爐型

目前, 工業化前景較好的以幹煤粉為原料的氣流牀氣化爐主要有Shell, Prenflo, GSP, TPR I (兩段式氣化爐) , NEDO (日立爐) 和CCP (兩段式空氣氣化爐) 等。按氣化爐的進料位置和進料方式的不同, 將這些氣化爐分為上置單噴嘴下噴式、下置多噴嘴對撞噴入式和下置多噴嘴切圓噴入式3種爐型 ^[1]  。

以GSP為代表的上置單噴嘴下噴式氣化爐,其外部為圓筒型結構, 內部則分為上部氣化室和下部激冷室; 氣化室為一段式結構, 在爐頂佈置單一煤粉和氣化劑混合噴嘴向下噴射物料, 合成氣和液渣通過下部的出渣口排出進入激冷室。按照流體力學分析, GSP爐內流場屬受限射流, 可分成射流區、迴流區和管流區3個區, 。從噴嘴噴出的射流具有一定的卷吸攜帶能力, 將其周圍的高温流體卷吸進射流場並與之相混合, 射流中心速度沿氣化爐軸線衰減, 形成的射流同時沿徑向發展並最終與氣化爐內壁相交, 形成射流區; 由射流產生的負壓力梯度在射流場與爐壁之間形成一反向運動的區域為迴流區, 其大小與噴嘴射流速度、爐膛直徑和噴嘴直徑之比等因素有關; 射流區的下游到氣化爐反應室出口為流速相對較低的管流區。

按照化學反應特徵, 爐內粉煤氣化反應可分為揮發分析出和燃燒區、焦炭燃燒區和氣化區。揮發分析出和燃燒發生在射流區上游和迴流區的上內側, 焦炭燃燒發生在射流區下游和迴流區的下內側, 氣化反應則發生在迴流區外側和管流區。因此可將氣化爐內流場劃分為射流燃燒區、管流氣化區和迴流燃燒氣化共存區。在揮發分析出和燃燒區,煤顆粒被迅速加熱釋放出揮發物, 裂解產生的揮發物迅速與氧氣發生反應。因為該區域的氧氣濃度高, 所以揮發物完全燃燒併產生大量熱; 在焦炭燃燒區, 脱去揮發物的煤焦或其他炭顆粒, 一方面與殘餘的氧氣反應生成CO和CO2 , 另一方面與水蒸氣和CO2反應生成CO和H2 , CO和H2又在氣相中與殘餘的氧氣反應, 產生更多的熱量。射流燃燒區進行的反應均為放熱反應, 導致該區為爐內高温區; 在氣化區, 未完全反應的焦炭會和CO2發生還原反應, 和水蒸氣發生水蒸氣分解反應, 和H2發生甲烷轉化反應, 生成的CO再和水蒸氣發生水煤氣反應生成CO2和H2 , 這些反應均為吸熱反應,該區的温度稍低。

爐內氣固兩相在爐內温度變化趨勢不同,噴入爐內的氣相(水蒸氣和氧氣) 在揮發分燃燒和煙氣稀釋加熱下温度急劇升高, 在射流區的上段就達到很高的温度水平, 這些氣化劑迅速參與化學反應, 生成氣相物的温度也保持了該温度水平; 固相則在由煤粉顆粒- 焦炭- 灰渣的轉換過程中, 温度穩步上升。GSP採用的合成氣和液渣向下並流方式, 也使得排渣口的灰渣温度維持在很高的水平,使灰渣呈液態, 並利用高温合成氣對高黏度熔渣的良好攜帶作用, 順利地實現了高灰熔點煤粉的液態排渣。

由於GSP採用單噴嘴射流方式, 煤粉顆粒比較集中分佈在射流燃燒區, 爐內顆粒分佈均勻性差, 爐內温度場梯度較大, 在射流燃燒區形成明顯的噴射火舌; 爐頂單噴嘴也使得爐內湍流混合強度較低, 迴流區較小; 進料噴嘴與出口設置在同一軸線上, 由於噴嘴射流速度很高, 在慣性力作用下,有相當一部分物流在爐內短路, 直接衝向出口, 在氣化爐裏的停留時間遠小於整體物料的平均停留時間, 未參與反應就離開了氣化爐, 這在一定程度上影響了氣化反應結果; 受噴嘴容量的限制, 氣化爐負荷可調範圍小。

在氣流牀氣化爐中, 屬於多噴嘴對撞噴入式的爐型主要有E - Gas, Shell, Prenflo, TPR I和多噴嘴對置式氣化爐, 其中Prenflo, Shell和TPR I採用幹煤粉進料。

