李曉東，張鎵鑠

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油項(xiàng)目建設(shè)指揮部，寧夏銀川 750411）

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干煤粉氣化爐下渣口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)比分析

李曉東，張鎵鑠

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制油項(xiàng)目建設(shè)指揮部，寧夏銀川 750411）

摘 要：對(duì)干煤粉氣化技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了綜述，并重點(diǎn)研究了氣化爐下渣口結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比不同下渣口結(jié)構(gòu)的制造、安裝、運(yùn)行、檢修的難易程度，以及對(duì)不同下渣口結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別（水冷壁的磨損、下降管的燒損等），具體對(duì)比了兩種已應(yīng)用的氣化爐渣口水冷壁與下降管組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出推薦理由。

關(guān)鍵詞：干煤粉；氣化爐；渣口水冷壁；下降管；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

目前，干煤粉加壓氣流床氣化爐內(nèi)件大多采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，其最大優(yōu)點(diǎn)為“以渣抗渣”。國(guó)際領(lǐng)先煤粉加壓氣化技術(shù)為殼牌、GSP及航天爐。殼牌投資過(guò)大，吹灰過(guò)濾器損壞頻繁；GSP氣化爐合成氣帶灰問(wèn)題嚴(yán)重，合成氣洗滌流程過(guò)長(zhǎng)，系統(tǒng)壓降較大；航天爐為解決此問(wèn)題采取氣化爐內(nèi)增加下降管和激冷環(huán)的方式，雖然解決了合成氣帶灰問(wèn)題，但由于氣化爐下渣口結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率低、有效氣含量低的問(wèn)題。所以下渣口的結(jié)構(gòu)直接影響合成氣在氣化爐內(nèi)的洗滌效果及碳轉(zhuǎn)化率，下渣口過(guò)大造成碳轉(zhuǎn)化率低，下渣口過(guò)小則會(huì)造成渣口與下降管的管徑比過(guò)大，高溫合成氣與熔渣在下渣口處發(fā)生散射，下渣口結(jié)渣。所以下渣口處水冷壁的結(jié)構(gòu)不合理可導(dǎo)致渣口和下降管的堵塞或失效。本文將對(duì)渣口水冷壁及下降管的結(jié)構(gòu)應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

1 GSP氣化爐設(shè)計(jì)下降管的原因

目前GSP氣化爐為高溫的粗煤氣和液態(tài)的灰渣一起離開(kāi)氣化爐的反應(yīng)室，并自上而下進(jìn)入激冷室。粗煤氣和熔融的灰渣被激冷室側(cè)壁周圍設(shè)置的多組水噴頭噴淋后，冷卻形成的顆粒物落入渣池。激冷后的粗煤氣夾雜的飛灰進(jìn)入合成氣洗滌單元。經(jīng)煤氣化裝置運(yùn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，合成氣只經(jīng)過(guò)激冷噴頭洗滌，未經(jīng)過(guò)水浴洗滌會(huì)造成大量飛灰及少量灰渣隨合成氣進(jìn)入合成氣洗滌單元，導(dǎo)致合成氣洗滌單元負(fù)荷增大，設(shè)備、閥門(mén)、管道磨損嚴(yán)重。

針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)新設(shè)計(jì)的干煤粉氣化爐增加下降管，使含灰合成氣經(jīng)過(guò)水浴直接接觸冷卻洗滌。由于熔融態(tài)渣和合成氣流出下渣口時(shí)，會(huì)因?yàn)榭臻g的突然放大，將發(fā)生散射及回流，如果結(jié)構(gòu)不合理會(huì)造成以下幾種情況：①合成氣及熔渣破壞水膜，燒損下降管；②高溫灰渣沖刷激冷環(huán)，激冷環(huán)被磨蝕；③熔渣散射，磨損下降管；④下渣口結(jié)渣；⑤高溫氣流偏流導(dǎo)致水膜厚度不均勻，下降管溫度分布不均勻，最終引起下降管燒塌。所以下渣口的結(jié)構(gòu)成為直接影響氣化爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)下渣口需考慮的因素

設(shè)計(jì)下渣口時(shí)應(yīng)充分考慮以下問(wèn)題。

（1）如何避免高溫熔融態(tài)渣及合成氣對(duì)下渣口的沖刷問(wèn)題。

（2）解決下降管與下渣口的結(jié)構(gòu)匹配問(wèn)題，避免高溫熔渣及合成氣的流場(chǎng)紊亂。

（3）激冷環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行，激冷水膜的有效形成。

（4）解決下渣口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的碳轉(zhuǎn)化率低問(wèn)題。

（5）解決因下渣口下部盤(pán)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成渣口散射，導(dǎo)致下降管燒損的問(wèn)題。

