多喷嘴对置式水煤浆气化技术及其优越性刘永操 （中国矿业大学化工学院 江苏徐州 221116）摘 要：介绍了我国自主研发、拥有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术的开发及工业化应用，多喷嘴对置式气化炉流场结构及多喷嘴进料的特点，技术特点及工艺指标，对比单喷嘴气化炉，阐述多喷嘴对置式水煤浆气化技术的优势，并指出多喷嘴存在的问题和发展方向。关键词：多喷嘴对置式水煤浆气化技术 流场结构 工艺特点 技术优势1.简介气流床气化技术因煤种适应范围比较广，气化温度、压力高，易于大型化，成为煤气化技术的发展方向。目前国际上应用较多的气流床气化技术主要有，以水煤浆为原料的多喷嘴对置式水煤浆气化技术、GE(Texaco) 气化技术和 Global E-Gas 气化技术，以干煤粉为原料的 Shell 气化技术、Prenflo 气化技术和 GSP 气化技术。其中多喷嘴对置式水煤浆气化技术是我国自主创新、自主知识产权的煤气化技术，该技术的成功开发和产业化，为我国大规模开展的煤化工事业提供了关键的气化技术，同时标志着我国在水煤浆气流床气化技术方面达到国际领先水平。2. 多喷嘴对置式水煤浆气化技术的开发及工业化应用2.1技术开发多喷嘴对置式新型水煤浆气化技术是由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂 ( 水煤浆气 化及煤化工国家工程研究中心 )、中国天辰化学工程公司共同承担的“九五”国家重点科技攻关项目，并已申请了国家专利。多喷嘴对置式水煤浆气化技术在兖矿鲁南化肥厂进行了中试研究。该技术于2000年1月通过了专家鉴定，专家对新型水煤浆气化炉技术给予了高度的评价。认为所开发的新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉技术性能优于德士古气化炉，已经达到国际领先水平，并可望在以下方面发挥作用：推进化肥领域的技术进步；促进动力燃料及大宗化学品原料路线由油基向煤基的转换；促进煤清洁利用产业的发展。以多喷嘴对置式水煤浆气化工艺为核心技术, 由国家发改委重大技术装备研究项目资金支持建设的山东华鲁恒升300kt/a合成氨装置于2005年6月建成投产,目前运行平稳。该建设项目获得了2006年中国石油和化学工业协会科技进步特等奖。2.2工业化应用已经投入运行的生产装置有； 兖矿国泰化工有限公司甲醇、醋酸装置 2 台 3 4 00 mm 日处理原煤 1 150 t的气化炉；山东华鲁恒升化工股份有限公司 3 00 k t / a合成氨装置 1 台2 800 mm日处理原煤 750 t的气化炉。正在建设的装置有；兖矿国泰化工公司甲醇装置 1 台3 4 00 mm 日处理原煤 1 150 t的气化炉； 兖矿鲁南化肥厂合成氨装置 1 台 3 400 mm 日处理原煤1 150 t的气化炉； 江苏灵谷化工有限公司合成氨装置 2 台3 880 mm 日处理原煤 1 800 t的气化炉； 江苏索普集团化工有限公司醋酸装置 3 台3 400 mm日处理原煤 1 500 t的气化炉； 山东滕州凤凰化肥有限公司合成氨装置 2 台3 40 0 mm 日处理原煤 1 500 t的气化炉。3. 多喷嘴对置式气化炉流场结构四喷嘴气化通过烧嘴的物料(水煤浆及氧气)在同一水平面上向中间对喷，物料撞击后形成由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成的气化炉内流场。多喷嘴对置式气化炉流场结构示意见图 1( 1 ) 射流区流体经喷嘴以很高的速度喷射出来，将其周围的部分气体卷吸带动一起向下游流动，随着射流束的延长，射流的宽度逐渐扩展，流速逐渐减弱，直至与相近的射流边界相交，射流段结束，进入撞击区。( 2 ) 撞击区当多个喷嘴的射流股交汇后，就会在气化炉的中心部位产生相互的剧烈碰撞和交混运动，该区域称为撞击区。