多噴嘴氣化技術(shù)在大型煤化工項(xiàng)目中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)介紹

摘 要：多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)經(jīng)理十幾年的發(fā)展，通過四個(gè)噴嘴的對(duì)置物料在爐內(nèi)形成撞擊流暢，既促進(jìn)了物料的混合和霧化，同時(shí)降低了單個(gè)噴嘴的處理負(fù)荷，為氣化爐的大型化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多噴嘴；大型化；燒嘴；合成氣凈化

多噴嘴氣化爐采用了四個(gè)工藝燒嘴對(duì)置，氣化爐流場(chǎng)為撞擊型，結(jié)構(gòu)合理，物料的混合更加充分，反應(yīng)更加完全，每個(gè)工藝燒嘴承擔(dān)了合理的負(fù)荷，霧化效果良好，單臺(tái)氣化爐處理能力可以實(shí)現(xiàn)大型化，目前已經(jīng)投入運(yùn)行的最大處理能力的氣化爐為3000噸級(jí)，設(shè)計(jì)中的單爐處理能力達(dá)到4000噸級(jí)。

氣化爐大型化后，對(duì)于大型煤化工項(xiàng)目，系列數(shù)減少，可以節(jié)約投資和運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)于100萬噸甲醇規(guī)模，推薦采用多噴嘴氣化爐3臺(tái)（2開1備）即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能目標(biāo)，單爐干基投煤量為2500t/d（干基），氣化爐直徑3880mm，氣化爐壓力6.5MPa。此種爐型在市場(chǎng)已經(jīng)推廣十余家，共計(jì)50臺(tái)套氣化爐，單爐設(shè)計(jì)最大產(chǎn)氣量達(dá)到210000Nm3/h規(guī)模。

1 合理的氣化爐流場(chǎng)為氣固顆粒間的傳遞和化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造良好條件

水煤漿氣化在氣化過程中發(fā)生的物理和化學(xué)過程非常復(fù)雜，在氣化爐內(nèi)涉及高溫、高壓、湍流多相流動(dòng)下復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞過程的相互作用。氣流床氣化爐溫度很高，平均溫度～1250℃，火焰溫度更高，氣化爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于混合的時(shí)間尺度，即混合傳遞過程成為氣化過程的控制步驟，因此強(qiáng)化固體顆粒與流體間的傳遞過程、合理的氣化爐流場(chǎng)成為有效提高氣化效率的關(guān)鍵措施。

多噴嘴對(duì)置式氣化爐運(yùn)用撞擊流原理，氣化爐流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可分為六個(gè)區(qū)域：射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)。合理的流場(chǎng)使得顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間分布更利于氣化過程的進(jìn)行，大大降低了短路物料的比例，提高了碳轉(zhuǎn)化率；平推流長，在有限的空間內(nèi)延長了物料在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間，使得水煤漿氣化反應(yīng)進(jìn)行更為完全，氣化指標(biāo)優(yōu)，大型化優(yōu)勢(shì)尤為顯著。

在大型化爐型設(shè)計(jì)上將進(jìn)一步優(yōu)化氣化爐的高徑比、選擇更為合理的停留時(shí)間分布，提高爐內(nèi)單位容積內(nèi)顆粒濃度，強(qiáng)化顆粒間碰撞，為提高氣化效率創(chuàng)造良好的條件。

2 高效、節(jié)能、長壽命的噴嘴強(qiáng)化了氣液固三相混合，提升了氣化效率

氣化噴嘴是水煤漿氣化技術(shù)中的關(guān)鍵之設(shè)備之一，其性能和壽命關(guān)系到氣化效率和氣化爐的安全、長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。專利方經(jīng)過多年攻關(guān)，開發(fā)了一種新型預(yù)膜噴嘴。該氣化噴嘴采用預(yù)膜、外混式，三股物流射出噴嘴，水煤漿的內(nèi)外側(cè)為高速流動(dòng)的氧流股，且與煤漿呈一定交匯角；氧流股通過高速剪切、振動(dòng)等方式使水煤漿霧化，可以達(dá)到100μm的尺度。研究表明，漿體經(jīng)新型預(yù)膜噴嘴霧化后平均粒徑較預(yù)混噴嘴小10%左右，工業(yè)實(shí)踐亦表明預(yù)膜式噴嘴的霧化效果優(yōu)于內(nèi)混式噴嘴。同時(shí)，由于新型預(yù)膜噴嘴有效地消除了水煤漿對(duì)噴嘴通道內(nèi)側(cè)的磨損，因而使用壽命顯著提升，從平均達(dá)到90天以上。預(yù)膜噴嘴優(yōu)良的霧化效果和多股撞擊流場(chǎng)結(jié)構(gòu)直接決定和保證了多噴嘴氣化爐有效氣成分和碳轉(zhuǎn)化率等工藝指標(biāo)先進(jìn)性。

