殼牌氣化爐流場優化改造研究范文

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《化肥設計》2017年第1期

摘要：鶴壁煤電股份有限公司60萬t／a甲醇項目，采用殼牌粉煤氣化工藝，投煤量2800t／d，為目前國內投運單臺投煤量最大的殼牌氣化裝置。裝置于2013年投料生產，氣化爐合成氣冷卻器“十字架”積灰和氣化爐渣口堵渣的問題一直是實現連續生產的最大瓶頸，因積灰和堵渣問題會造成氣化爐負荷低、運行周期短等問題。針對這些問題，對裝置進行了燒嘴改造。通過調整氣化爐燃燒器（煤燒嘴）的角度，改變氣化爐內部溫度場，提高渣口排渣的穩定性，緩解合成氣冷卻器的積灰問題，使爐膛水冷壁掛渣有較大改善，改造實施后，達到了預期效果。

關鍵詞：氣化爐；流場；優化；改造

殼牌煤氣化技術采用干粉煤加壓氣化，液態排渣，是當今潔凈利用煤炭資源的先進技術之一。鶴壁甲醇項目殼牌氣化爐為國內投運單臺投煤量最大的殼牌氣化裝置，自2013年投料生產以來，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，平均氧負荷僅能達到80％；二氧化碳作為煤粉載氣時，80％的氧負荷也不能夠長周期運行，每個生產周期僅30d左右；裝置投運2年多，共計停車檢修19次，其中因氣化爐的積灰、堵渣引起的檢修多達14次，嚴重影響了企業的經濟效益。

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，氣化爐為立式壓力容器，爐內為水冷壁組成的氣化室，煤氣化燒嘴位于氣化室中下部，4個燒嘴分2個1組對稱布置。由煤氣化燒嘴噴入的煤粉、氧氣、蒸汽的混合物在1500℃高溫下，瞬間完成煤的氣化反應，生成（CO＋H2）體積分數很高且帶有飛灰的粗合成氣，由下向上從氣化爐頂經循環氣激冷段進入合成氣冷卻器。為防止飛灰黏結在后續設備，在氣化爐反應段出口處噴入循環返回的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，合成氣中的液態飛灰冷卻成無黏性固態，從而防止后系統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，設計采用二氧化碳作為載氣向氣化爐內輸送煤粉。從2013年投產至2015年，在氮氣輸煤工況下負荷最高達到80％左右，且由于氣化裝置堵渣、積灰等原因多次停車，嚴重制約了產量的提升和消耗的進一步降低。鶴壁氣化爐與中原大化和永城龍宇投煤量2300t／d爐型相比，同樣18kg／s的耗氧量，激冷氣量超出近40000Nm3／h，還有合成氣冷卻器入口溫度13TI0019高于設計值30℃以上，爐渣中殘碳高（設計殘碳＜1％，二氧化碳工況可以達到，但氮氣工況殘碳達到10％～20％）、掛渣情況差等問題。在二氧化碳作為載氣輸煤的情況下，氣化爐渣口壓差穩定性差，由于渣口結渣導致氣化爐工況迅速惡化而停車的狀況時有發生。為了減少結渣事故，可以通過提高氣化爐內溫度來解決，但爐溫提高后，離開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，由于積灰和堵渣問題，煤氣化爐在二氧化碳工況下裝置基本上無法實現連續運行。

2殼牌氣化爐噴嘴安裝

殼牌氣化爐的爐膛橫斷面設計為圓形，煤燒嘴位于爐膛的中下部，安裝在4個對稱的位置，噴嘴噴射的方向為朝向處在爐膛對稱中心的一個假想切圓，并與之相切。工作時，4個噴嘴同時噴射，噴嘴對準假想切圓噴射，在爐膛內形成一個旋轉流場，旋轉流場又形成一個動力切圓。目前已投入運行的殼牌氣化爐，每臺爐配置4個煤燒嘴的爐型，投煤量從1100t／d到2800t／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爐內動力場

鶴壁甲醇裝置殼牌氣化爐設計方為德國公司ShellEngineeringGummersbach，其前身主業設計鍋爐。殼牌氣化爐為四角切圓液態排渣，與四角切圓煤粉鍋爐燃燒情況類似，但后者在鍋爐運行中需要避免出現爐內結渣現象。借鑒煤粉四角切圓鍋爐，當動力切圓的直徑小時，會出現著火性能差、燃燒效率不高等問題；當動力切圓的直徑過大時，對爐內的燃燒有利，但容易造成風粉分離，使煤粉因下沉而不能參與燃燒，往往容易引起水冷壁結渣。

3．1爐內實際切圓大時的流場特性

（1）在燃燒中，希望煤粉氣流在爐膛中能穩定地著火，離開煤燒嘴較小的距離就能穩定地著火，煤粉氧氣混合物經噴嘴以射流方式被噴入爐膛后，通過卷吸周圍的高溫氣體和爐膛四壁及高溫火焰的輻射，煤粉受熱達到一定溫度后就開始著火。

（2）煤燒嘴四角布置時，爐膛四周熱負荷比較均勻，射流切于一個假想圓，在爐內旋轉運動。氣流噴入爐膛后受到相鄰噴嘴的火焰點燃，具備良好的著火條件，火焰充滿度良好。

（3）切圓大小與結渣有著直接的關系，相同的爐膛直徑，切圓直徑越大，燃燒高溫區更靠近水冷壁，在熔化的煤灰粒子向爐膛邊沿運動的過程中，受到的冷卻效果減弱，煤灰粒子撞擊到水冷壁時還處于熔化狀態的可能性增大。這兩個因素的共同作用，會使氣化爐水冷壁更容易掛渣。

