張水合

(鶴壁煤電股份有限公司化工分公司，河南 鶴壁 458000)

技 改 節(jié) 能

大投煤量殼牌氣化爐流場優(yōu)化改造

張水合

(鶴壁煤電股份有限公司化工分公司，河南 鶴壁 458000)

鶴壁煤電股份有限公司60萬t/a甲醇項目，采用殼牌粉煤氣化工藝，投煤量2 800t/d，為目前國內(nèi)投運單臺投煤量最大的殼牌氣化裝置。裝置于2013年投料生產(chǎn)，氣化爐合成氣冷卻器“十字架”積灰和氣化爐渣口堵渣的問題一直是實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的最大瓶頸，因積灰和堵渣問題會造成氣化爐負(fù)荷低、運行周期短等問題。針對這些問題，對裝置進(jìn)行了燒嘴改造。通過調(diào)整氣化爐燃燒器(煤燒嘴)的角度，改變氣化爐內(nèi)部溫度場，提高渣口排渣的穩(wěn)定性，緩解合成氣冷卻器的積灰問題，使?fàn)t膛水冷壁掛渣有較大改善，改造實施后，達(dá)到了預(yù)期效果。

氣化爐；流場；優(yōu)化；改造

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.013

殼牌煤氣化技術(shù)采用干粉煤加壓氣化，液態(tài)排渣，是當(dāng)今潔凈利用煤炭資源的先進(jìn)技術(shù)之一。

鶴壁甲醇項目殼牌氣化爐為國內(nèi)投運單臺投煤量最大的殼牌氣化裝置，自2013年投料生產(chǎn)以來，受限于氣化爐合成氣冷卻器入口積灰堵塞和氣化爐渣口堵塞，平均氧負(fù)荷僅能達(dá)到80%；二氧化碳作為煤粉載氣時，80%的氧負(fù)荷也不能夠長周期運行，每個生產(chǎn)周期僅30d左右；裝置投運2年多，共計停車檢修19次，其中因氣化爐的積灰、堵渣引起的檢修多達(dá)14次，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鶴壁殼牌氣化爐積灰堵渣情況

殼牌氣化裝置選用干煤粉氣化技術(shù)，氣化爐為立式壓力容器，爐內(nèi)為水冷壁組成的氣化室，煤氣化燒嘴位于氣化室中下部，4個燒嘴分2個1組對稱布置。由煤氣化燒嘴噴入的煤粉、氧氣、蒸汽的混合物在1 500℃高溫下，瞬間完成煤的氣化反應(yīng)，生成(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)很高且?guī)в酗w灰的粗合成氣，由下向上從氣化爐頂經(jīng)循環(huán)氣激冷段進(jìn)入合成氣冷卻器。為防止飛灰黏結(jié)在后續(xù)設(shè)備，在氣化爐反應(yīng)段出口處噴入循環(huán)返回的200℃低溫激冷氣，將合成氣激冷至750℃左右，使高溫合成氣快速降溫，合成氣中的液態(tài)飛灰冷卻成無黏性固態(tài)，從而防止后系統(tǒng)合成氣冷卻器堵塞和超溫。

鶴煤煤電股份有限公司化工分公司殼牌氣化裝置，設(shè)計采用二氧化碳作為載氣向氣化爐內(nèi)輸送煤粉。從2013年投產(chǎn)至2015年，在氮氣輸煤工況下負(fù)荷最高達(dá)到80%左右，且由于氣化裝置堵渣、積灰等原因多次停車，嚴(yán)重制約了產(chǎn)量的提升和消耗的進(jìn)一步降低。鶴壁氣化爐與中原大化和永城龍宇投煤量2 300t/d爐型相比，同樣18kg/s的耗氧量，激冷氣量超出近40 000Nm3/h，還有合成氣冷卻器入口溫度13TI0019高于設(shè)計值30℃以上，爐渣中殘?zhí)几?設(shè)計殘?zhí)?1%，二氧化碳工況可以達(dá)到，但氮氣工況殘?zhí)歼_(dá)到10%～20%)、掛渣情況差等問題。

在二氧化碳作為載氣輸煤的情況下，氣化爐渣口壓差穩(wěn)定性差，由于渣口結(jié)渣導(dǎo)致氣化爐工況迅速惡化而停車的狀況時有發(fā)生。為了減少結(jié)渣事故，可以通過提高氣化爐內(nèi)溫度來解決，但爐溫提高后，離開氣化爐的合成氣溫度高，不能有效激冷，使合成氣冷卻器“十字架”位置積灰速度加快，由于積灰和堵渣問題，煤氣化爐在二氧化碳工況下裝置基本上無法實現(xiàn)連續(xù)運行。氣化爐積灰、堵渣、水冷壁掛渣情況見圖1～3。