撞击区内射流速度脉动剧烈，湍流强度大，混合作用好。( 3 ) 撞击流股区射流股在对撞后，径向速度逐步降低，逐渐转化为轴向速度，形成两个新的气流束, 分别向气化炉轴线的上、下 2 个方向运动, 形成撞击流股, 撞击流股所在的区域称为撞击流股区。( 4) 折返区向上的撞击流股流动到气化炉的拱顶后, 受气化炉拱顶的阻挡, 又折返回来, 紧贴气化炉的炉壁向下流动, 形成折返区。( 5) 回流区在射流区的周围, 炉体内部的高温气流在高速射流的卷吸和抽引作用下, 部分高温气流进入射流股, 这些能够进入射流股的炉体内高温气流所在的区域称为回流区。炉内气流的汇入强化了射流股内部的传热和气化炉内物料的混合, 对气化反应十分有 利, 对燃烧器 ( 工 艺喷嘴 ) 的稳定运行和物料的点燃至关重要, 对延长喷嘴的寿命也很有益。( 6) 管流区在气化炉的下部, 向下的撞击流股和折返流股逐渐混合为一体, 形成基本沿气化炉轴线平直向下流动的平稳流体, 就象管道内的平稳流体一样, 所以称该区域为管流区。4多喷嘴对置式水煤浆气化技术技术特点和工艺优势4.1技术特点（1）该技术开车方便、操作灵活、投煤负荷增减自如，自动化程度高，全部采用集散控制系统(DCS)控制，特别是氧煤比完全可以投自动串级控制。 （2）多喷嘴对置式气化炉喷嘴之间的协同作用好，气化炉负荷可调节范围大，目前为 50%110%，负荷调节速度快，适应能力强，有利于装置大型化。 （3）多喷嘴对置式气化炉可以在烘炉阶段就可以将工艺烧嘴安装好，当炉温达到投料条件时，将预热喷嘴从顶部取出，装上封堵耐火砖，就可以进行投料，因而从烘炉到投料的过渡时间短、炉温高，避免了耐火砖的热震。（4）通过带压连投操作技术，可实现气化炉及后系统在不停车的情况解决故障，大大增强了抵御故障的能力，提高了有效生产时间。 （5）喷淋和鼓泡复合床型的合成气初步洗涤冷却系统，避免了合成气带水、带灰，有利于洗涤冷却室液位控制。并使合成气充分润湿，有利于后续工段进一步除尘净化。 （6）采用分级净化思路的合成气初步净化系统，净化效果好，系统能耗低，设备不易结垢堵灰。 （7）热回收与除渣单元采用含渣水蒸汽与返回灰水直接接触工艺，同时完成传质、传热过程。回收热量充分，高温灰水与闪蒸汽温差低于 2，热效率高，开停车水循环流程简单、方便。4.2工艺优势在水煤浆气化技术领域中, 有代表性的技术有GE公司 ( 美国通用电器公司 ) 的单喷嘴水煤浆气化技术 (即原美国Texaco公司的水煤浆气化技术 ) 和中国华东理工大学等联合开发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术。下面对照GE公司的单喷嘴水煤浆气化技术, 谈一谈多喷嘴对置式 (以四喷嘴为例, 下同 ) 水煤浆气化技术的优越性。4.2.1多喷嘴的雾化优势使用 4 个喷嘴向气化炉内供应煤浆, 比使用1 个喷嘴向气化炉内供应煤浆要好得多。对于同等处理能力的气化炉, 四喷嘴气化炉的每个喷嘴供应的煤浆量仅仅是单喷嘴气化炉喷嘴供应煤浆量的四分之一, 因而煤浆分散效果更好, 且分散过程几乎不消耗能量。喷嘴的雾化性能是喷嘴最首要的性能指标。影响喷嘴雾化性能的主要因素是烧嘴的结构、尺寸, 它不仅直接决定了气液两相的接触方式、接触时间和接触面积, 而且决定了出口液膜的厚度和射流速度。多喷嘴气化炉由于烧嘴尺寸大幅度减小, 特别是中环煤浆通道尺寸大幅度减小, 使得煤浆从中环通道喷出时形成液膜的厚度明显降低, 有利于喷嘴的雾化操作。另外, 多喷嘴对置式水煤浆气化炉使用的工艺烧嘴是自主开发的新型预膜式喷嘴, 与GE公司的预混式工艺烧嘴有着明显的区别。GE公司的工艺烧嘴属于内外混结合式工艺烧嘴, 喷嘴的雾化作用相当程度上取决于喷嘴内部的预混阶段, 中心喷枪向内的缩进量比较大,水煤浆走的中环通道向内的缩进量也比较大, 中心枪的氧气和中环通道的煤浆预混后, 总体速度大大提高, 导致气、液、固的三相混合物以极高的速度冲击煤浆的出口和外环氧气通道的出口,因此,GE公司喷嘴的磨损速度比较快。