Prenflo爐與Shell爐均是K - T爐的加壓氣化形式, 工藝流程中的磨煤與乾燥、粉煤加壓與進料、氣化與煤氣冷卻、除渣、幹法除塵、濕法洗滌等系統基本相同, 均為廢鍋流程, 採用大量的冷煤氣對高温煤氣進行急冷, 氣化爐和煤氣冷卻器均採用水冷壁和螺旋盤管換熱器的結構, 二者的氣化爐反應區基本相同, 其區別主要表現在: ① Prenflo爐採用橫向佈置的盤管式水冷壁, 而Shell爐採用縱向佈置的膜式水冷壁; ② 二者的煤氣冷卻器結構不同, 煤氣冷卻流動路線不同, 在廢鍋設置上,Shell爐在經過導氣管後的側面設置廢鍋, 而Prenflo爐氣化工藝中廢鍋設置在頂部。

對於TPR I爐, 與其他下置多噴嘴對撞噴入式氣化爐不同的是, 其採用兩段式爐膛結構, 下爐膛是第一反應區, 為一個兩端窄中間寬的腔體, 其側壁上對稱佈置2個或4個用於輸入煤粉、水和氧氣的噴嘴, 噴入煤粉質量分數80% ～85%的混合物;上爐膛是第二反應區, 高度較長, 側壁上佈置對稱的2個煤粉和水的噴嘴, 噴入煤粉質量分數15%～20%的混合物。

以下采用Shell爐為例説明下置多噴嘴對撞噴入式氣化爐的爐內流場與物料的温度特性。Shell爐應用撞擊流原理, 將幹煤粉與氧氣通過同一水平面上4只對稱佈置的燒嘴噴入爐內, 兩股等量的氣固兩相流同軸相向射流撞擊, 形成具有高度湍動的撞擊區和高度湍動區, 在慣性力作用下, 固相顆粒穿過撞擊面滲入反向流, 使幹煤粉與氧氣在氣化爐內實現混合並進行部分氧化反應, 生成的粗合成氣和熔渣一起向下進入氣化爐激冷室激冷和分離。

採用激光多普勒動態粒子分析儀研究了冷態下受限容器中多噴嘴對置射流的流動特徵, 將Shell爐內的流動過程分為5個區域, 即射流區、撞擊區、撞擊擴展流區、迴流區和管流區。氣固兩相流從噴嘴高速噴出後將周圍流體卷吸帶向下遊流動形成射流區; 當4個對置的噴嘴射流交匯後, 在交匯中心區域形成相向射流的劇烈撞擊區。該區域流體間的剪切作用力大, 速度脈衝強, 湍流強度大; 經過撞擊混合後具有較高靜壓的流體迅速改變流動方向, 沿着氣化爐的軸線方向運動, 形成向上和向下的兩股撞擊擴展流區。由於這兩股流體相對速度較高, 具有射流性質, 對周邊流體仍有捲吸作用, 使得該區域的寬度沿徑向逐漸擴展, 軸向速度沿徑向逐漸減小, 沿軸向達到一個最大值後也逐漸衰減; 四股射流與兩股撞擊流股周邊均出現迴流區, 迴流是受限射流產生流體間相互混合的流動特徵之一, 起到強化混合的作用; 在氣化室上部, 流體的軸向速度沿徑向分佈基本保持不變的區域稱為管流區。

與GSP爐相類似, Shell爐內流場也可按反應特徵分為射流燃燒區、管流氣化區和迴流燃燒氣化共存區。射流燃燒區包括射流區、撞擊區及撞擊擴展流區的一部分, 在該區域進行的是揮發分析出和燃燒以及焦炭燃燒, 並伴有射流卷吸的CO 和H2的燃燒反應, 這些放熱反應導致該區域為爐內高温區; 管流氣化區包括管流區和撞擊擴展區的一部分, 進行的是C和CH4等氣化反應和逆變換反應,這類吸熱反應導致該區域温度相對稍低; 在迴流共存區, 射流捲吸作用和湍流擴散使迴流區、射流區和撞擊流擴展區發生質量交換, 其中以卷吸為主,但因湍流的隨機性, 也將有個別氧氣微團經湍流擴散作用而進入迴流區中。因此在迴流區中既有燃燒反應, 亦有氣化反應, 但以氣化反應為主。

