干煤粉氣化爐下渣口結構的設計及應用對比分析

李曉東，張鎵鑠

（神華寧夏煤業集團煤制油項目建設指揮部，寧夏銀川 750411）

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干煤粉氣化爐下渣口結構的設計及應用對比分析

李曉東，張鎵鑠

（神華寧夏煤業集團煤制油項目建設指揮部，寧夏銀川 750411）

摘 要：對干煤粉氣化技術發展方向進行了綜述，并重點研究了氣化爐下渣口結構。通過對比不同下渣口結構的制造、安裝、運行、檢修的難易程度，以及對不同下渣口結構在運行中可能出現的風險進行識別（水冷壁的磨損、下降管的燒損等），具體對比了兩種已應用的氣化爐渣口水冷壁與下降管組合結構的優缺點，并給出推薦理由。

關鍵詞：干煤粉；氣化爐；渣口水冷壁；下降管；結構；應用

目前，干煤粉加壓氣流床氣化爐內件大多采用膜式水冷壁結構，其最大優點為“以渣抗渣”。國際領先煤粉加壓氣化技術為殼牌、GSP及航天爐。殼牌投資過大，吹灰過濾器損壞頻繁；GSP氣化爐合成氣帶灰問題嚴重，合成氣洗滌流程過長，系統壓降較大；航天爐為解決此問題采取氣化爐內增加下降管和激冷環的方式，雖然解決了合成氣帶灰問題，但由于氣化爐下渣口結構不合理，導致碳轉化率低、有效氣含量低的問題。所以下渣口的結構直接影響合成氣在氣化爐內的洗滌效果及碳轉化率，下渣口過大造成碳轉化率低，下渣口過小則會造成渣口與下降管的管徑比過大，高溫合成氣與熔渣在下渣口處發生散射，下渣口結渣。所以下渣口處水冷壁的結構不合理可導致渣口和下降管的堵塞或失效。本文將對渣口水冷壁及下降管的結構應用進行分析和探討。

1 GSP氣化爐設計下降管的原因

目前GSP氣化爐為高溫的粗煤氣和液態的灰渣一起離開氣化爐的反應室，并自上而下進入激冷室。粗煤氣和熔融的灰渣被激冷室側壁周圍設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入合成氣洗滌單元。經煤氣化裝置運行驗證后發現，合成氣只經過激冷噴頭洗滌，未經過水浴洗滌會造成大量飛灰及少量灰渣隨合成氣進入合成氣洗滌單元，導致合成氣洗滌單元負荷增大，設備、閥門、管道磨損嚴重。

針對此問題，對新設計的干煤粉氣化爐增加下降管，使含灰合成氣經過水浴直接接觸冷卻洗滌。由于熔融態渣和合成氣流出下渣口時，會因為空間的突然放大，將發生散射及回流，如果結構不合理會造成以下幾種情況：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，激冷環被磨蝕；③熔渣散射，磨損下降管；④下渣口結渣；⑤高溫氣流偏流導致水膜厚度不均勻，下降管溫度分布不均勻，最終引起下降管燒塌。所以下渣口的結構成為直接影響氣化爐安全、穩定運行的瓶頸問題。

2 設計下渣口需考慮的因素

設計下渣口時應充分考慮以下問題。

（1）如何避免高溫熔融態渣及合成氣對下渣口的沖刷問題。

（2）解決下降管與下渣口的結構匹配問題，避免高溫熔渣及合成氣的流場紊亂。

（3）激冷環的穩定運行，激冷水膜的有效形成。

（4）解決下渣口結構設計不合理造成的碳轉化率低問題。

（5）解決因下渣口下部盤管結構設計不合理，造成渣口散射，導致下降管燒損的問題。

（6）避免因下渣口內徑過小，造成燃燒室下渣口堵渣的現象發生。

（7）保證干煤粉激冷氣化爐長周期、穩定運行。

3 下渣口結構理論計算

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。激冷水通過兩種形式流入下降管：一是100個直徑為10 mm環隙沿下降管壁面向下流動在下降管壁面上形成一層液膜；另一種為10 mm的環隙，該層液膜既能與高溫合成氣進行換熱（屬于傳熱與傳質的過程），同時又能保護下降管不被高溫合成氣燒損。

