粉煤氣化爐渣口尺寸對氣化性能的影響

黃成龍

(廣西華誼能源化工有限公司，廣西 欽州 535000)

我國是以煤為主要能源資源的國家，煤炭資源豐富，油、氣資源不足，發(fā)展現(xiàn)代煤化工既符合我國的資源稟賦特征，有利于行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，形成創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的新格局，對推進(jìn)煤炭清潔高效利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障國家能源安全、促進(jìn)全國現(xiàn)代煤化工的發(fā)展及經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大意義[1-4]。采用高效清潔的先進(jìn)煤氣化技術(shù)，不僅可以促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保和資源的高效利用，還可以提升行業(yè)的裝備技術(shù)水平，提高煤化工企業(yè)的核心競爭力。

在當(dāng)前“雙碳”以及節(jié)能減排的時代背景下，氣流床氣化技術(shù)以其清潔高效地利用煤炭資源的特點已經(jīng)成為目前煤化工的重要技術(shù)工藝之一。煤化工行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一是煤氣化技術(shù)，而煤氣化技術(shù)的核心是氣化爐。目前，煤化工領(lǐng)域采用的氣化方式有兩種：一種干粉氣化，另一種水煤漿氣化[5-7]。氣化爐的氣化室主要采用耐火磚結(jié)構(gòu)和水冷壁結(jié)構(gòu)兩種形式，與氣化室下部相連為激冷室或輻射段+激冷段結(jié)構(gòu)[8-10]。而氣化爐渣口是氣化室與后續(xù)降溫設(shè)備的重要連接點，其結(jié)構(gòu)尺寸和材料選擇影響著氣化經(jīng)濟(jì)性、檢修時間、使用壽命、排渣性能、粗細(xì)渣等[11-15]，在實際生產(chǎn)中需要予以足夠重視。

1 粉煤氣化爐現(xiàn)狀

某公司配置2套2 000噸級航天爐，根據(jù)《氣化爐裝置預(yù)考核報告》，氣化爐運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 氣化爐運行數(shù)據(jù)

煤氣化渣包括粗渣和細(xì)渣，粗渣即漿化煤炭顆粒在氣化爐高溫高壓條件下經(jīng)熔融、激冷、凝結(jié)等流程，并由氣化爐底部排渣鎖斗排出的含水渣，殘?zhí)剂侩S煤種、氣化爐種類、氣化爐操作條件波動較大，一般在10%～30%，產(chǎn)生量約占?xì)饣帕康?0%。細(xì)渣即通過氣化爐頂部由粗煤氣氣流帶出，并經(jīng)初步洗滌凈化、沉淀得到的含水渣，殘?zhí)剂恳话憧蛇_(dá)30%以上，產(chǎn)生量占?xì)饣帕康?0%左右[16]。

氣化渣無論是粗渣還是細(xì)渣殘?zhí)剂科毡槠?，?xì)渣的粗渣殘?zhí)剂扛?，不利于氣化性能的提升。根?jù)長期數(shù)據(jù)檢測，目前氣化爐結(jié)構(gòu)還有提升碳轉(zhuǎn)化率和氣化性能的空間。在保證氣化爐性能的前提下，為提高粗細(xì)渣比例及碳轉(zhuǎn)化率，有必要對渣口部位進(jìn)行改造，包括渣口耐火襯里改造的必要性、渣口改造結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、現(xiàn)場施工和測試等。

對于以煤為原料的氣化爐，由于煤中灰分較高，局部改造后形成的下部回流區(qū)將進(jìn)一步加強(qiáng)含灰氣體對錐底甚至下部直筒段耐火磚的沖刷和侵蝕。特別是氣化爐大型化后，因碳轉(zhuǎn)化率的要求，渣口尺寸不能過大，此時氣化爐下部返混和回流劇烈。

2 模擬及計算分析

在保證氣化爐性能基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善氣化爐本體流場結(jié)構(gòu)，提高渣口壓差，調(diào)整燃燒效率及粗細(xì)渣比例，擬對渣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要的改進(jìn)方法為縮小渣口喉部直徑。