氣固兩相在Shell爐內的温度變化趨勢與GSP爐內不同, 在射流區內, 噴入爐內的氣相(水蒸氣和氧氣) 在揮發分的燃燒和生成煙氣的稀釋加熱作用下, 温度急劇直線上升, 到達撞擊區時,由於焦炭的燃燒放熱反應使得其温度進一步提升,並達到最高温度, 也使得該區域為爐內最高温度區; 隨後進入撞擊擴展流區、迴流區和管流區發生氣化吸熱反應, 並與焦炭- 灰渣發生熱交換, 爐頂出口煤氣温度降低, 減少了後續冷卻單元; 由於煤粉顆粒表面熱阻較大, 温升較慢, 在煤粉顆粒- 焦炭- 灰渣的轉換過程中, 温度穩步上升, 在隨氣相上升至爐內最高軌跡點時, 温度達到最高, 在隨後的下降過程中, 其温度基本維持不變, 直至下段的出渣口。

然而, 下置多噴嘴對撞噴入式氣化爐也存在一些不足之處: ①在細長形的圓筒內採用徑向噴嘴直接對沖, 從各噴嘴噴出的物料還未能充分發展即相互碰撞, 併發生激烈的燃燒放熱反應, 使得爐內高温區集中在這一水平面上, 爐內温度梯度較大。②射流直接碰撞產生了向下和向上兩股撞擊流股, 向下的撞擊流股沿徑向的迅速擴張阻礙了噴嘴射流對周圍高温煙氣的捲吸作用, 迴流區過小,延遲了射流區內煤粉着火燃燒的進程。③噴嘴的直接對沖並不能保證所有煤粉顆粒都在撞擊區內相互碰撞而衰減, 必有一部分直接衝向對側噴嘴, 對噴嘴周圍水冷壁的使用壽命造成極大的威脅, 如果氣化爐温度稍低, 就可能在噴嘴周圍乃至噴嘴上結渣, 從而影響噴嘴的使用壽命和性能。④向下的撞擊流股有部分直接衝向氣化爐底部出口, 形成“短路”現象。⑤受撞擊作用的影響, 單個噴嘴的容量不能太大, 否則撞擊效果減弱, 這樣單台氣化爐的負荷受到限制, 不可能達到太大。⑥負荷對氣化效果的影響明顯, 氣化爐對負荷調節的適應性相對較差。⑦ Shell爐和Prenflo爐均為一段式幹煤粉進料的氣化裝置, 為了保證液態排渣順利進行,爐底温度必須在其灰熔點以上。為了讓高温煤氣中的熔融態灰渣凝固以免使煤氣冷卻器堵塞, 不得不採用大量的冷煤氣對高温煤氣進行急冷, 方可使其由1 400 ℃冷卻到900 ℃, 其熱量損失較大, 氣化爐的碳轉化率、冷煤氣效率和總熱效率等指標也比較低, 並且由於煤氣流量較大, 造成煤氣冷卻器、除塵和水洗滌裝置的尺寸過大 ^[2]  。

在幹煤粉氣流牀氣化爐中, 屬於下置多噴嘴切圓噴入式氣化爐主要有NEDO氣化爐和CCP氣化爐。這2種爐型均為兩段式結構, 在爐側的中下部位切圓佈置多隻煤粉和氣化劑噴嘴向爐內噴射物料以形成爐內旋轉, 粗合成氣從爐頂排出, 液渣通過爐底部的出渣口排出。

NEDO爐採用一室兩段的設計, 爐內設置了上下2層噴嘴, 每層各有4個噴嘴按切線方向安裝,上下噴嘴有不同的切圓半徑。按流體力學分析, 可將爐內流動分成5個區: 下段射流旋轉區和上段射流旋轉區、外旋擴散區、內旋上升區和管流區。從上下兩層切向安裝的4個噴嘴噴出形成的旋轉射流具有強烈的卷吸攜帶能力,將其周圍的高温流體卷吸進漩流中並與之混合, 形成射流旋轉區。不同的是, 下層噴嘴在爐內形成向上的下段射流旋轉區, 而上層噴嘴在爐內形成向下的上段射流旋轉區; 在兩次噴嘴之間, 由於兩股旋轉方向相反的旋轉氣流的存在, 在外側形成向下的外旋擴散區, 在內側形成向上的內旋上升區, 並一直髮展到爐頂合成氣出口形成管流區。由於氣流螺旋式流動, 可延長煤在爐內的停留時間, 有利於煤的氣化。

CCP爐內也設置了上下兩層噴嘴, 每層各有4個噴嘴按切線方向安裝, 各層噴嘴有不同的切圓半徑。煤粉和氣化劑從四角切向高速引入, 在爐內形成一個自下而上運動的漩渦。與NEDO 爐不同,CCP爐體採用的是兩室兩段設計, 即設有下段燃燒室和上段氣化室, 兩室之間設有頸縮結構。按照流體力學過程分析, 也可將爐內的流動分成下段射流旋轉區和上段射流旋轉區、外旋擴散區、內旋上升區和管流區共5個區。與NEDO爐不同的是, 射流旋轉區的旋轉方向與旋轉射流區相同, 均旋轉向上。

