王國梁

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 750411）

目前，國內(nèi)干煤粉氣流床氣化技術(shù)應(yīng)用日趨增多，其中氣化爐是裝置運(yùn)行的核心設(shè)備，而燒嘴是氣化爐長(zhǎng)周期、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，與氣化爐結(jié)構(gòu)的匹配性至關(guān)重要。煤氣化時(shí)，煤粉與氧氣及次高壓蒸汽自主燒嘴端部噴出后，在主燒嘴端部一個(gè)較短的過渡區(qū)域內(nèi)，高速射流的流體形成剪切層，剪切層自然不穩(wěn)定性的迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致了漩渦的形成，漩渦會(huì)導(dǎo)致射流對(duì)周圍流體的卷吸[1]，由于卷吸作用的存在，使得射流寬度沿長(zhǎng)度方向不斷增加，當(dāng)射流擴(kuò)張受到壁面限制且周圍流體量小于射流所能卷吸的量時(shí)，由于反向壓力梯度的存在，在爐膛內(nèi)會(huì)產(chǎn)生回流[2]。因此，燒嘴的氧氣旋流角度是影響爐膛內(nèi)流場(chǎng)分布的一個(gè)重要因素。

本文以某煤化工基地2 200 t/d投煤量、頂置單噴嘴下行激冷流程干煤粉氣化爐為試驗(yàn)裝置，在其他工況相同時(shí)，研究了不同燒嘴氧氣旋流角度（23°、25°和27°）[2-3]對(duì)有效氣、氣化效率、水冷壁熱損、單耗等指標(biāo)的影響，以期為同類氣化技術(shù)提供參考。

1 干煤粉氣化工藝流程及氣化爐組合燒嘴結(jié)構(gòu)

1.1 干煤粉氣化工藝流程

干煤粉氣化工藝流程示意圖見圖1。微正壓的煤粉通過兩個(gè)交替運(yùn)行的煤粉鎖斗不間斷地進(jìn)入高壓煤粉給料罐，利用煤粉給料罐與氣化爐間的壓差，將處于流化態(tài)的煤粉經(jīng)主燒嘴噴入氣化爐燃燒室，在燃燒室的高溫火焰下進(jìn)行氣化反應(yīng)。由于煤粉氣化反應(yīng)所需的氧氣量遠(yuǎn)小于煤粉完全氧化所需的氧氣量，因此煤粉在燃燒室中進(jìn)行了部分氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生了以H2和CO為主的合成氣。熱合成氣和熔渣通過下降管離開氣化爐反應(yīng)室，一起向下流動(dòng)至氣化爐激冷室（出下降管的熱合成氣、熔渣與激冷水混合，熔渣迅速固化，大部分粗渣進(jìn)入激冷室下部的水浴中，小部分細(xì)灰隨合成氣進(jìn)入下游工序）。在氣化爐激冷室下游配置有合成氣洗滌單元，經(jīng)過洗滌處理的合成氣將被送往下游變換裝置。氣化爐激冷室以及合成氣洗滌單元產(chǎn)生的黑水被送至閃蒸系統(tǒng)，黑水經(jīng)過閃蒸系統(tǒng)脫除酸氣并回收熱量。經(jīng)過閃蒸后的黑水、來自撈渣機(jī)的渣水和來自真空帶式過濾機(jī)的濾液被一起送至黑水處理系統(tǒng)，將黑水中的固體進(jìn)行分離后，大部分澄清水作為系統(tǒng)的回用水，一小部分灰水作為廢水送至污水處理單元進(jìn)一步處理[4]。其中組合燒嘴的主要用途是將氧氣、水蒸氣混合物和氣流輸送的煤粉在組合燒嘴出口進(jìn)行混合與霧化，之后進(jìn)入氣化爐燃燒室，在1 450℃～1 650℃、4.4 MPa（G）的條件下進(jìn)行局部氧化的氣化反應(yīng)，生成以H2和CO為主的合成氣。

圖1 干煤粉氣化工藝流程示意圖

1.2 組合燒嘴的結(jié)構(gòu)

該氣化爐采用單噴嘴置頂噴式水冷壁結(jié)構(gòu)，分為燃燒室和激冷室兩大部分，其中燃燒室為閉式循環(huán)膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，激冷室為下降管加破泡條結(jié)構(gòu)。組合燒嘴由點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴構(gòu)成[5]，其中主燒嘴氧氣通過點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴的環(huán)隙經(jīng)氧氣分布器進(jìn)入氣化爐燃燒室，氧氣分布器安裝在點(diǎn)火燒嘴端部，其中旋流角度是氧氣分布器的關(guān)鍵安裝參數(shù)。氧氣分布器示意圖如圖2所示。

