多喷嘴气化技术在大型煤化工项目中的技术优势介绍

摘 要：多喷嘴对置式水煤浆气化技术经理十几年的发展，通过四个喷嘴的对置物料在炉内形成撞击流畅，既促进了物料的混合和雾化，同时降低了单个喷嘴的处理负荷，为气化炉的大型化奠定了基础。

关键词：多喷嘴；大型化；烧嘴；合成气净化

多喷嘴气化炉采用了四个工艺烧嘴对置，气化炉流场为撞击型，结构合理，物料的混合更加充分，反应更加完全，每个工艺烧嘴承担了合理的负荷，雾化效果良好，单台气化炉处理能力可以实现大型化，目前已经投入运行的最大处理能力的气化炉为3000吨级，设计中的单炉处理能力达到4000吨级。

气化炉大型化后，对于大型煤化工项目，系列数减少，可以节约投资和运行费用。对于100万吨甲醇规模，推荐采用多喷嘴气化炉3台（2开1备）即可实现产能目标，单炉干基投煤量为2500t/d（干基），气化炉直径3880mm，气化炉压力6.5MPa。此种炉型在市场已经推广十余家，共计50台套气化炉，单炉设计最大产气量达到210000Nm³/h规模。

1 合理的气化炉流场为气固颗粒间的传递和化学反应创造良好条件

水煤浆气化在气化过程中发生的物理和化学过程非常复杂，在气化炉内涉及高温、高压、湍流多相流动下复杂的热质传递过程的相互作用。气流床气化炉温度很高，平均温度～1250℃，火焰温度更高，气化炉内发生化学反应的时间尺度远小于混合的时间尺度，即混合传递过程成为气化过程的控制步骤，因此强化固体颗粒与流体间的传递过程、合理的气化炉流场成为有效提高气化效率的关键措施。

多喷嘴对置式气化炉运用撞击流原理，气化炉流场结构可分为六个区域：射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区。合理的流场使得颗粒在气化炉内的停留时间分布更利于气化过程的进行，大大降低了短路物料的比例，提高了碳转化率；平推流长，在有限的空间内延长了物料在气化炉内停留时间，使得水煤浆气化反应进行更为完全，气化指标优，大型化优势尤为显著。

在大型化炉型设计上将进一步优化气化炉的高径比、选择更为合理的停留时间分布，提高炉内单位容积内颗粒浓度，强化颗粒间碰撞，为提高气化效率创造良好的条件。

2 高效、节能、长寿命的喷嘴强化了气液固三相混合，提升了气化效率

气化喷嘴是水煤浆气化技术中的关键之设备之一，其性能和寿命关系到气化效率和氣化炉的安全、长周期运转。专利方经过多年攻关，开发了一种新型预膜喷嘴。该气化喷嘴采用预膜、外混式，三股物流射出喷嘴，水煤浆的内外侧为高速流动的氧流股，且与煤浆呈一定交汇角；氧流股通过高速剪切、振动等方式使水煤浆雾化，可以达到100μm的尺度。研究表明，浆体经新型预膜喷嘴雾化后平均粒径较预混喷嘴小10%左右，工业实践亦表明预膜式喷嘴的雾化效果优于内混式喷嘴。同时，由于新型预膜喷嘴有效地消除了水煤浆对喷嘴通道内侧的磨损，因而使用寿命显著提升，从平均达到90天以上。预膜喷嘴优良的雾化效果和多股撞击流场结构直接决定和保证了多喷嘴气化炉有效气成分和碳转化率等工藝指标先进性。

对于大型化后将进一步优化喷嘴各流动通道的尺寸，提升雾化效果，为水煤浆在气化炉内进行充分的气化反应提供先决条件。

3 气化合成气洗涤净化过程的优化，确保大型化后出水洗塔合成气含尘量小于1mg/Nm³

由于水煤浆在气化炉内的停留时间短，因此出气化室的粗合成气中，有微量的未反应的碳颗粒与熔渣一起随高温气体进入气化炉下部的洗涤冷却室和气体初步净化系统，这部分细小颗粒如不能在气化界区脱除，将会随着合成气进入变换单元，长时间运行后，会导致变换床层阻力增加。

3.1 采用自主开发的高效、稳定的复合式洗涤冷却技术

①气化炉激冷室选用复合式洗涤冷却室，选用带中心射流的洗涤冷却水分布环，强化下降管中心区域的热质传递；②在激冷室下降管内壁形成垂直降膜流动，强化高温气体与冷却水间的热质同时传递过程；③洗涤冷却室与下降管所形成的环隙空间内有连续的、非周期性的、相对稳态的鼓泡湍动床层，延长粗合成气与冷却水的接触时间，使气化渣进入液相，从气化炉下方通过锁斗排出，降低出口合成气中夹带的细灰量；④充分利用洗涤冷却室的空间结构，强化洗涤，可考虑通过设置压力雾化器，再次润湿上升的粗合成气，同时结合在洗涤冷却室上方的气液分离区，减少细灰的带出量；⑤结合工程实际操作经验与相关技术理论，通过各种工程强化手段，达到粗合成气的降温、除尘和增湿的工程目的，为后序初步净化工序创造条件。

3.2 选用高效分级式合成气初步净化流程及技术

①在洗涤单元，设置有混合器、旋风分离器和水洗塔组成的高效洗涤流程，采用分级净化思想，对合成气携带的细灰先通过混合器、旋风分离器“粗分”，然后在水洗塔内“精分”；②充分利用旋风分离器对大于5μm的颗粒有较高分离效率的特点，达到改善洗涤塔和激冷水水质、减少合成气带水、稳定气化炉和洗涤塔操作的目的；③该合成气初步净化工艺节能、高效，工业运行实践表现为：气化系统压降低，后续变换催化剂使用寿命长。

多喷嘴气化技术研发过程经历了理论研究、实验室研究、工业中试、1000吨级工业示范、2000吨级工业示范、3000吨级工业示范，放大的工业风险已经完全消除，不同处理能力的气化均实现了安全、稳定、长周期运行，工艺指标优异。

作者简介：

赵矿生（1983- ），男，山东滕州人，本科学历，助理工程师，研究方向：化工工艺。