對(duì)于大型化后將進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴各流動(dòng)通道的尺寸，提升霧化效果，為水煤漿在氣化爐內(nèi)進(jìn)行充分的氣化反應(yīng)提供先決條件。

3 氣化合成氣洗滌凈化過程的優(yōu)化，確保大型化后出水洗塔合成氣含塵量小于1mg/Nm3

由于水煤漿在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間短，因此出氣化室的粗合成氣中，有微量的未反應(yīng)的碳顆粒與熔渣一起隨高溫氣體進(jìn)入氣化爐下部的洗滌冷卻室和氣體初步凈化系統(tǒng)，這部分細(xì)小顆粒如不能在氣化界區(qū)脫除，將會(huì)隨著合成氣進(jìn)入變換單元，長時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)導(dǎo)致變換床層阻力增加。

3.1 采用自主開發(fā)的高效、穩(wěn)定的復(fù)合式洗滌冷卻技術(shù)

①氣化爐激冷室選用復(fù)合式洗滌冷卻室，選用帶中心射流的洗滌冷卻水分布環(huán)，強(qiáng)化下降管中心區(qū)域的熱質(zhì)傳遞；②在激冷室下降管內(nèi)壁形成垂直降膜流動(dòng)，強(qiáng)化高溫氣體與冷卻水間的熱質(zhì)同時(shí)傳遞過程；③洗滌冷卻室與下降管所形成的環(huán)隙空間內(nèi)有連續(xù)的、非周期性的、相對(duì)穩(wěn)態(tài)的鼓泡湍動(dòng)床層，延長粗合成氣與冷卻水的接觸時(shí)間，使氣化渣進(jìn)入液相，從氣化爐下方通過鎖斗排出，降低出口合成氣中夾帶的細(xì)灰量；④充分利用洗滌冷卻室的空間結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化洗滌，可考慮通過設(shè)置壓力霧化器，再次潤濕上升的粗合成氣，同時(shí)結(jié)合在洗滌冷卻室上方的氣液分離區(qū)，減少細(xì)灰的帶出量；⑤結(jié)合工程實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)技術(shù)理論，通過各種工程強(qiáng)化手段，達(dá)到粗合成氣的降溫、除塵和增濕的工程目的，為后序初步凈化工序創(chuàng)造條件。

3.2 選用高效分級(jí)式合成氣初步凈化流程及技術(shù)

①在洗滌單元，設(shè)置有混合器、旋風(fēng)分離器和水洗塔組成的高效洗滌流程，采用分級(jí)凈化思想，對(duì)合成氣攜帶的細(xì)灰先通過混合器、旋風(fēng)分離器“粗分”，然后在水洗塔內(nèi)“精分”；②充分利用旋風(fēng)分離器對(duì)大于5μm的顆粒有較高分離效率的特點(diǎn)，達(dá)到改善洗滌塔和激冷水水質(zhì)、減少合成氣帶水、穩(wěn)定氣化爐和洗滌塔操作的目的；③該合成氣初步凈化工藝節(jié)能、高效，工業(yè)運(yùn)行實(shí)踐表現(xiàn)為：氣化系統(tǒng)壓降低，后續(xù)變換催化劑使用壽命長。

多噴嘴氣化技術(shù)研發(fā)過程經(jīng)歷了理論研究、實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)中試、1000噸級(jí)工業(yè)示范、2000噸級(jí)工業(yè)示范、3000噸級(jí)工業(yè)示范，放大的工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)完全消除，不同處理能力的氣化均實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，工藝指標(biāo)優(yōu)異。

作者簡介：

趙礦生（1983- ），男，山東滕州人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：化工工藝。