壳牌气化炉流场优化改造研究.docx

壳牌气化炉流场优化改造研究《化肥设计》2017年第1期摘要：鹤壁煤电股份有限公司60万t／a甲醇项目采用壳牌粉煤气化工艺投煤量2800t／d为目前国内投运单台投煤量最大的壳牌气化装置。装置于2013年投料生产气化炉合成气冷却器“十字架”积灰和气化炉渣口堵渣的问题一直是实现连续生产的最大瓶颈因积灰和堵渣问题会造成气化炉负荷低、运行周期短等问题。针对这些问题对装置进行了烧嘴改造。通过调整气化炉燃烧器（煤烧嘴）的角度改变气化炉内部温度场提高渣口排渣的稳定性缓解合成气冷却器的积灰问题使炉膛水冷壁挂渣有较大改善改造实施后达到了预期效果。关键词：气化炉；流场；优化；改造壳牌煤气化技术采用干粉煤加压气化液态排渣是当今洁净利用煤炭资源的先进技术之一。鹤壁甲醇项目壳牌气化炉为国内投运单台投煤量最大的壳牌气化装置自2013年投料生产以来受限于气化炉合成气冷却器入口积灰堵塞和气化炉渣口堵塞平均氧负荷仅能达到80％；二氧化碳作为煤粉载气时80％的氧负荷也不能够长周期运行每个生产周期仅30d左右；装置投运2年多共计停车检修19次其中因气化炉的积灰、堵渣引起的检修多达14次严重影响了企业的经济效益。1鹤壁壳牌气化炉积灰堵渣情况壳牌气化装置选用干煤粉气化技术气化炉为立式压力容器炉内为水冷壁组成的气化室煤气化烧嘴位于气化室中下部4个烧嘴分2个1组对称布置。由煤气化烧嘴喷入的煤粉、氧气、蒸汽的混合物在1500℃高温下瞬间完成煤的气化反应生成（CO＋H2）体积分数很高且带有飞灰的粗合成气由下向上从气化炉顶经循环气激冷段进入合成气冷却器。为防止飞灰黏结在后续设备在气化炉反应段出口处喷入循环返回的200℃低温激冷气将合成气激冷至750℃左右使高温合成气快速降温合成气中的液态飞灰冷却成无黏性固态从而防止后系统合成气冷却器堵塞和超温。鹤煤煤电股份有限公司化工分公司壳牌气化装置设计采用二氧化碳作为载气向气化炉内输送煤粉。从2013年投产至2015年在氮气输煤工况下负荷最高达到80％左右且由于气化装置堵渣、积灰等原因多次停车严重制约了产量的提升和消耗的进一步降低。鹤壁气化炉与中原大化和永城龙宇投煤量2300t／d炉型相比同样18kg／s的耗氧量激冷气量超出近40000Nm3／h还有合成气冷却器入口温度13TI0019高于设计值30℃以上炉渣中残碳高（设计残碳＜1％二氧化碳工况可以达到但氮气工况残碳达到10％～20％）、挂渣情况差等问题。在二氧化碳作为载气输煤的情况下气化炉渣口压差稳定性差由于渣口结渣导致气化炉工况迅速恶化而停车的状况时有发生。为了减少结渣事故可以通过提高气化炉内温度来解决但炉温提高后离开气化炉的合成气温度高不能有效激冷使合成气冷却器“十字架”位置积灰速度加快由于积灰和堵渣问题煤气化炉在二氧化碳工况下装置基本上无法实现连续运行。2壳牌气化炉喷嘴安装壳牌气化炉的炉膛横断面设计为圆形煤烧嘴位于炉膛的中下部安装在4个对称的位置喷嘴喷射的方向为朝向处在炉膛对称中心的一个假想切圆并与之相切。工作时4个喷嘴同时喷射喷嘴对准假想切圆喷射在炉膛内形成一个旋转流场旋转流场又形成一个动力切圆。目前已投入运行的壳牌气化炉每台炉配置4个煤烧嘴的炉型投煤量从1100t／d到2800t／d气化炉直径从1．9m到3．4m煤烧嘴安装角度与炉膛中心的夹角均为4°。3炉内动力场鹤壁甲醇装置壳牌气化炉设计方为德国公司ShellEngineeringGummersbach其前身主业设计锅炉。壳牌气化炉为四角切圆液态排渣与四角切圆煤粉锅炉燃烧情况类似但后者在锅炉运行中需要避免出现炉内结渣现象。借鉴煤粉四角切圆锅炉当动力切圆的直径小时会出现着火性能差、燃烧效率不高等问题；当动力切圆的直径过大时对炉内的燃烧有利但容易造成风粉分离使煤粉因下沉而不能参与燃烧往往容易引起水冷壁结渣。3．1炉内实际切圆大时的流场特性（1）在燃烧中希望煤粉气流在炉膛中能稳定地着火离开煤烧嘴较小的距离就能稳定地着火煤粉氧气混合物经喷嘴以射流方式被喷入炉膛后通过卷吸周围的高温气体和炉膛四壁及高温火焰的辐射煤粉受热达到一定温度后就开始着火。（2）煤烧嘴四角布置时炉膛四周热负荷比较均匀射流切于一个假想圆在炉内旋转运动。气流喷入炉膛后受到相邻喷嘴的火焰点燃具备良好的着火条件火焰充满度良好。（3）切圆大小与结渣有着直接的关系相同的炉膛直径切圆直径越大燃烧高温区更靠近水冷壁在熔化的煤灰粒子向炉膛边沿运动的过程中受到的冷却效果减弱煤灰粒子撞击到水冷壁时还处于熔化状态的可能性增大。这两个因素的共同作用会使气化炉水冷壁更容易挂渣。（4）当切圆直径较大时径向速度在一些区域向着壁面；而切