按照化學反應特徵, NEDO 爐和CCP爐的爐內氣化反應均可大致可分為下段燃燒區(室) 和上段氣化區(室) 。在下段燃燒室中供給煤粉和多量氧氣, 煤顆粒將被迅速加熱, 揮發物釋放並迅速完全燃燒, 焦炭也發生激烈氧化反應生成CO 和CO2 , 同時產生大量的熱量維持燃燒室足夠的高温, 保證温度控制在灰熔點以上, 使灰渣以液態形式排出, 同時產生的高温氣體進入上段氣化區為氣化反應提供必要的熱量; 在還原區中供給煤粉和少量氧氣, 噴入的煤粉與從燃燒區來的高温氣體迅速混合, 發生煤粉熱解產生高活性煤焦, 並隨之發生氣化反應, 主要生成H2和CO。

NEDO和CCP的爐內氣固兩相温度變化趨勢：在下段, 這2種爐型內氣固兩相的變化趨勢相似, 過量氧氣的噴入使得噴入的煤粉發生激烈的熱解反應, 產生的揮發分和焦炭迅速燃燒,併發出大量熱量, 同時由於氣流旋流運動使氣固兩相在同一高度的停留時間延長, 使得氣固兩相在噴嘴水平面上的温升程度比其他爐型迅速, 特別是固相焦炭和煤灰的温度; 在上段, 氣化反應所需的熱量由下段上升的高温氣體提供, 這使得兩段之間的氣相温度稍有降低; 同時, 氣化吸熱反應也使得這2種氣化爐上段噴入的煤粉和氣化劑的温升速度均比下段慢, 不同的是, 由於這2種氣化爐的上段的流體動力場的不同, NEDO 爐形成向下的温升曲線, 而CCP爐在上段則形成上揚的温升曲線。從氣化爐整體看, 由於下置多噴嘴切圓噴入式爐型將爐體分成燃燒放熱反應的上段和氣化吸熱反應的上段, 這使得上段的爐內温度比下段低很多, 相差達到700 ℃, 這也使得爐頂排出粗煤氣温度比其他爐型的低, 減少了後續冷卻單元。

由於這些爐型在上下各段均採用4個對稱噴嘴將煤粉和氣化劑混合物切圓噴入爐內, 在每段進料水平面上, 煤粉在高速氣化劑旋轉射流的帶動下均勻分佈在每段氣化爐空間內, 使氣化反應也隨之發生在氣化爐空間內, 而不是在某一個火焰峯面上,避免了其他氣化方式的超高温火舌或火炬的出現,使每段氣化爐內温度更均勻, 避免了傳統的氣化反應局部温度過高, 並顯著降低了爐內最高温度; 同時, 爐內高速旋轉動力場增加了煤粉和氣化劑的接觸與反應時間, 使得氣化反應更完全, 從而有助於進一步提高氣化效率; 另外, 採用分段設計, 將燃燒放熱區和氣化吸熱區分開, 在保證液態排渣的同時降低爐頂粗煤氣的温度, 減少了煤氣冷卻器的換熱面積和數量, 降低了冷卻器、除塵和水洗滌裝置的負荷和尺寸。所以, 目前兩段或多段幹煤粉進料氣流牀氣化爐已成為國內外競相開發的技術。

但由於NEDO爐和CCP爐下段煤粉和氣化劑進口與排渣口很接近, 下段的激烈旋轉射流使得部分未完全反應的焦炭與落下的煤灰熔在一起, 來不及進行氧化反應就已從排渣口排出, 降低了氣化效率; 強烈的射流會使部分煤粉或焦炭顆粒刷壁, 特別是大切圓旋轉的上段區域, 容易導致爐體內壁磨損; 另外, 對於灰熔點較高的煤種, 由於煤氣上行和排渣下行的方式沒有充分利用高温煤氣對液態排渣的良好攜帶作用, 容易造成出渣口排渣不暢。

我國是煤炭生產和消費大國, 煤氣化技術作為潔淨煤技術的重要方向之一, 是以煤基為能源的化工系統中最重要的核心技術, 也是合成燃料甲醇、燃料二甲醚, 尋求新型石油替代能源, 緩解我國石油供需矛盾和能源安全的重要途徑之一。因此, 應在歸納總結現有先進煤氣化技術特點的基礎上, 結合我國各地不同特性的煤種, 加強煤氣化核心技術的開發與創新, 形成具有自主產權的高效煤粉氣化技術 ^[3]  。