氣化爐下渣口及激冷室的設計是煤氣化產生高溫合成氣冷卻的重要環節，直接影響到氣化爐的處理能力、冷卻高溫合成氣的能力，下降管尺寸相對來說較為狹小，流動和換熱極為復雜，內部換熱是有相變的氣液兩項流，易受到外部干擾，工況不容易達到穩定狀態。

下渣口處高溫合成氣的溫度為1 350 K，合成氣進口流速為17 m/s。氣化爐下渣口至下降管底部溫度分布見圖1，氣化爐下渣口至下降管底部速度場分布見圖2。激冷室結構中，激冷環出口水速度變化見圖3，激冷室下渣口至下降管底部冷卻水分布見圖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，在冷卻水的換熱過程中，由于高溫合成氣和熔渣傳遞過來的熱量使部分水蒸發產生一定量的水蒸氣，所以沿著下降管液態冷卻水的量明顯減少。

圖3 激冷環出口水速度變化

圖4 激冷室下渣口至下降管底部冷卻水分布

4 下渣口結構設計及應用對比分析

4.1 結構圖

新型的下渣裝置方案1見圖5，方案2見圖6。

4.2 下渣口設計相關要求

（1）下渣口水冷壁及氣渣保護屏采用冷卻盤管的結構，水冷壁內通入冷卻水，降低水冷壁表面的磨損。

（2）在安裝時，方案1的氣渣保護屏及方案2的下渣口底部略低于激冷環中心面，在正常運行過程中，激冷環上部受熱將向下伸長，激冷環與氣渣保護屏緊密貼合，減緩了對激冷環的沖刷。

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

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）激冷環上部組件主要起到保護固定氣渣保護屏及激冷環的作用，同時該組件在下渣口水冷壁及氣渣保護屏間隙處設計為水冷夾套型式，防止高溫氣反竄損壞該組件。

（5）在死區1、2設置溫度檢測點，并設計為溫度聯鎖，防止耐火纖維脫落造成高溫合成氣反串燒損激冷環上部連接件，損壞下降管。

（6）下渣口水冷壁表面設置為錨固釘表面涂搗打料的形式，可有效保證下渣口實現以渣抗渣。氣渣保護屏設計為蛇形管表面進行堆焊，有效保證該處的運行。

5 方案優缺點對比

5.1 死區

5.1.1 通入惰性氣體

對于方案1，其優點包括：死區空間小，生產過程中惰性氣體受系統壓力波動影響較??；其缺點包括有：兩個死區，惰性氣體監控點較多，生產過程中增加了監盤點。

對于方案2，其優點包括：一路惰性氣體只有一個控制點，生產過程中容易監盤；其缺點包括：死區空間大，在運行過程中系統壓力波動，惰性氣體不能及時補給，容易造成高溫合成氣竄入死區，燒損下降管上部支撐。

二者的共同缺點有：①死區該部分氣體沿激冷環流至下降管，干擾下降管水膜分布；②惰性氣體會造成下游合成工段排放大量弛放氣，致使合成氣浪費；③系統壓力波動，惰性氣不能及時補充，易造成高溫合成氣反竄至死區內，燒損激冷環上部組件。

5.1.2 死區通入冷卻水

其共同的優點有：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內噴淋，減少惰性氣體的通入量，進而減少后工段尾氣的排放，同時受到系統壓力波動影響較小，有效保證死區溫度。