圖1 氣化爐合成氣冷卻器“十字架”積灰

圖2 氣化爐渣口積渣

圖3 水冷壁掛渣

2 殼牌氣化爐噴嘴安裝

殼牌氣化爐的爐膛橫斷面設(shè)計為圓形，煤燒嘴位于爐膛的中下部，安裝在4個對稱的位置，噴嘴噴射的方向為朝向處在爐膛對稱中心的一個假想切圓，并與之相切。工作時，4個噴嘴同時噴射，噴嘴對準(zhǔn)假想切圓噴射，在爐膛內(nèi)形成一個旋轉(zhuǎn)流場，旋轉(zhuǎn)流場又形成一個動力切圓。目前已投入運行的殼牌氣化爐，每臺爐配置4個煤燒嘴的爐型，投煤量從1 100t/d到2 800t/d，氣化爐直徑從1.9m到3.4m，煤燒嘴安裝角度與爐膛中心的夾角均為4°。

3 爐內(nèi)動力場

鶴壁甲醇裝置殼牌氣化爐設(shè)計方為德國公司Shell Engineering Gummersbach，其前身主業(yè)設(shè)計鍋爐。殼牌氣化爐為四角切圓液態(tài)排渣，與四角切圓煤粉鍋爐燃燒情況類似，但后者在鍋爐運行中需要避免出現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)渣現(xiàn)象。

借鑒煤粉四角切圓鍋爐，當(dāng)動力切圓的直徑小時，會出現(xiàn)著火性能差、燃燒效率不高等問題；當(dāng)動力切圓的直徑過大時，對爐內(nèi)的燃燒有利，但容易造成風(fēng)粉分離，使煤粉因下沉而不能參與燃燒，往往容易引起水冷壁結(jié)渣。

3.1 爐內(nèi)實際切圓大時的流場特性

(1)在燃燒中，希望煤粉氣流在爐膛中能穩(wěn)定地著火，離開煤燒嘴較小的距離就能穩(wěn)定地著火，煤粉氧氣混合物經(jīng)噴嘴以射流方式被噴入爐膛后，通過卷吸周圍的高溫氣體和爐膛四壁及高溫火焰的輻射，煤粉受熱達(dá)到一定溫度后就開始著火。

(2)煤燒嘴四角布置時，爐膛四周熱負(fù)荷比較均勻，射流切于一個假想圓，在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動。氣流噴入爐膛后受到相鄰噴嘴的火焰點燃，具備良好的著火條件，火焰充滿度良好。

(3)切圓大小與結(jié)渣有著直接的關(guān)系，相同的爐膛直徑，切圓直徑越大，燃燒高溫區(qū)更靠近水冷壁，在熔化的煤灰粒子向爐膛邊沿運動的過程中，受到的冷卻效果減弱，煤灰粒子撞擊到水冷壁時還處于熔化狀態(tài)的可能性增大。這兩個因素的共同作用，會使氣化爐水冷壁更容易掛渣。

(4)當(dāng)切圓直徑較大時，徑向速度在一些區(qū)域向著壁面；而切圓較小時，速度全部向著爐膛中心。因此，氣化爐水冷壁結(jié)渣的趨勢是隨切圓直徑的增大而增大，熔融、半熔融渣粒被甩到水冷壁上并黏附于壁上而形成掛渣。

3.2 爐內(nèi)實際切圓小時的流場特性

切圓直徑過小時，火焰在爐膛充滿度差，高溫集中在中部，外周溫度較低，著火難度增大。著火過早易使燒嘴因過熱而燒壞，著火太遲會推遲整個燃燒過程，使火焰中心上移，造成爐膛出口處的受熱面結(jié)渣。

3.3 大型四角切圓煤粉鍋爐燃燒器的選擇

切圓直徑對鍋爐燃燒非常重要，國內(nèi)四角切向燃燒煤粉鍋爐通常選用擺動式噴燃器，通過調(diào)整噴口擺角改變火焰中心。噴燃器角度上下擺動±10°～20°，可使?fàn)t膛出口煙溫變化50℃～175℃，噴燃器角度的調(diào)整，是調(diào)節(jié)鍋爐最經(jīng)濟(jì)的手段。與中小型鍋爐相比，國內(nèi)大型鍋爐設(shè)計的切向噴燃器夾角一般大1°～2°。

3.4 殼牌氣化爐爐內(nèi)流場

鶴壁殼牌氣化爐為殼牌在中國轉(zhuǎn)讓的第13套合同裝置，已投運的氣化爐投煤量從1 100t/d到2 800t/d，氣化爐直徑從1.9m到3.4m。根據(jù)對業(yè)內(nèi)殼牌氣化爐運行情況的了解得知，投煤量1 000t/d爐型沒有積灰和堵渣現(xiàn)象，投煤量2 000t/d爐型氣化裝置積灰問題較為普遍，但堵渣問題不突出，投煤量2 800t/d爐型有2套，積灰和堵渣問題嚴(yán)重。