2.1 渣口壓差計算

氣化爐渣口壓差主要有液位高程差、沿程阻力、局部阻力、合成氣帶水及傳熱能量損耗等組成。渣口凈壓差為合成氣通過渣口部位形成的凈壓差，包括渣口上錐段與喉部直段之間的局部阻力、喉部直段與下錐段之間的局部阻力。渣口壓差及渣口凈尺寸的關(guān)系見表2。

表2 渣口壓差及渣口凈尺寸的關(guān)系

從表2可看出，隨著渣口喉部直段中徑的減小，渣口靜壓差逐漸增大，激冷室液位高程差及其他局部阻力造成的渣口壓差占比縮小。

氣化爐現(xiàn)有渣口中徑750 mm，凈尺寸662 mm，對應(yīng)的渣口計算壓差為 12.58 kPa，其中，合成氣通過渣口的凈壓差僅有 0.34 kPa，占比為2.7%，合成氣流速為 16.7 m/s。根據(jù)渣口壓差及合成氣喉部流速及渣口中徑的關(guān)系，若渣口凈尺寸過小，渣口上錐段傾角增大，可導(dǎo)致渣口上錐段熔渣堆積。

此外，渣口凈尺寸過小會顯著提高合成氣在渣口喉部的流速，帶來嚴(yán)重的磨損。擬將渣口喉部凈尺寸改為 500 mm，是綜合衡量渣口壓差提高、渣口改造結(jié)構(gòu)設(shè)計、渣口喉部允許的合成氣流速等多個因素后確定的合適尺寸。在運行條件下，算上渣口表面固渣層厚度，渣口壓差可達(dá)到14～20 kPa。

2.2 數(shù)值模擬

建立本項目用氣化爐的物理模型，基于CFD軟件，將爐膛內(nèi)部含復(fù)雜反應(yīng)的湍流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到爐內(nèi)氣固兩相流動詳細(xì)信息。氣化爐結(jié)構(gòu)和流場示意見圖1。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)和流場示意

氣化爐頂部布置單個燒嘴，合成氣和灰渣均從底部排出。煤粉通過4條煤粉管線進(jìn)入燒嘴的4個煤粉管，預(yù)熱后的氧氣和一定比例的蒸汽進(jìn)入燒嘴的氧化劑通道，燒嘴內(nèi)置旋流塊，在氣化爐內(nèi)形成旋流流場。氣化爐內(nèi)的旋流流場包含呈喇叭口的射流區(qū)、內(nèi)核低速回流區(qū)、外圍回流區(qū)和底部的旋流區(qū)。改變渣口尺寸對汽化爐流場的影響見圖2。

通過分析上述數(shù)值模擬結(jié)果，從渣口改造前后氣化室內(nèi)流場模擬圖看出，渣口減小后爐內(nèi)回流區(qū)面積增加，渣口改造對有效氣含量有明顯影響，相同產(chǎn)量下，渣口小合成氣流速高，在激冷室內(nèi)停留時間短，變換反應(yīng)弱，有效氣含量提高。

3 運行數(shù)據(jù)對比分析

3.1 現(xiàn)場實施

改造一臺氣化爐，便于對比分析。改造前后渣口結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

圖3 改造前后渣口結(jié)構(gòu)尺寸

氣化爐采用液態(tài)排渣的方式，原渣口結(jié)構(gòu)形式及改造后渣口結(jié)構(gòu)見圖2。原渣口耐火襯里采用 SiC 質(zhì)耐火搗打料作為工作層，現(xiàn)欲在原結(jié)構(gòu)上通過澆注的方式增加一層耐火材料，將原渣口直徑縮小。新施工的耐火材料層應(yīng)具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，防止其在氣化爐運行過程中崩裂或脫落。

