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(chǎng)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(wàn)t/a甲醇項(xiàng)目，采用殼牌粉煤氣化工藝，投煤量2 800t/d，為目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)單臺(tái)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(wèn)題一直是實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的最大瓶頸，因積灰和堵渣問(wèn)題會(huì)造成氣化爐負(fù)荷低、運(yùn)行周期短等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)裝置進(jìn)行了燒嘴改造。通過(guò)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(chǎng)，提高渣口排渣的穩(wěn)定性，緩解合成氣冷卻器的積灰問(wèn)題，使?fàn)t膛水冷壁掛渣有較大改善，改造實(shí)施后，達(dá)到了預(yù)期效果。

氣化爐；流場(chǎng)；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(xiàng)目殼牌氣化爐為國(guó)內(nèi)投運(yùn)單臺(tái)投煤量最大的殼牌氣化裝置，自2013年投料生產(chǎn)以來(lái)，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(shí)，80%的氧負(fù)荷也不能夠長(zhǎng)周期運(yùn)行，每個(gè)生產(chǎn)周期僅30d左右；裝置投運(yùn)2年多，共計(jì)停車(chē)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(gè)燒嘴分2個(gè)1組對(duì)稱(chēng)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(wú)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(jì)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?dú)廨斆汗r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(chē)，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(jì)值30℃以上，爐渣中殘?zhí)几?設(shè)計(jì)殘?zhí)?1%，二氧化碳工況可以達(dá)到，但氮?dú)夤r殘?zhí)歼_(dá)到10%～20%)、掛渣情況差等問(wèn)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(chē)的狀況時(shí)有發(fā)生。為了減少結(jié)渣事故，可以通過(guò)提高氣化爐內(nèi)溫度來(lái)解決，但爐溫提高后，離開(kāi)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(wèn)題，煤氣化爐在二氧化碳工況下裝置基本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。氣化爐積灰、堵渣、水冷壁掛渣情況見(jiàn)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(jì)為圓形，煤燒嘴位于爐膛的中下部，安裝在4個(gè)對(duì)稱(chēng)的位置，噴嘴噴射的方向?yàn)槌蛱幵跔t膛對(duì)稱(chēng)中心的一個(gè)假想切圓，并與之相切。工作時(shí)，4個(gè)噴嘴同時(shí)噴射，噴嘴對(duì)準(zhǔn)假想切圓噴射，在爐膛內(nèi)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)又形成一個(gè)動(dòng)力切圓。目前已投入運(yùn)行的殼牌氣化爐，每臺(tái)爐配置4個(gè)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(dòng)力場(chǎng)

鶴壁甲醇裝置殼牌氣化爐設(shè)計(jì)方為德國(guó)公司Shell Engineering Gummersbach，其前身主業(yè)設(shè)計(jì)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(lèi)似，但后者在鍋爐運(yùn)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(dòng)力切圓的直徑小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)著火性能差、燃燒效率不高等問(wèn)題；當(dāng)動(dòng)力切圓的直徑過(guò)大時(shí)，對(duì)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(shí)際切圓大時(shí)的流場(chǎng)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(kāi)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(guò)卷吸周?chē)母邷貧怏w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(kāi)始著火。

(2)煤燒嘴四角布置時(shí)，爐膛四周熱負(fù)荷比較均勻，射流切于一個(gè)假想圓，在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣流噴入爐膛后受到相鄰噴嘴的火焰點(diǎn)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到的冷卻效果減弱，煤灰粒子撞擊到水冷壁時(shí)還處于熔化狀態(tài)的可能性增大。這兩個(gè)因素的共同作用，會(huì)使氣化爐水冷壁更容易掛渣。

(4)當(dāng)切圓直徑較大時(shí)，徑向速度在一些區(qū)域向著壁面；而切圓較小時(shí)，速度全部向著爐膛中心。因此，氣化爐水冷壁結(jié)渣的趨勢(shì)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(shí)際切圓小時(shí)的流場(chǎng)特性

