水煤浆气化技术简介

水煤浆气化技术简介 一、流场分布 二、气化炉结构 三、工艺喷嘴
磨煤制 浆系统
气化系统
净化系统
渣水处理系统
多喷嘴对置式水煤浆气化工艺原理简图
1、流场结构划分
折返流区 撞击流股 撞击区 射流区
回流区 管流区
流场结构由射流 区、撞击区、撞 击流股、回流区、 折返流区和管流 区组成。
60.5%煤浆 99.6%氧气
（3）撞击流股： 四股流体撞击后，流体沿反应器轴向运动，分 别在撞击区外的上方和下方形成了流动方向相反， 特征相同的两个流股。在这个区域中，撞击流股具 有与射流相同的性质，即流股对周边流体也有卷吸 作用，使该区域宽度沿轴向逐渐增大，轴向速度沿 径向衰减，直至轴向速度沿径向分布平缓。 （4）回流区： 由于射流和撞击流股都具有卷吸周边流体的作 用，故在射流区边界和撞击流股边界，出现在回流 区。
气化炉内的热平衡：
煤的部分氧化放出的热量热
等于气化反应说吸收的热量
（1）射流区：
流体从喷嘴以较高速度喷出后，由于湍流脉动，射 流将逐渐减弱，直至与相邻射流边界相交。同时受撞击区较 高压力的作用，射流速度衰减加快，射流扩张角也随之加大， 此后为撞击区。
（2）撞击区：
当射流边界交汇后，在中心部位形成相向射流的剧 烈碰撞运动，该区域静压较高，且在撞击区中心达到最高。 此点即为驻点，射流轴线速度为零，由于相向流股的撞击作 用，射流速度沿径向发生偏转，径向速度（即沿设备轴向速 度）逐渐增大。撞击区内速度脉动剧烈，湍流强大、混合作 用好。
气化炉耐火材料整体可分为三部分：锥底、拱 顶和筒体。耐火材料从里到外分为若干层，分别是： 向火面耐火砖、绝热层耐火砖和保温层耐火砖。
想一想：什么是耐火材料？
凡是耐火度不低于1580℃，有 较好的抗热冲击和化学侵蚀的能力 、导热系数低和膨胀系数低的非金 属材料都可称之为耐火材料。
耐火材料的分类 ： 耐火材料通常按耐火度、形状 尺寸、烧制方法、耐火材料基体的化学矿物质组成 等进行分类。 （1）按耐火度分类有
为什么要进行烘炉操作？ 炉衬材料含有水分，在炉 墙砌筑完毕后，其水分含量很 高，如果不经烘烤直接投入使 用，由于炉膛温度很高，湿炉 墙由于温度上升过快，炉墙中 的水分迅速蒸发成气体，容易 使炉墙产生裂缝，造成炉墙密 封性能降低。
为了保护炉体和延长炉子的使用寿命，对于新 建炉子在投用之前或检修后开工时，也必须按规定 的烘炉曲线进行烘炉。烘炉得当，可提高炉子的使 用寿命。 要将炉墙烘烤干燥，必须得有热源。作为烘炉 用的热源主要有燃料油、燃料气、热风、蒸汽4种， 具体采用哪一种热源应视现场的条件而定，如果有 气体燃料，用气体燃料烘炉最方便。
工艺烧嘴
水煤浆未与中心氧接触前，在环隙通道为厚达 十余毫米的一圈膜，流速约2m/s。中心氧占总氧量 的15%~20%，流速约80m/s。环隙主氧占总氧量的 80%~85%，气速约120m/s，氧气在烧嘴入口处的 压力与炉压之比1.2~1.4。
烧嘴头部最外侧为水冷夹套。冷却水入口直抵 夹套，再由缠绕在烧嘴头部的数圈盘管引出。当喷 嘴冷却水供应量不足时，气化炉会自动停车。 烧嘴的材料为Inconel600，夹套头部材料为 Haynes188，烧嘴头部煤浆通道上都在主材表面堆 焊一层Stellite6耐磨层。
浓度60.5%的水煤浆 通过煤浆给料泵加压与高 压氧气（纯度99.6%）通 过四个对称布置在气化炉 中上部同一水平面的工艺 喷嘴对喷进入气化炉燃烧 室。
对喷撞击后形成6个特征各异的流动区，即射 流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管 流区。 利用煤的部分氧化释放出热量，维持在该煤种 灰熔点温度以上进行气化反应。炉内温度1350℃， 反应过程非常迅速，一般在4—10秒内完成。