考慮到該部位材料需要具備的抗渣侵蝕性能和抗熱震性能，在剛玉為主物相的前提下，引入SiC和炭，形成復(fù)相材料，在耐沖刷性能、抗渣性能方面表現(xiàn)良好。

渣口改造用耐火澆注料，材質(zhì)為剛玉質(zhì)，性能指標(biāo)見表3。

表3 剛玉質(zhì)澆注料理化性能

將原襯里的 SiC質(zhì)搗打料平面松散的耐火材料清理干凈，使搗打料中的渣釘裸露，除去表面殘余的耐火材料及浮塵，所有表面干凈、沒有游離顆粒、鐵銹和雜質(zhì)，沒有油污或油脂污染。

錨固件焊接使用材質(zhì)為 310 SS 的不銹鋼棒制作三層圈梁，圈梁間距約為150 mm。澆注料胎模采用木質(zhì)胎模做襯里，以方便現(xiàn)場安裝為原則。澆注料的施工溫度應(yīng)在+10℃和+25℃之間。施工用的工具和盛裝耐火材料的器具是干凈的?，F(xiàn)場攪拌設(shè)備都清洗干凈，不附著有任何雜物，攪拌大約5 min之后，耐火材料充分潤濕，具備流動性能，按照步驟施工。

澆注料養(yǎng)護(hù)一定時間，達(dá)到足夠的強(qiáng)度后可以對胎模進(jìn)行拆除。烘爐在襯里養(yǎng)護(hù)完成 24 h后進(jìn)行。烘爐采用電熱板的方式進(jìn)行烘爐，渣口正中部位烘烤溫度約為200℃。開爐后，先通過汽包蒸汽升溫、開工燒嘴點火運行，使得渣口部位溫度提高至 500℃以上，3～5 h以后，正常負(fù)荷開爐使用。

3.2 運行情況對比

一套氣化爐渣口喉部直徑經(jīng)改造后為 550mm，其他氣化爐渣口喉部內(nèi)徑為 662mm，運行數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 改造前后氣化爐運行數(shù)據(jù)

對比改造前后的兩套氣化爐，在入爐煤質(zhì)相同、氣化爐操作溫度及壓力相近的條件下，渣口喉部直徑更小的改造爐因回流區(qū)更大，粉煤在氣化室中停留時間更長，相應(yīng)碳轉(zhuǎn)化率更高。經(jīng)實測，改造爐有效氣成分比未改造爐高約1.88%。

運行期間檢測記錄反應(yīng)數(shù)據(jù)，3個月后停爐檢修氣化爐，清理前渣口喉部直徑約 500mm，清理后喉部直徑為 662mm。

對比該氣化爐渣口清理前后運行數(shù)據(jù)(見表5)，可見清理前(小喉口)有效氣成分增大約2%，粗渣及細(xì)灰殘?zhí)季兴档?，粗渣產(chǎn)量增加約10%，氣化性能得到提升。

表5 渣口清理前后運行數(shù)據(jù)監(jiān)測

各項數(shù)據(jù)表明，對于一定結(jié)構(gòu)尺寸的氣化爐，縮小渣口，有利于增加氣化反應(yīng)在爐內(nèi)的停留時間，提升氣化效率。

4 結(jié)語

通過進(jìn)行氣化爐分析計算和數(shù)值模擬分析，縮小渣口結(jié)構(gòu)尺寸有助于提高氣化性能。經(jīng)過耐火材料選擇、現(xiàn)場實施以及3個月的運行，計算分析結(jié)果得到了驗證。在保證改造后渣口盤管耐火材料完好，且氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度相對穩(wěn)定的情況下，適當(dāng)縮小氣化爐渣口尺寸可以提高氣化爐渣口的阻力，相對提高反應(yīng)物在氣化爐爐膛內(nèi)的壓力，并利于延長粉煤在爐膛內(nèi)的停留時間，提高反應(yīng)速率，利于促進(jìn)CO和H2的生成，從而可提高粗煤氣中的有效氣含量，提高裝置運行的經(jīng)濟(jì)性。