多喷嘴对置式气化工艺使用的喷嘴是预膜式工艺喷嘴,3 个喷枪的外端距离非常接近, 而且 2 个内喷口的缩进量都很小, 喷嘴雾化的主要机理在于利用氧气中心枪氧气的外扩力量作用, 促使煤浆中环通道喷出的水煤浆形成非常薄的液膜, 然后再利用外环氧气的切割扰动作用实现水煤浆的雾化。预膜式喷嘴属于外混式工艺喷嘴, 工艺物料对喷头的摩擦和冲击比较小, 所以使用寿命较长, 可以达到100d , 比GE公司喷嘴的使用寿命 ( 50d) 延长了 1 倍。4.2.2多喷嘴对置式气化炉的流场结构优势多喷嘴对置式气化炉内由于有撞击流股的存在, 增加了气化炉内物流的混合交错机会, 物料在气化炉内的运动轨迹曲折, 迂回量比较大, 极大地强化了气化炉内物料的传热和传质过程, 延长了物料在气化炉内的停留时间, 有利于气化反应的进行。而物料在气化炉内的停留时间对气流床气化炉来讲十分关键, 停留时间长, 有利于反应达到平衡状态, 也有利于提高碳的转化率和单位气化炉燃烧室容积的生产能力。研究过程中得到的 数据显示, 多喷嘴对置式气化炉入炉物料的停留时间密度分布曲线比 GE气化炉平缓一些, 而且出峰时间明显比GE气化炉晚。检测得到物料在多 喷嘴对置式气化炉内的平均停留时间为8.6s , 高于GE气化炉的平均停留时间 ( 5 6 s)4.2.3多喷嘴对置式气化炉的运行稳定性优势实践证明, 多喷嘴对置式气化炉虽然有4个工艺喷嘴, 但稳定性却很高, 原因是四喷嘴对置式气化炉的安全系统设置为相对的 2 个喷嘴为 1组, 共用 1 套安全系统, 也就是说, 四喷嘴对置式气化炉有 2 套安全系统, 当 1 组喷嘴停运后,另 1 组喷嘴在短时间内依然可以正常运行, 这就使气化炉的运行稳定性得到了大大提高。国泰化工公司多喷嘴气化炉在 1组喷嘴出现问题后, 另1 组喷嘴在系统压力不降低的情况下实现带压投料的事实已证明了系统运行的高稳定性。另外,由于紧急情况可停掉 1 组喷嘴, 这样, 在制氧界区出现问题的时候, 可以很方便地大幅度降低系统的运行负荷而不需要作停车处理。4.2.4多喷嘴对置式气化炉在粗煤气洗涤方面的优势激冷流程的水煤浆气化炉, 粗煤气的洗涤过程是在激冷室内进行的, 多喷嘴对置式新型气化炉的粗煤气冷却室 ( 即激冷室 ) 的结构与GE气化炉激冷室的结构有着较大的区别。在引导出气化炉的粗煤气进入激冷室液面下的导气管内, 多喷嘴气化炉的粗煤气洗涤没有采用GE公司气化炉粗煤气冷却水 ( 激冷水 ) 仅仅分布在 导气管内壁的做法, 而是将激冷水分为两路, 一路分布在降气管的内壁, 一路以喷淋的形式喷射到导气管内部的整个空间范围内, 这样就大大增加了激冷水和出气化炉粗煤气之间的接触面积, 提高了热交换的效率, 降低了导气管内壁液膜上的热流强度。在激冷室内降气管的外面, 粗煤气出降气管以后, 以鼓泡的方式穿越激冷室的水液层, 气液两相逆流接触, 实现传热和传质。同时, 多喷嘴对置式气化炉摈弃了GE公司气化技术在导气管外面设升气管的做法, 取消了升气管, 拓展了气流通道, 降低了气体的流速；并且, 由于设置了一些 起阻挡作用的气 泡分割板, 切割阻挡煤气中夹带的液泡, 较好地解决了气化炉出口煤气带水、带灰的问题, 有效地防止了出气化炉水煤气的带水现象, 稳定了气化炉冷却室的液位。生产操作显示, 出气化炉水煤气与出气化炉黑水的温度差由GE公司的20降低到 8 10，这充分 说明多喷嘴对置 式气化炉激冷室的换热效率比GE公司的提高了许多。5结语大型煤气化技术一直被国外所垄断，我国引进的煤气化技术装备价格昂贵。多喷嘴水煤浆气化炉技术打破了国外垄断，且专利费仅相当于国外技术的 13，设备国产化程度在 90%以上，完全可以在国内加工制造。多喷嘴对置式水煤浆气化炉，在兖矿国泰化工有限公司示范装置上经过两年的长周期运行，技术已经完全成熟。目前有十几家企业开始选用此技术。应当说，多喷嘴对置式水煤浆气化技术具有广阔的市场前景。多喷嘴对置式水煤浆气化煤种适应性