达到着火点，而可燃物的燃烧速度同自身性质（还原性）、氧气（或其他助燃物）的浓度、可燃物与氧气（或其他助燃物）的混合程度（即接触面积）、燃烧环境等有关。燃料的着火方式分为两种，即自然（热力）着火和强迫着火，文献[3]所述的就是利用燃料的强迫着火特性实现了水冷壁水煤浆气化炉的点火。
2）着火条件分析。自然着火需满足两个条件，一是可燃混合物有一定的能量储存过程，二是可燃混合物的温度不断提高。传统的水煤浆气化炉就是基于燃料的这个特性利用耐火砖的蓄热实现工艺烧嘴点火的。柴油机将柴油（伴随着适量的空气）喷射到可以使其自燃的高温高压气缸里燃烧释放能量，也是利用了燃料自然着火的性质。文献[4] 、[5]提出了“一种蓄热式水煤浆气化炉工艺烧嘴”，试图给出一种新的耐火砖（也包括水冷壁）式水煤浆气化炉的点火方案，以期节省水煤浆气化炉启动升温过程中所消耗的大量高价值燃气（液化石油气、天然气、工厂弛放气等），使水煤浆气化炉的升温、升压过程同时进行，同时避免耐火砖式水煤浆气化炉升温过程中含大量有效气成分（如H2、CO等）的烟气排放，减少能量消耗与环境污染。
2 自带点火装置的晋华炉之工艺烧嘴及冷态启动
2.1 自带点火装置的晋华炉之工艺烧嘴结构
据总体设计单位的要求，文献[1] 、[3]提出了自带点火装置（强制点火方案一）的水冷壁水煤浆气化炉（晋华炉）工艺烧嘴，其实施方案是在传统的水煤浆气化炉工艺烧嘴的中心加装气缸执行机构及点火棒导向机构。
2.2 自带点火装置的晋华炉之冷态启动过程
1）从工艺烧嘴中心氧进口导入常用点火燃料气（液化石油气、天然气、工厂弛放气等），从外主氧进口导入对应比例的氧气，同时由气缸执行机构及点火棒导向机构把高能点火棒推至烧嘴端面平齐或微量伸出，点火棒通电后产生高能电火花使点火燃料气与氧气着火，通过晋华炉上的观察窗确认形成稳定火焰后，将点火棒退回至中心氧通道内部固定位置，避免后续点火棒影响中心氧的流通面积，并确保点火棒的长期使用。
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