（4）當切圓直徑較大時，徑向速度在一些區域向著壁面；而切圓較小時，速度全部向著爐膛中心。因此，氣化爐水冷壁結渣的趨勢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爐內實際切圓小時的流場特性

切圓直徑過小時，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。著火過早易使燒嘴因過熱而燒壞，著火太遲會推遲整個燃燒過程，使火焰中心上移，造成爐膛出口處的受熱面結渣。

3．3大型四角切圓煤粉鍋爐燃燒器的選擇

切圓直徑對鍋爐燃燒非常重要，國內四角切向燃燒煤粉鍋爐通常選用擺動式噴燃器，通過調整噴口擺角改變火焰中心。噴燃器角度上下擺動±10°～20°，可使爐膛出口煙溫變化50℃～175℃，噴燃器角度的調整，是調節鍋爐最經濟的手段。與中小型鍋爐相比，國內大型鍋爐設計的切向噴燃器夾角一般大1°～2°。

3．4殼牌氣化爐爐內流場

鶴壁殼牌氣化爐為殼牌在中國轉讓的第13套合同裝置，已投運的氣化爐投煤量從1100t／d到2800t／d，氣化爐直徑從1．9m到3．4m。根據對業內殼牌氣化爐運行情況的了解得知，投煤量1000t／d爐型沒有積灰和堵渣現象，投煤量2000t／d爐型氣化裝置積灰問題較為普遍，但堵渣問題不突出，投煤量2800t／d爐型有2套，積灰和堵渣問題嚴重。根據以上情況分析，氣化爐由于噴嘴的安裝角度固定，而實際燃燒過程中動力切圓的直徑與設計難免存在偏離，運行中又沒有類似于鍋爐擺動燃燒器的調節措施，隨著氣化爐爐徑的增大，當爐內設計流場與加大后的爐徑不相匹配時，將導致氣化爐積灰和堵渣問題越來越突出。

3．4．1水冷壁掛渣較差

水冷壁掛渣較差，原因是爐內切圓直徑較小，氣流旋轉較弱，氣流的擾動較小，火焰在爐內的充滿度較小，燃燒的火焰高溫區域離水冷壁較遠，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，殘碳含量高，由于灰渣熔融量小，大部分為殘碳，除水冷壁掛渣較差外，氣化爐渣口堵渣情況減少，氣化爐維持在一個經濟性很差的平衡中。鍋爐切圓直徑較大時，徑向速度在一些區域向著壁面，爐膛切圓直徑大于一定值時，結渣數量將隨切圓直徑的增大而增多。根據以上情況分析，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

根據參考文獻中關于燃燒器水平擺角對四角切圓煤粉爐燃燒影響的數值分析，1025t／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，爐內溫度不均勻，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°，爐膛內部垂直方向溫度場均勻性增加，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°。隨著夾角繼續增大到20°，燃燒器對應高度與爐內溫度相比，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℃，由于爐內溫度不均勻，爐膛內有效容積下降。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，導致流動不暢，情況惡化最終致堵塞渣口。

參考張俊霞等人的實驗，結合鶴壁氣化爐情況進行分析，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到水冷壁上，失去了氣化爐設計時以渣抗渣保護水冷壁的理念；二是氣化爐因夾角小，爐內擾動性差，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，爐內擾動性差，爐內燃燒中心上移，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，此夾角形成的旋轉動力場可以滿足需要，而隨著爐型的增大，爐膛直徑增加，夾角沒有相應變化，旋轉動力場直徑相對爐膛變小，出現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

針對鶴壁氣化爐的實際情況，分析對比不同系列爐型，隨著水平夾角的增大，爐膛下部溫度升高，有利于液態渣的流動排出，爐膛頂部溫度降低，有利于合成氣冷卻器減緩積灰。殼牌專利商經重新計算后，建議將煤燒嘴夾角由4°改為5°。后經過反復論證，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°，通過放大煤燒嘴角度，改變氣化爐內流場，實現了氣化爐底熔渣的良好流動性，合成氣冷卻器十字架積灰情況也得以很好控制。

5煤燒嘴改造前后對比

5．1改造前后氣化爐運行工況

優化改進措施實施后，氣化爐運行周期延長至110d，且期間均為CO2載氣工況，未發生過堵渣情況，氣化爐停車打開后發現下渣口情況良好，解決了氣化爐堵渣難題。由運行參數來看，氣化爐蒸汽產量降低約1kg／s，氣化爐溫度（以13TI0019為參照）降低18℃，氣化爐運行工況得以改善。

5．2改造前后的合成氣冷卻器入口溫度對比改造

由優化改造措施實施前后氣化爐壓差對比亦可看出，氣化爐壓差上漲趨勢較為平緩，得到了較好控制。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

改造措施實施后，氣化爐在一個運行周期內渣口無積渣，渣口呈較為規則平滑的圓形，證明氣化爐運行過程中排渣順暢。

6結語

文章分析了煤燒嘴夾角對四角切圓氣化爐內流場的影響，得出如下結論。（1）煤燒嘴的夾角是影響四角切圓氣化爐溫度場分布的重要因素，對氣化爐的穩定性起關鍵作用。（2）不同的爐膛直徑有不同的旋轉合適流場直徑，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，運行中沒有任何調節手段，專利商目前的這種設計使得氣化爐對煤種變化適應能力差，建議今后參考大型鍋爐擺動燃燒器進行設計制造。

參考文獻：

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［4］張俊霞，劉少龍，彭康．燃燒器水平擺角對四角切圓煤粉爐燃燒影響的數值分析［J］．冶金能源．2016，34（5）：39－42．

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作者：張水合 單位：鶴壁煤電股份有限公司化工分公司