其共同的缺點有：①開停車期間，由于系統壓力、負荷波動較大，激冷水水質不能得到保證，易受到含固量的影響，當含固量過高時，造成激冷水噴頭磨損，導致霧化效果差，下降管上部不能受噴淋保護，可能被燒損；同時由于系統負荷不斷波動，造成死區與激冷環環隙出現熔渣結塊；②當水量過小時，激冷水被高溫熔渣及合成氣的熱輻射蒸發為水蒸氣，激冷環和下降管上部可能被高溫燒損。當通入激冷水過大，激冷環上部會形成低溫區，高溫合成氣在此區域形成回流，打亂激冷環水膜區域流場，影響水膜的形成，導致下降管被燒損。

5.1.3 死區填充耐火纖維

對于方案1，其缺點有：①死區2空間較小，安裝難度較大，由于下降管無法設置手孔，所以先安裝水冷壁后填充是不可能的，為了保證填充質量，檢修時只能拆卸下渣口及氣渣保護屏填充耐火纖維，然后再進行安裝；②下渣口水冷壁、氣渣保護屏及下降管之間需留有熱膨脹空間，當空隙過大時高溫氣會熱輻射至激冷環上部組件，同時耐火纖維有脫落風險，空隙過小不能保證熱膨脹。

對于方案2，其優點為耐火材料填充較方便。

兩個方案共同的缺點是均需考慮氣渣保護屏、下渣口底部角度，防止角度過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

5.2.1 氣渣保護屏

方案1的優點有：①保證高溫合成氣及熔渣以梯度逐級遞減的方式進入下降管內，極大地減緩高溫氣體因空間放大而發生的散射和渦流，有效規避負荷、壓力波動帶來的流場變化；②采用水冷壁冷卻盤管，進行耐磨處理，可延長使用壽命。因下渣口屬于易損壞部件，故下渣口與氣渣保護屏為兩個獨立部件，便于檢修更換。

其缺點有：①氣渣保護屏為過渡段，此處高溫合成氣流場相對紊亂難掛渣，故氣渣保護屏不能設計為錨固釘表面涂搗打料的形式；②需優化氣渣保護屏底部角度，防止角度過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的優點有：①長度較小，不易出現堵渣及燒損的現象；②無擴徑，下渣口無磨損現象，易掛渣。

方案2的優點有：①將2個死區合并為一個大的死區，減少風險點；②無氣渣保護屏冷卻水的控制，減少操作監盤點；③設計一個斜角，保證渣氣不會立即因為空間的放大而形成擾流，同時降低了高溫熔渣對水冷壁斜角的磨損。

其缺點包括：①當氣化爐負荷或壓力變化過大時，火焰直接燒到下渣口，因管線過長而造成水被氣化無法帶走更多的熱量，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，下渣口水冷壁進水量增大，阻力降增加，需要設置節流孔板，調節各水冷壁段的冷卻水量分布，否則出現搶水現象，下渣口的穩定不能得到保障；③需優化下渣口水冷壁斜角的角度，確保含灰渣的合成氣不會沖刷下部水冷壁及下降管表面激冷水水膜；④此結構只適用于下渣口內徑與下降管管徑相差較小的氣化爐，當兩者內徑相差較大時，要充分考慮下渣口下部斜體的角度及導向管擴徑角度。從氣化爐燃燒室進入下降管的高溫熔渣和合成氣容易受氣化爐壓力、負荷變化的影響而發生散射，造成激冷環水膜的破壞，或下渣口水冷壁無法掛渣。

6 結語

綜上所述，兩個方案各有優缺點，從方案對比及實際應用得出，兩個方案的死區無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。而方案1較方案2的主要區別在于下渣口水冷壁及氣渣保護屏的結構，從工業化驗證及兩個方案的對比可以總結出，方案1適用于下渣口內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：TQ545

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）03-0023-04

作者簡介：李曉東（1976年-），男，寧夏銀川人，1994年畢業于遼寧石油化工大學化工機械專業，工程師，現擔任神華寧煤400萬噸煤炭間接液化項目副總指揮。

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