（6）避免因下渣口內(nèi)徑過(guò)小，造成燃燒室下渣口堵渣的現(xiàn)象發(fā)生。

（7）保證干煤粉激冷氣化爐長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 下渣口結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

新型氣化爐，激冷水溫度為210℃，壓力為4.5 MPa，激冷水流量為450 t/h。激冷水通過(guò)兩種形式流入下降管：一是100個(gè)直徑為10 mm環(huán)隙沿下降管壁面向下流動(dòng)在下降管壁面上形成一層液膜；另一種為10 mm的環(huán)隙，該層液膜既能與高溫合成氣進(jìn)行換熱（屬于傳熱與傳質(zhì)的過(guò)程），同時(shí)又能保護(hù)下降管不被高溫合成氣燒損。

氣化爐下渣口及激冷室的設(shè)計(jì)是煤氣化產(chǎn)生高溫合成氣冷卻的重要環(huán)節(jié)，直接影響到氣化爐的處理能力、冷卻高溫合成氣的能力，下降管尺寸相對(duì)來(lái)說(shuō)較為狹小，流動(dòng)和換熱極為復(fù)雜，內(nèi)部換熱是有相變的氣液兩項(xiàng)流，易受到外部干擾，工況不容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

下渣口處高溫合成氣的溫度為1 350 K，合成氣進(jìn)口流速為17 m/s。氣化爐下渣口至下降管底部溫度分布見(jiàn)圖1，氣化爐下渣口至下降管底部速度場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。激冷室結(jié)構(gòu)中，激冷環(huán)出口水速度變化見(jiàn)圖3，激冷室下渣口至下降管底部冷卻水分布見(jiàn)圖4。

圖1 氣化爐下渣口至下降管底部溫度分布

圖2 氣化爐下渣口至下降管底部速度場(chǎng)分布

圖1中，高溫合成氣入口溫度為1 350 K，出口溫度降為300 K。

圖2入口處，高溫合成氣的入口速度高達(dá)17 m/s，由于合成氣溫度逐漸降低，合成氣密度增大，氣體流速逐漸降低，在出口處冷卻后的合成氣出口速度降為2 m/s左右。

圖4中，在冷卻水的換熱過(guò)程中，由于高溫合成氣和熔渣傳遞過(guò)來(lái)的熱量使部分水蒸發(fā)產(chǎn)生一定量的水蒸氣，所以沿著下降管液態(tài)冷卻水的量明顯減少。

圖3 激冷環(huán)出口水速度變化

圖4 激冷室下渣口至下降管底部冷卻水分布

4 下渣口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)比分析

4.1 結(jié)構(gòu)圖

新型的下渣裝置方案1見(jiàn)圖5，方案2見(jiàn)圖6。

4.2 下渣口設(shè)計(jì)相關(guān)要求

（1）下渣口水冷壁及氣渣保護(hù)屏采用冷卻盤(pán)管的結(jié)構(gòu)，水冷壁內(nèi)通入冷卻水，降低水冷壁表面的磨損。

（2）在安裝時(shí)，方案1的氣渣保護(hù)屏及方案2的下渣口底部略低于激冷環(huán)中心面，在正常運(yùn)行過(guò)程中，激冷環(huán)上部受熱將向下伸長(zhǎng)，激冷環(huán)與氣渣保護(hù)屏緊密貼合，減緩了對(duì)激冷環(huán)的沖刷。

（3）方案1下渣口水冷壁、氣渣保護(hù)屏與激冷環(huán)之間，及方案2下渣口水冷壁與下渣口之間留有熱膨脹空間，盡量將膨脹空間設(shè)計(jì)得盡可能小，防止高溫膨脹及高溫氣燒損激冷環(huán)上部組件。

圖5 新型的下渣裝置方案1

圖6 新型的下渣裝置方案2

（4）激冷環(huán)上部組件主要起到保護(hù)固定氣渣保護(hù)屏及激冷環(huán)的作用，同時(shí)該組件在下渣口水冷壁及氣渣保護(hù)屏間隙處設(shè)計(jì)為水冷夾套型式，防止高溫氣反竄損壞該組件。

（5）在死區(qū)1、2設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)為溫度聯(lián)鎖，防止耐火纖維脫落造成高溫合成氣反串燒損激冷環(huán)上部連接件，損壞下降管。

（6）下渣口水冷壁表面設(shè)置為錨固釘表面涂搗打料的形式，可有效保證下渣口實(shí)現(xiàn)以渣抗渣。氣渣保護(hù)屏設(shè)計(jì)為蛇形管表面進(jìn)行堆焊，有效保證該處的運(yùn)行。

5 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5.1 死區(qū)