圖2 氧氣分布器示意圖

1.3 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

該氣化爐用煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

2 不同氧氣旋流角度對(duì)氣化指標(biāo)的影響

該干煤粉氣化爐分別對(duì)不同氧氣旋流角度（23°、25°和27°）的燒嘴進(jìn)行了為期5 d的試用，并對(duì)有效氣、氣化效率、水冷壁熱損、單耗等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 有效氣

干煤粉加壓氣化工藝的特點(diǎn)是通過高溫、高壓的氣化反應(yīng)，使噴入氣化爐的煤粉與氧氣、水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成粗煤氣（CO、H2、CO2、CH4等），其中CO和H2為有效氣，有效氣含量越高，氣化效率越高。不同氧氣旋流角度下的有效氣組分見表2。由表2可知，氧氣旋流角度為25°時(shí)，有效氣的體積分?jǐn)?shù)在92.29%左右；氧氣旋流角度為27°時(shí)，有效氣的體積分?jǐn)?shù)最低，在91.86%左右，比25°時(shí)低0.43個(gè)百分點(diǎn)，但其甲烷含量低，表明燒嘴火焰變短變寬，返混區(qū)域擴(kuò)大，氧氣與煤粉在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，煤粉燃燒更充分；氧氣旋流角度為23°時(shí)，有效氣的體積分?jǐn)?shù)最高，在92.87%左右，比25°時(shí)高0.58個(gè)百分點(diǎn)，但其甲烷含量偏高，表明燒嘴火焰變長(zhǎng)變窄，爐溫偏低，煤粉燃燒不充分。

表2 不同氧氣旋流角度下的有效氣組分

2.2 氣化效率

不同氧氣旋流角度下的氣化效率見表3。由表3可知，氧氣旋流角度為27°時(shí)，渣、餅殘?zhí)悸首畹?，碳轉(zhuǎn)化率最高，煤粉燃燒充分，但冷煤氣效率最低，說明有效氣產(chǎn)量最低，氣化效率低；氧氣旋流角度為23°時(shí)，渣、餅殘?zhí)悸首罡?，煤粉未完全反?yīng)或是一部分未反應(yīng)，碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率低，說明煤粉燃燒不充分，有效氣產(chǎn)量低；氧氣旋流角度為25°時(shí)，渣、餅殘?zhí)悸屎吞嫁D(zhuǎn)化率處于中間水平，冷煤氣效率最高，有效氣產(chǎn)量最大。

表3 不同氧氣旋流角度下的氣化效率

2.3 水冷壁熱損

不同氧氣旋流角度下的水冷壁熱損見表4。由表4可知，氧氣旋流角度為23°時(shí)，燒嘴火焰變長(zhǎng)，下渣口和熱裙溫差增大，但幅度不大；氧氣旋流角度為27°時(shí)，氧氣/次高壓蒸汽噴出后的張角增大，中心高速氣流的直徑增加，燃燒室內(nèi)返混區(qū)域增加，燃燒火焰長(zhǎng)度變短，直徑變大，燒嘴罩溫差增大，熱裙溫差減小。3種氧氣旋流角度的燒嘴對(duì)水冷壁盤管的影響均較小。

表4 不同氧氣旋流角度下的水冷壁熱損

2.4 單耗

不同氧氣旋流角度下的公用介質(zhì)單耗（每1 000 m3有效氣、100%負(fù)荷）見表5。

表5 不同氧氣旋流角度下的公用介質(zhì)單耗

由表5可知，氧氣旋流角度為25°時(shí)，氣化爐的單耗最低；氧氣旋流角度為27°時(shí)，氣化爐的單耗最高。

3 結(jié) 論

氣化爐燒嘴氧氣旋流角度在23°時(shí)，有效氣含量最高，渣、餅殘?zhí)悸首罡?；?7°時(shí)，有效氣含量最低，渣、餅殘?zhí)悸首畹?，但此時(shí)燃燒火焰長(zhǎng)度變短，直徑變大，燒嘴罩溫差增大，有效氣產(chǎn)量最低，單耗最高；在25°時(shí)，有效氣含量和渣、餅殘?zhí)悸侍幱谥虚g水平，但此時(shí)冷煤氣效率最高，有效氣產(chǎn)量最大，單耗最低。綜上所述，當(dāng)氧氣旋流角度為25°時(shí)，氣化爐的氣化性能最佳。