根據(jù)以上情況分析，氣化爐由于噴嘴的安裝角度固定，而實際燃燒過程中動力切圓的直徑與設(shè)計難免存在偏離，運行中又沒有類似于鍋爐擺動燃燒器的調(diào)節(jié)措施，隨著氣化爐爐徑的增大，當(dāng)爐內(nèi)設(shè)計流場與加大后的爐徑不相匹配時，將導(dǎo)致氣化爐積灰和堵渣問題越來越突出。

3.4.1 水冷壁掛渣較差

水冷壁掛渣較差，原因是爐內(nèi)切圓直徑較小，氣流旋轉(zhuǎn)較弱，氣流的擾動較小，火焰在爐內(nèi)的充滿度較小，燃燒的火焰高溫區(qū)域離水冷壁較遠(yuǎn)，引起爐壁處溫度較低，煤灰熔融性不好，水冷壁掛渣情況較差。在此種情況下，由于燃燒階段煤粉的燃盡性也較差，渣中形成的熔融顆粒較少，殘?zhí)己扛?，由于灰渣熔融量小，大部分為殘?zhí)?，除水冷壁掛渣較差外，氣化爐渣口堵渣情況減少，氣化爐維持在一個經(jīng)濟(jì)性很差的平衡中。

鍋爐切圓直徑較大時，徑向速度在一些區(qū)域向著壁面，爐膛切圓直徑大于一定值時，結(jié)渣數(shù)量將隨切圓直徑的增大而增多。根據(jù)以上情況分析，采取措施，增加切圓直徑，有助于氣化爐水冷壁掛渣。

3.4.2 氣化爐堵渣、冷卻器積灰

根據(jù)參考文獻(xiàn)中關(guān)于燃燒器水平擺角對四角切圓煤粉爐燃燒影響的數(shù)值分析，1 025t/h鍋爐(燃燒煤炭能力與鶴壁氣化爐能力接近)在夾角為0°時，爐內(nèi)溫度不均勻，爐膛下部溫度相比爐膛中部溫度低400～500℃，爐膛頂部折焰角后(相似于殼牌氣化爐入合成氣冷卻器入口位置)溫度降低,相比爐膛中部溫度基本不變。隨著水平擺角從0°增大到10°，爐膛內(nèi)部垂直方向溫度場均勻性增加，與夾角為0°相比，爐膛中部溫度變化不大，相比爐膛中部，爐膛下部溫度低150～300℃，爐膛頂部溫度則低300°。隨著夾角繼續(xù)增大到20°，燃燒器對應(yīng)高度與爐內(nèi)溫度相比，0°夾角低400℃，相比爐膛中部，爐底溫度則高出200℃，爐頂溫度高出100℃，由于爐內(nèi)溫度不均勻，爐膛內(nèi)有效容積下降。

氣化爐底部堵渣原因一般為氣化爐下部溫度較低，熔融灰渣因爐底低溫致黏度增大，導(dǎo)致流動不暢，情況惡化最終致堵塞渣口。參考張俊霞等人的實驗，結(jié)合鶴壁氣化爐情況進(jìn)行分析，一是氣化爐因夾角偏小，爐膛中部溫度不均勻，火焰充滿度較差，水冷壁處溫度較低，灰渣不能較好地黏結(jié)到水冷壁上，失去了氣化爐設(shè)計時以渣抗渣保護(hù)水冷壁的理念；二是氣化爐因夾角小，爐內(nèi)擾動性差，造成爐底溫度低，熔融灰渣因黏度增大堵塞渣口；三是氣化爐因夾角小，爐內(nèi)擾動性差，爐內(nèi)燃燒中心上移，不能有效冷卻，造成合成氣冷卻器入口溫度偏高，十字架處積灰程度增加。

殼牌氣化爐大小爐型煤燒嘴均為4°夾角，在小爐型中，此夾角形成的旋轉(zhuǎn)動力場可以滿足需要，而隨著爐型的增大，爐膛直徑增加，夾角沒有相應(yīng)變化，旋轉(zhuǎn)動力場直徑相對爐膛變小，出現(xiàn)了隨著氣化爐直徑的增加，氣化爐積灰、堵渣都在惡化的傾向。

4 煤燒嘴改造

針對鶴壁氣化爐的實際情況，分析對比不同系列爐型，隨著水平夾角的增大，爐膛下部溫度升高，有利于液態(tài)渣的流動排出，爐膛頂部溫度降低，有利于合成氣冷卻器減緩積灰。殼牌專利商經(jīng)重新計算后，建議將煤燒嘴夾角由4°改為5°。后經(jīng)過反復(fù)論證，在氣化爐安裝極限允許的前提下，將煤燒嘴夾角最終由4°改為6°，通過放大煤燒嘴角度，改變氣化爐內(nèi)流場，實現(xiàn)了氣化爐底熔渣的良好流動性，合成氣冷卻器十字架積灰情況也得以很好控制。