5.1.1 通入惰性氣體

對(duì)于方案1，其優(yōu)點(diǎn)包括：死區(qū)空間小，生產(chǎn)過(guò)程中惰性氣體受系統(tǒng)壓力波動(dòng)影響較??；其缺點(diǎn)包括有：兩個(gè)死區(qū)，惰性氣體監(jiān)控點(diǎn)較多，生產(chǎn)過(guò)程中增加了監(jiān)盤(pán)點(diǎn)。

對(duì)于方案2，其優(yōu)點(diǎn)包括：一路惰性氣體只有一個(gè)控制點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中容易監(jiān)盤(pán)；其缺點(diǎn)包括：死區(qū)空間大，在運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)壓力波動(dòng)，惰性氣體不能及時(shí)補(bǔ)給，容易造成高溫合成氣竄入死區(qū)，燒損下降管上部支撐。

二者的共同缺點(diǎn)有：①死區(qū)該部分氣體沿激冷環(huán)流至下降管，干擾下降管水膜分布；②惰性氣體會(huì)造成下游合成工段排放大量弛放氣，致使合成氣浪費(fèi)；③系統(tǒng)壓力波動(dòng)，惰性氣不能及時(shí)補(bǔ)充，易造成高溫合成氣反竄至死區(qū)內(nèi)，燒損激冷環(huán)上部組件。

5.1.2 死區(qū)通入冷卻水

其共同的優(yōu)點(diǎn)有：利用后工段回收的冷凝水或處理后的灰水作為激冷水在死區(qū)內(nèi)噴淋，減少惰性氣體的通入量，進(jìn)而減少后工段尾氣的排放，同時(shí)受到系統(tǒng)壓力波動(dòng)影響較小，有效保證死區(qū)溫度。

其共同的缺點(diǎn)有：①開(kāi)停車期間，由于系統(tǒng)壓力、負(fù)荷波動(dòng)較大，激冷水水質(zhì)不能得到保證，易受到含固量的影響，當(dāng)含固量過(guò)高時(shí)，造成激冷水噴頭磨損，導(dǎo)致霧化效果差，下降管上部不能受噴淋保護(hù)，可能被燒損；同時(shí)由于系統(tǒng)負(fù)荷不斷波動(dòng)，造成死區(qū)與激冷環(huán)環(huán)隙出現(xiàn)熔渣結(jié)塊；②當(dāng)水量過(guò)小時(shí)，激冷水被高溫熔渣及合成氣的熱輻射蒸發(fā)為水蒸氣，激冷環(huán)和下降管上部可能被高溫?zé)龘p。當(dāng)通入激冷水過(guò)大，激冷環(huán)上部會(huì)形成低溫區(qū)，高溫合成氣在此區(qū)域形成回流，打亂激冷環(huán)水膜區(qū)域流場(chǎng)，影響水膜的形成，導(dǎo)致下降管被燒損。

5.1.3 死區(qū)填充耐火纖維

對(duì)于方案1，其缺點(diǎn)有：①死區(qū)2空間較小，安裝難度較大，由于下降管無(wú)法設(shè)置手孔，所以先安裝水冷壁后填充是不可能的，為了保證填充質(zhì)量，檢修時(shí)只能拆卸下渣口及氣渣保護(hù)屏填充耐火纖維，然后再進(jìn)行安裝；②下渣口水冷壁、氣渣保護(hù)屏及下降管之間需留有熱膨脹空間，當(dāng)空隙過(guò)大時(shí)高溫氣會(huì)熱輻射至激冷環(huán)上部組件，同時(shí)耐火纖維有脫落風(fēng)險(xiǎn)，空隙過(guò)小不能保證熱膨脹。

對(duì)于方案2，其優(yōu)點(diǎn)為耐火材料填充較方便。

兩個(gè)方案共同的缺點(diǎn)是均需考慮氣渣保護(hù)屏、下渣口底部角度，防止角度過(guò)大造成高溫合成氣及熔渣散射，影響下降管表面激冷水膜分布，最終致下降管被燒傷。

5.2 冷卻水系統(tǒng)

5.2.1 氣渣保護(hù)屏

方案1的優(yōu)點(diǎn)有：①保證高溫合成氣及熔渣以梯度逐級(jí)遞減的方式進(jìn)入下降管內(nèi)，極大地減緩高溫氣體因空間放大而發(fā)生的散射和渦流，有效規(guī)避負(fù)荷、壓力波動(dòng)帶來(lái)的流場(chǎng)變化；②采用水冷壁冷卻盤(pán)管，進(jìn)行耐磨處理，可延長(zhǎng)使用壽命。因下渣口屬于易損壞部件，故下渣口與氣渣保護(hù)屏為兩個(gè)獨(dú)立部件，便于檢修更換。