切圓直徑過(guò)小時(shí)，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(guò)早易使燒嘴因過(guò)熱而燒壞，著火太遲會(huì)推遲整個(gè)燃燒過(guò)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(duì)鍋爐燃燒非常重要，國(guó)內(nèi)四角切向燃燒煤粉鍋爐通常選用擺動(dòng)式噴燃器，通過(guò)調(diào)整噴口擺角改變火焰中心。噴燃器角度上下擺動(dòng)±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(guó)內(nèi)大型鍋爐設(shè)計(jì)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(chǎng)

鶴壁殼牌氣化爐為殼牌在中國(guó)轉(zhuǎn)讓的第13套合同裝置，已投運(yùn)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(duì)業(yè)內(nèi)殼牌氣化爐運(yùn)行情況的了解得知，投煤量1 000t/d爐型沒(méi)有積灰和堵渣現(xiàn)象，投煤量2 000t/d爐型氣化裝置積灰問(wèn)題較為普遍，但堵渣問(wèn)題不突出，投煤量2 800t/d爐型有2套，積灰和堵渣問(wèn)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(shí)際燃燒過(guò)程中動(dòng)力切圓的直徑與設(shè)計(jì)難免存在偏離，運(yùn)行中又沒(méi)有類(lèi)似于鍋爐擺動(dòng)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(jì)流場(chǎng)與加大后的爐徑不相匹配時(shí)，將導(dǎo)致氣化爐積灰和堵渣問(wèn)題越來(lái)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(dòng)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扛撸捎诨以廴诹啃?，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(gè)經(jīng)濟(jì)性很差的平衡中。

鍋爐切圓直徑較大時(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)，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(chǎng)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(duì)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(dòng)不暢，情況惡化最終致堵塞渣口。參考張俊霞等人的實(shí)驗(yàn)，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(jì)時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力場(chǎng)可以滿足需要，而隨著爐型的增大，爐膛直徑增加，夾角沒(méi)有相應(yīng)變化，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力場(chǎng)直徑相對(duì)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(duì)鶴壁氣化爐的實(shí)際情況，分析對(duì)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(dòng)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(zhuān)利商經(jīng)重新計(jì)算后，建議將煤燒嘴夾角由4°改為5°。后經(jīng)過(guò)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(guò)放大煤燒嘴角度，改變氣化爐內(nèi)流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了氣化爐底熔渣的良好流動(dòng)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(duì)比

5.1 改造前后氣化爐運(yùn)行工況

氣化爐工況對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 氣化爐工況對(duì)比

由表1可見(jiàn)，優(yōu)化改進(jìn)措施實(shí)施后，氣化爐運(yùn)行周期延長(zhǎng)至110d，且期間均為CO2載氣工況，未發(fā)生過(guò)堵渣情況，氣化爐停車(chē)打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)下渣口情況良好，解決了氣化爐堵渣難題。由運(yùn)行參數(shù)來(lái)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(yùn)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(duì)比

改造前后的合成氣冷卻器入口溫度對(duì)比見(jiàn)圖4。由優(yōu)化改造措施實(shí)施前后氣化爐壓差對(duì)比(圖5、6)亦可看出，氣化爐壓差上漲趨勢(shì)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(duì)比

圖5 優(yōu)化改造措施實(shí)施前氣化爐壓差變化情況

圖6 優(yōu)化改造措施實(shí)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(shí)施后，氣化爐在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)渣口無(wú)積渣，渣口呈較為規(guī)則平滑的圓形，證明氣化爐運(yùn)行過(guò)程中排渣順暢。

6 結(jié)語(yǔ)

文章分析了煤燒嘴夾角對(duì)四角切圓氣化爐內(nèi)流場(chǎng)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(chǎng)分布的重要因素，對(duì)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(chǎng)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(yùn)行中沒(méi)有任何調(diào)節(jié)手段，專(zhuān)利商目前的這種設(shè)計(jì)使得氣化爐對(duì)煤種變化適應(yīng)能力差，建議今后參考大型鍋爐擺動(dòng)燃燒器進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

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

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

[3] 楊成文.燃燒器擺角試驗(yàn)[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(duì)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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(wàn)t/a甲醇項(xiàng)目的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.013

TA 545

B

1004-8901(2017)01-0052-04