氣流床煤氣化是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭技術(shù)，按照進(jìn)料方式的不同分為水煤漿進(jìn)料和干粉進(jìn)料，兩者均具有水冷壁襯里的氣化爐。本系列將從不同方面對(duì)水煤漿水冷壁氣化爐與干粉氣化爐進(jìn)行對(duì)比。
氣化爐是氣化系統(tǒng)的核心設(shè)備，雖然水煤漿水冷壁氣化爐和大部分干粉氣化爐均為水冷壁襯里的液態(tài)排渣氣化爐，但是其氣化爐結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)是不同的。
航天爐在氣化爐頂部布置單個(gè)燒嘴，合成氣和灰渣均從底部排出。煤粉通過三條煤粉管線進(jìn)入燒嘴的三個(gè)煤粉管，預(yù)熱后的氧氣和一定比例的蒸汽進(jìn)入燒嘴的氧化劑通道，燒嘴內(nèi)置旋流塊，在氣化爐內(nèi)形成旋流流場(chǎng)。氣化爐內(nèi)的旋流流場(chǎng)包含呈喇叭口的射流區(qū)、內(nèi)核低速回流區(qū)、外圍回流區(qū)和底部的旋流區(qū)[1]。由于旋流塊的作用，使氣體的軸向流動(dòng)一部分轉(zhuǎn)化為周向流動(dòng)，出燒嘴的氣體軸向流速較低，煤粉氣化火焰也較短，氣化爐高溫區(qū)較為集中，上部高溫區(qū)的軸向溫度梯度大。而且一旦燒嘴尺寸和旋流塊結(jié)構(gòu)確定，氣化爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度分布基本固定，無其他調(diào)節(jié)控制手段。為了保證正常液態(tài)排渣，只能首先提高氧煤比以提高氣化爐上部的溫度，從而提高渣口溫度。從航天爐的實(shí)際運(yùn)行來看，如果入爐煤的灰熔點(diǎn)超過1450℃，爐頂溫度將會(huì)很高，很容易造成氣化爐上部燒壞。因此航天爐在摻燒高灰熔點(diǎn)煤時(shí)需要添加石灰石控制入爐混煤的灰熔點(diǎn)在1450℃以下。
航天爐水冷壁采用四進(jìn)四出平行并繞的盤管結(jié)構(gòu)。由于盤管單管的長(zhǎng)度長(zhǎng)，阻力大，鍋爐水無法自然循環(huán)，盤管內(nèi)易發(fā)生汽水分層，必須通過循環(huán)水泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。如果一旦發(fā)生循環(huán)水泵故障或因失電而離線，水冷壁無法得到及時(shí)冷卻，很可能造成水冷壁燒損和高溫氣體竄出的事故。航天爐水冷壁鍋爐水汽化率6.5%，蒸汽產(chǎn)量約22t/h，氣化爐因水冷壁吸熱的散熱損失較大。從航天爐運(yùn)行結(jié)果來看，水冷壁掛渣不佳，大部分煤灰以細(xì)灰的形式離開氣化爐，航天爐的細(xì)灰和粗渣比例約為80%/20%。
殼牌氣化爐有四個(gè)安裝在氣化爐側(cè)壁的偏角對(duì)置式燒嘴。四條煤粉輸送線分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)燒嘴，氧氣和過熱蒸汽混合后也送入工藝燒嘴，四個(gè)燒嘴噴出的煤粉射流在氣化爐內(nèi)相切于一個(gè)假想圓，使氣化爐內(nèi)形成旋流流場(chǎng)。粗煤氣向上進(jìn)入熱回收系統(tǒng)，渣向下進(jìn)入鎖斗排渣系統(tǒng)。殼牌氣化爐內(nèi)的粗煤氣和渣逆向流動(dòng)，熔渣依靠重力向下流動(dòng)，對(duì)熔渣的流動(dòng)性要求高。為了液態(tài)排渣，必須首先提高氣化爐工藝燒嘴區(qū)域的溫度，以保證氣化爐渣口區(qū)域的溫度，使熔渣的粘度在正常范圍內(nèi)，所以殼牌氣化對(duì)煤灰的粘溫特性要求嚴(yán)格。根據(jù)國(guó)內(nèi)多臺(tái)殼牌氣化爐實(shí)際運(yùn)行情況來看，煤的灰熔點(diǎn)不能超過1400℃。
殼牌氣化爐水冷壁分為三部分，筒體部分采用U型水冷管，上下錐體采用盤管。水冷壁采用強(qiáng)制循環(huán)運(yùn)行。殼牌氣化爐水冷壁蒸汽產(chǎn)量在10t/h以上，氣化爐因水冷壁吸熱的散熱損失較大。
晉華爐在氣化爐頂部布置單個(gè)燒嘴，合成氣和灰渣均從底部排出。煤漿通過一條煤漿管線進(jìn)入氣化爐燒嘴，氧氣通過同軸的中心和外環(huán)兩個(gè)通道進(jìn)入氣化爐燒嘴。為保證煤漿的充分霧化，出燒嘴物料需具有一定的速率，一般不小于100m/s。出燒嘴的高速射流在受限的反應(yīng)室空間內(nèi)形成回流區(qū)，此外由于氣流無法直接通過渣口流出，在反應(yīng)室下部形成第二個(gè)回流區(qū)，強(qiáng)化了碳顆粒的返混、增大了固體顆粒的停留時(shí)間和碳轉(zhuǎn)化率。晉華爐的射流火焰較長(zhǎng)，當(dāng)需要提高渣口溫度時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)中心通道氧氣流量來改變氣化火焰的長(zhǎng)度，而不必一味地增大氧煤比。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行來看，晉華爐已經(jīng)完成了灰熔點(diǎn)為1620℃的朔州煤和灰熔點(diǎn)為1630℃的大同塔山煤的工業(yè)試燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行證明氣化爐操作穩(wěn)定，排渣順暢，晉華爐可以氣化高灰熔點(diǎn)煤。
晉華爐水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu)。每根豎管的長(zhǎng)度短，阻力小，鍋爐水受熱后可以實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)，保證了極端情況下水冷壁的安全。為了保證每根鍋爐水管得到足夠的流量，實(shí)際通過循環(huán)水泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)運(yùn)行。晉華爐水冷壁鍋爐水汽化率在1%以下，避免了管內(nèi)因鍋爐水含汽率高而發(fā)生傳熱惡化，蒸汽產(chǎn)量約2~3t/h，氣化爐因水冷壁吸熱的散熱損失小，幾乎可以忽略不計(jì)。從晉華爐運(yùn)行結(jié)果來看，水冷壁掛渣較好，渣口附近的回流區(qū)使固體顆粒更容易被壁面捕捉而團(tuán)聚成大尺寸熔渣，晉華爐的細(xì)灰和粗渣比例約為20%/80%。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李思華,胡茂龍,潘波,等. HT-L氣化爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分析[J].氮肥技術(shù),2016,37(02):10-11+23.
[2] 李燁,馮子洋,劉臻,等. 殼牌工業(yè)氣化爐煤液化殘?jiān)陀辔锕矚饣^程CFD數(shù)值模擬研究[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化,2022,45(3):42-51.
作者簡(jiǎn)介：管清亮，男，1988年10月出生，博士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，2015年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，主要從事煤氣化和煤炭清潔高效利用技術(shù)研究和開發(fā)工作。
撰稿 | 管清亮
編輯 | 李瑞丹
審核 | 岳 軍