5 煤燒嘴改造前后對比

5.1 改造前后氣化爐運行工況

氣化爐工況對比見表1。

表1 氣化爐工況對比

由表1可見，優(yōu)化改進(jìn)措施實施后，氣化爐運行周期延長至110d，且期間均為CO2載氣工況，未發(fā)生過堵渣情況，氣化爐停車打開后發(fā)現(xiàn)下渣口情況良好，解決了氣化爐堵渣難題。由運行參數(shù)來看，氣化爐蒸汽產(chǎn)量降低約1kg/s，氣化爐溫度(以13TI0019為參照)降低18℃，氣化爐運行工況得以改善。

5.2 改造前后的合成氣冷卻器入口溫度對比

改造前后的合成氣冷卻器入口溫度對比見圖4。由優(yōu)化改造措施實施前后氣化爐壓差對比(圖5、6)亦可看出，氣化爐壓差上漲趨勢較為平緩，得到了較好控制。

圖4 改造前后的合成氣冷卻器入口溫度對比

圖5 優(yōu)化改造措施實施前氣化爐壓差變化情況

圖6 優(yōu)化改造措施實施后氣化爐壓差變化情況

改造后的合成氣冷卻器入口溫度相比改造前下降了25℃，相同負(fù)荷下，有效地減緩了合成氣冷卻器“十字架”積灰的速度。

5.3 改造后渣口堵渣情況改善

改造措施實施后，氣化爐在一個運行周期內(nèi)渣口無積渣，渣口呈較為規(guī)則平滑的圓形，證明氣化爐運行過程中排渣順暢。

6 結(jié)語

文章分析了煤燒嘴夾角對四角切圓氣化爐內(nèi)流場的影響，得出如下結(jié)論。

(1)煤燒嘴的夾角是影響四角切圓氣化爐溫度場分布的重要因素，對氣化爐的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。

(2)不同的爐膛直徑有不同的旋轉(zhuǎn)合適流場直徑，隨著爐膛直徑的增大，宜選用較大的假想切圓直徑。

(3)目前殼牌氣化爐四噴嘴煤燒嘴安裝角度均是4°夾角，由于煤燒嘴的噴口安裝角度不能改變，運行中沒有任何調(diào)節(jié)手段，專利商目前的這種設(shè)計使得氣化爐對煤種變化適應(yīng)能力差，建議今后參考大型鍋爐擺動燃燒器進(jìn)行設(shè)計制造。

[1] 王敬喜.四角切向燃燒燃煤鍋爐爐內(nèi)實際切圓的分析與研究[J].發(fā)電設(shè)備，2004，17(2)：74-76.

[2] 苗長信.噴燃器安裝角度對煤粉鍋爐燃燒的影響[J].中國電力，2004，37(12)：34-37.

[3] 楊成文.燃燒器擺角試驗[J].電站系統(tǒng)工程，2002，18(3)：30.

[4] 張俊霞，劉少龍，彭康.燃燒器水平擺角對四角切圓煤粉爐燃燒影響的數(shù)值分析[J].冶金能源.2016，34(5)：39-42.

[5] 李永華，司金茹.不同擺角下四墻切圓燃燒器的數(shù)值摸擬[J].中國電機工程學(xué)報，2011，47(11)：17-24.

修改稿日期： 2016-09-10

Optimization of the Flow Field of Shell Gasifier with Large Coal Feeding

ZHANG Shui-he

(ChemicalBranchCompany，HebiCoalandElectricityCompanyLtd.，HebiHenan458000China)

The 600，000 t/a methanol project of Hebi Coal and Electricity Company uses the Shell’s powder coal gasification technology with the coal feeding amount of 2 800 t/d.It is currently the plant with the largest single coal feeding in China.In 2013，the plant was put into operation.The “cross” dusting at the gas cooler of gasification furnace and the slaging at the gasification slag mouth have always been the biggest bottleneck in continuous production，resulting in the low gasifier load，short operation cycle，etc.To solve these problems，the burner is modified by adjusting the angle of gasification furnace burner (coal burner)，changing the internal temperature field of gasification furnace，improving the stability of the slagging hole，relieving the dusting problem of gas cooler.Thus，the slagging of furnace water wall is greatly improved.The desired effect is achieved after the transformation.

gasifier；flow field；optimization；transformation

張水合(1966年—)，男，河南禹州人，1986年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)系，工程師，現(xiàn)任鶴壁煤電股份有限公司化工分公司總經(jīng)理，負(fù)責(zé)鶴壁煤電60萬t/a甲醇項目的生產(chǎn)經(jīng)營工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.013

TA 545

B

1004-8901(2017)01-0052-04