多喷嘴对置式水煤浆气化炉

多喷嘴对置式水煤浆气化炉


水煤浆气化压力~4.0MPa，温度~1350℃。在此高温下化学反应速率相对较快，气化过程由~900℃的化学反应控制、~1100℃的化学反应与传递共同控制(900~1100℃为固定床、流化床的通常温度范围)跃升为传递控制，气化过程速率为传递过程控制。本成果采用受限射流条件下多喷嘴对置形成撞击流，并优化炉型结构及尺寸，旨在加强混合，强化热质传递。撞击流气化炉流场结构由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成，其流场结构及混合尺度、停留时间分布、浓度分布比较理想，为煤气化反应创造有利条件。
四喷嘴对置撞击流气化炉流场结构
(2) 预膜式水煤浆气化喷嘴
喷嘴对整个气化装置的高效、长周期运行具有重要影响。水煤浆和氧气通过喷嘴进入气化炉，水煤浆在高速氧气作用下雾化成小浆滴，增加水煤浆比表面积，实现反应物料之间的充分混合，促进热质传递过程和化学反应的进行。
预膜式喷嘴采用氧气与水煤浆同时离开喷嘴，喷嘴内部没有预混段，运用内、外侧高速氧气的扰动实现水煤浆的雾化和水煤浆与氧气的充分混合。与Texaco预混式喷嘴相比，预膜式喷嘴的氧气压力损失大大降低，雾化滴径(SMD)约降低10%。这是因为预膜式喷嘴水煤浆膜初始厚度降低，更易于雾化。由于避免了水煤浆与中心氧气的预混，大大降低了煤浆通道的出口速度，减少了煤浆通道的磨损，对延长喷嘴寿命有利。
(3) 复合床洗涤冷却室
气化生成的高温且含有大量熔渣的粗合成气进入位于气化室下方的洗涤冷却室，实现粗合成气的冷却、洗涤和增湿。新型洗涤冷却室采用喷淋床与鼓泡床的复合床型。喷淋床内洗涤冷却水通过水分布环均布，沿洗涤冷却管内壁降膜流动并喷淋粗合成气。粗合成气与洗涤冷却水间进行剧烈的传热过程，同时进行洗涤冷却水汽化、粗合成气增湿及冷却等过程。洗涤冷却水的喷淋流动既保护洗涤冷却管免受高温合成气的热辐射，又增加了热质传递的有效界面积。出洗涤冷却管下端的粗合成气进入液相主体，鼓泡上升，利用鼓泡床内设置的多层分隔板，实现气泡的破碎、增加热质传递面积、增加床层的稳定性等。
2.2.2 多喷嘴对置式水煤浆气化工艺原理
多喷嘴对置式水煤浆气化技术工艺原理简图
(1) 多喷嘴对置式水煤浆气化工序
    水煤浆通过四个对称布置在气化炉中上部同一水平面的预膜式喷嘴，与氧气一起对喷进入气化炉，在炉内形成撞击流，强化热质传递，完成雾化和气化反应过程。工业装置运行已证实工艺技术指标先进。
    运用交叉流式洗涤冷却水分布器，强化高温合成气与洗涤冷却水间的热质传递过程。复合床高温合成气冷却洗涤设备可很好地解决洗涤冷却室带水带灰、液位不易控制等问题，并使合成气充分润湿。
(2) 合成气初步净化工序
本成果采用“分级”的概念，混合器、分离器、水洗塔三单元组合，即先“粗分”再“精分”，属高效、节能型。混合器后设置分离器，除去80~90%的细灰，使进入水洗塔的合成气较为洁净；加入水洗塔的洗涤水比加入混合器的润湿洗涤水更清洁，保证洗涤效果。工业装置运行已表明具有良好的洗涤效果。
(3) 含渣水处理工序
    本成果采用含渣水蒸发产生的蒸汽与灰水直接接触，同时完成传质、传热过程，其先进性为：不会堵塞；回收热量充分，热效率高。工业装置运行已证实有较长的操作周期和很好的能量回收效果。
3. 性能指标
    建于兖矿国泰化工有限公司的多喷嘴对置式水煤浆气化工业示范装置，以北宿精煤为原料，性能指标如下：l比氧耗：309Nm3O2/1000Nm3(CO+H2)；
l比煤耗：535kg煤/1000Nm3(CO+H2)；
l合成气有效成分CO+H2：84.9%；
l碳转化率：>98%；
l气化压力：4.0MPa；
l气化温度：~1300℃；
l气化装置规模：1150吨煤/天。
4. 与国内外同类技术比较
4.1 与引进水煤浆气化技术的区别
l引进水煤浆气化技术为单喷嘴，流场为受限射流，停留时间分布宽，碳转化率低，射流以较大速度冲刷耐火砖。多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用撞击流，旨在加强混合，强化热质传递。实践证明气化效果优于引进水煤浆气化技术。
l引进水煤浆气化技术为预混式喷嘴。多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用预膜式喷嘴，属高效、节能型，氧气压降低。
引进水煤浆气化技术洗涤冷却室结构为上升管-下降管套筒式，粗合成气易带水带灰。多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用复合床洗涤冷却室。
引进水煤浆气化技术采用文氏管与筛板塔组合初步净化煤气方案，多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用混合器、分离器、水洗塔组合方案，采用“分级”净化，属高效、节能型净化工艺。
引进水煤浆气化技术采用间接换热方案回收黑水余热，多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用直接换热方案回收黑水热量，有利于解决换热器结垢堵塞问题，提高热传递效率。
4.2 技术性能比较
工业运行证实，多喷嘴对置式水煤浆气化装置具有如下优点：该装置开车方便、操作灵活、负荷增减自如，操作的方便程度优于引进水煤浆气化装置；自动化程度高，全部采用集散控制系统(DCS)控制，特别是氧煤比投自动串级控制，气化炉操作简单方便；整个气化系统运行状况稳定；工艺技术指标先进；洗涤冷却室液位可控，无带水带灰现象发生；合成气中细灰含量低；含渣水系统热回收效率高，灰水温度得到最大程度提高，无影响长周期运转的隐患；在一对喷嘴运行、系统处于正常操作压力下，可进行另一对喷嘴的带压连投，大大提高了整个生产系统的操作稳定性、连续性。