其缺點(diǎn)有：①氣渣保護(hù)屏為過(guò)渡段，此處高溫合成氣流場(chǎng)相對(duì)紊亂難掛渣，故氣渣保護(hù)屏不能設(shè)計(jì)為錨固釘表面涂搗打料的形式；②需優(yōu)化氣渣保護(hù)屏底部角度，防止角度過(guò)大造成高溫合成氣及熔渣散射，從而磨損和燒傷下降管表面，影響下降管表面激冷水膜分布，最終致使下降管被燒傷。

5.2.2 下渣口水冷壁

方案1的優(yōu)點(diǎn)有：①長(zhǎng)度較小，不易出現(xiàn)堵渣及燒損的現(xiàn)象；②無(wú)擴(kuò)徑，下渣口無(wú)磨損現(xiàn)象，易掛渣。

方案2的優(yōu)點(diǎn)有：①將2個(gè)死區(qū)合并為一個(gè)大的死區(qū)，減少風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；②無(wú)氣渣保護(hù)屏冷卻水的控制，減少操作監(jiān)盤(pán)點(diǎn)；③設(shè)計(jì)一個(gè)斜角，保證渣氣不會(huì)立即因?yàn)榭臻g的放大而形成擾流，同時(shí)降低了高溫熔渣對(duì)水冷壁斜角的磨損。

其缺點(diǎn)包括：①當(dāng)氣化爐負(fù)荷或壓力變化過(guò)大時(shí)，火焰直接燒到下渣口，因管線過(guò)長(zhǎng)而造成水被氣化無(wú)法帶走更多的熱量，下渣口極有可能被燒損；②因下渣口水冷壁冷卻水與燃燒室水冷壁為同一水源，下渣口水冷壁進(jìn)水量增大，阻力降增加，需要設(shè)置節(jié)流孔板，調(diào)節(jié)各水冷壁段的冷卻水量分布，否則出現(xiàn)搶水現(xiàn)象，下渣口的穩(wěn)定不能得到保障；③需優(yōu)化下渣口水冷壁斜角的角度，確保含灰渣的合成氣不會(huì)沖刷下部水冷壁及下降管表面激冷水水膜；④此結(jié)構(gòu)只適用于下渣口內(nèi)徑與下降管管徑相差較小的氣化爐，當(dāng)兩者內(nèi)徑相差較大時(shí)，要充分考慮下渣口下部斜體的角度及導(dǎo)向管擴(kuò)徑角度。從氣化爐燃燒室進(jìn)入下降管的高溫熔渣和合成氣容易受氣化爐壓力、負(fù)荷變化的影響而發(fā)生散射，造成激冷環(huán)水膜的破壞，或下渣口水冷壁無(wú)法掛渣。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，兩個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，從方案對(duì)比及實(shí)際應(yīng)用得出，兩個(gè)方案的死區(qū)無(wú)法通入惰性氣體或冷卻水，最佳方案的選擇是填充耐火纖維并安裝溫度檢測(cè)。而方案1較方案2的主要區(qū)別在于下渣口水冷壁及氣渣保護(hù)屏的結(jié)構(gòu)，從工業(yè)化驗(yàn)證及兩個(gè)方案的對(duì)比可以總結(jié)出，方案1適用于下渣口內(nèi)徑與下降管管徑之比相差較大的氣化爐，而方案2適用于兩者相差較小的氣化爐。

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.007 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.007

中圖分類號(hào)：TQ545

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901（2016）03-0023-04

作者簡(jiǎn)介：李曉東（1976年-），男，寧夏銀川人，1994年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，工程師，現(xiàn)擔(dān)任神華寧煤400萬(wàn)噸煤炭間接液化項(xiàng)目副總指揮。

收稿日期：2016-02-19

Comparative Analysis on the Membrane Wall Structure Design and Application of Pulverized Coal Gasifier Slag Tap

LI Xiao-dong，ZHANG Jia-shuo
（Shenhua Ningxia Coal Industry Group CTL Project Construction Headquarters，Yinchuan Ningxia 750411 China）

Abstract：This paper summarizes the development tendency of pulverized coal gasification technologies and studies the slag tap structures of gasifier. Through comparison of the complexity of manufacture，installation，operation and maintenance of different slag taps and identification of operation risks of six kinds of combination of membrane wall of slag tap and dip-leg quench（such as：membrane wall worn-out，dip-leg quench burnt out），the advantages and disadvantages of two kinds of combined structures of membrane wall and dip-leg quench used in gasifier and recommended reasons have been given in detail.

Keywords：pulverized coal；gasifier；membrane wall of slag tap；structure；application