氣流床煤氣化是現代煤化工產業的龍頭技術，按照進料方式的不同分為水煤漿進料和干粉進料，兩者均具有水冷壁襯里的氣化爐。本系列將從不同方面對水煤漿水冷壁氣化爐與干粉氣化爐進行對比。

   氣化爐是氣化系統的核心設備，雖然水煤漿水冷壁氣化爐和大部分干粉氣化爐均為水冷壁襯里的液態排渣氣化爐，但是其氣化爐結構和流場是不同的。

   航天爐在氣化爐頂部布置單個燒嘴，合成氣和灰渣均從底部排出。煤粉通過三條煤粉管線進入燒嘴的三個煤粉管，預熱后的氧氣和一定比例的蒸汽進入燒嘴的氧化劑通道，燒嘴內置旋流塊，在氣化爐內形成旋流流場。氣化爐內的旋流流場包含呈喇叭口的射流區、內核低速回流區、外圍回流區和底部的旋流區[1]。由于旋流塊的作用，使氣體的軸向流動一部分轉化為周向流動，出燒嘴的氣體軸向流速較低，煤粉氣化火焰也較短，氣化爐高溫區較為集中，上部高溫區的軸向溫度梯度大。而且一旦燒嘴尺寸和旋流塊結構確定，氣化爐內流場和溫度分布基本固定，無其他調節控制手段。為了保證正常液態排渣，只能首先提高氧煤比以提高氣化爐上部的溫度，從而提高渣口溫度。從航天爐的實際運行來看，如果入爐煤的灰熔點超過1450℃，爐頂溫度將會很高，很容易造成氣化爐上部燒壞。因此航天爐在摻燒高灰熔點煤時需要添加石灰石控制入爐混煤的灰熔點在1450℃以下。

           航天爐水冷壁采用四進四出平行并繞的盤管結構。由于盤管單管的長度長，阻力大，鍋爐水無法自然循環，盤管內易發生汽水分層，必須通過循環水泵進行強制循環。如果一旦發生循環水泵故障或因失電而離線，水冷壁無法得到及時冷卻，很可能造成水冷壁燒損和高溫氣體竄出的事故。航天爐水冷壁鍋爐水汽化率6.5%，蒸汽產量約22t/h，氣化爐因水冷壁吸熱的散熱損失較大。從航天爐運行結果來看，水冷壁掛渣不佳，大部分煤灰以細灰的形式離開氣化爐，航天爐的細灰和粗渣比例約為80%/20%。

   殼牌氣化爐有四個安裝在氣化爐側壁的偏角對置式燒嘴。四條煤粉輸送線分別進入對應燒嘴，氧氣和過熱蒸汽混合后也送入工藝燒嘴，四個燒嘴噴出的煤粉射流在氣化爐內相切于一個假想圓，使氣化爐內形成旋流流場。粗煤氣向上進入熱回收系統，渣向下進入鎖斗排渣系統。殼牌氣化爐內的粗煤氣和渣逆向流動，熔渣依靠重力向下流動，對熔渣的流動性要求高。為了液態排渣，必須首先提高氣化爐工藝燒嘴區域的溫度，以保證氣化爐渣口區域的溫度，使熔渣的粘度在正常范圍內，所以殼牌氣化對煤灰的粘溫特性要求嚴格。根據國內多臺殼牌氣化爐實際運行情況來看，煤的灰熔點不能超過1400℃。

   殼牌氣化爐水冷壁分為三部分，筒體部分采用U型水冷管，上下錐體采用盤管。水冷壁采用強制循環運行。殼牌氣化爐水冷壁蒸汽產量在10t/h以上，氣化爐因水冷壁吸熱的散熱損失較大。

   晉華爐在氣化爐頂部布置單個燒嘴，合成氣和灰渣均從底部排出。煤漿通過一條煤漿管線進入氣化爐燒嘴，氧氣通過同軸的中心和外環兩個通道進入氣化爐燒嘴。為保證煤漿的充分霧化，出燒嘴物料需具有一定的速率，一般不小于100m/s。出燒嘴的高速射流在受限的反應室空間內形成回流區，此外由于氣流無法直接通過渣口流出，在反應室下部形成第二個回流區，強化了碳顆粒的返混、增大了固體顆粒的停留時間和碳轉化率。晉華爐的射流火焰較長，當需要提高渣口溫度時，可以通過調節中心通道氧氣流量來改變氣化火焰的長度，而不必一味地增大氧煤比。根據實際運行來看，晉華爐已經完成了灰熔點為1620℃的朔州煤和灰熔點為1630℃的大同塔山煤的工業試燒實驗，實際運行證明氣化爐操作穩定，排渣順暢，晉華爐可以氣化高灰熔點煤。

   晉華爐水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結構。每根豎管的長度短，阻力小，鍋爐水受熱后可以實現自然循環，保證了極端情況下水冷壁的安全。為了保證每根鍋爐水管得到足夠的流量，實際通過循環水泵進行強制循環運行。晉華爐水冷壁鍋爐水汽化率在1%以下，避免了管內因鍋爐水含汽率高而發生傳熱惡化，蒸汽產量約2~3t/h，氣化爐因水冷壁吸熱的散熱損失小，幾乎可以忽略不計。從晉華爐運行結果來看，水冷壁掛渣較好，渣口附近的回流區使固體顆粒更容易被壁面捕捉而團聚成大尺寸熔渣，晉華爐的細灰和粗渣比例約為20%/80%。

參考文獻：

[1] 李思華,胡茂龍,潘波,等. HT-L氣化爐內流場、溫度場和濃度場的分析[J].氮肥技術,2016,37(02):10-11+23.

[2] 李燁,馮子洋,劉臻,等. 殼牌工業氣化爐煤液化殘渣萃余物共氣化過程CFD數值模擬研究[J]. 煤炭轉化,2022,45(3):42-51.

作者簡介：管清亮，男，1988年10月出生，博士研究生學歷，高級工程師，2015年畢業于清華大學熱能工程系，主要從事煤氣化和煤炭清潔高效利用技術研究和開發工作。

撰稿 | 管清亮

編輯 | 李瑞丹

審核 | 岳 軍