工艺烧嘴主要是藉高速氧气流的动能，将水煤 浆雾化并充分混合，在炉内形成一股有一定长度黑 区的稳定火焰，为气化创造条件。 操作要点： 1、要控制好雾化角，防止火焰直接喷射到炉壁上， 或者火焰过长，燃烧中心向出渣口方向偏移，使煤 燃烧不完全。 2、水煤浆与氧气混合的好坏，直接影响气化效果。 局部过氧，会导致局部超温，对耐火内衬不利；局 部欠氧，会导致碳气化不完全，增加带出物中碳的 损失。
新砌耐火砖烘炉曲线
1400
30 328, 1000
1000
温度（℃）
800
168, 600 240, 600
600 400 200
0, 0 4, 100 86, 350 76, 100 158, 350
0 0 50 100 150 200 250 300 350 400
（5）折返流区： 沿反应器轴线向上运动的流股对拱顶形成撞击 流，近炉壁沿着轴线折返朝下运动。 （6）管流区： 在炉膛下部，射流、射流撞击、撞击流股，射 流撞击壁面等特征消失，轴向速度沿径向分布保持 不变，形成管流区。
水煤浆、氧气进入气化室后，相继进行雾化、传 热、蒸发、脱挥发份、燃烧、气化等六个物理和化 学过程，前五个过程速度较快，已基本完成，而气 化反应除在上述五区中进行外，主要在管流区中进 行。
灰渣的形成
煤焦的多相反应
气化反应是串并联反应同时存在的极为复杂的 反应体系，可分为一次反应与二次反应： 1、一次反应区(燃烧区) 进入该区的反应物有工艺氧、煤浆以及回流流股 和折返流流股中CO、H2等。这个过程进行得相当 短促，主要发生在射流区与撞击区中，其结束的标 志是氧消耗殆尽。
2、二次反应区 进入二次反应区的组分有煤焦、CO2、CH4、 H2O以及CO、H2等组分。这时主要进行的是煤焦、 CH4等与H2O、CO2发生的气化反应，生成CO和H2。 这是有效气成分的重要来源。二次反应主要发生在 管流区。
想一想：进入一次反应区和二次反应区的物 质组成有什么区别？
3、一次与二次反应共存区 多喷嘴对置气化炉中射流区与撞击区、撞击流 股、回流区、折返流区共存，不时进行物质交换， 再加湍流的随机性，射流区的反应组分及产物都有 可能进入撞击区、撞击流股、回流区、折返流区， 导致这些区域既进行一次反应，也进行二次反应。 二次反应以吸热为主，致使发生二次反应的区 域温度较低，相对地起到保护耐火砖的作用。
2、煤浆颗粒在气化炉内的气化过程
煤浆颗粒在气化炉内的气化过程 经历了以下步骤：
湍流脉动
颗粒的湍流弥散 颗粒的对流加热
煤的热裂解
颗粒的振荡运动
来自火焰、炉内壁、高温 气体、固体物等
颗粒的辐射加热
裂解产物、挥发份及其 他易燃组分
煤浆蒸发与颗粒 中挥发分的析出
煤焦、CH4等与 H2O、CO2
挥发产物的气相反应
普通耐火材料，耐火度为1580～1750℃； 高级耐火材料，耐火度为1750～2000℃； 特级耐火材料，耐火度为2000～3000℃。
（2）按重量、形状和尺寸分类可分为
标准型、普通型、异型和特异型。
（3）按制造工艺方法可以分为
天然岩石锯泥浆浇筑、可塑成型、半干压成型、热压成型、捣打成型、 熔铸成型等制品。
3、气化炉中发生的化学反应
在气化炉中主要进行以下化学反应： 同时还可能发生 以下副反应：
二、气化炉结构
工业上有各种各 样的炉子如气化炉、 冶金炉、窑炉和焚烧 炉等。 想一想：以上各种炉 子有什么共同点？
一般都具有用耐 火材料包围的炉膛， 利用热介质或燃料燃 烧产生的热量将物质 （固体或流体）加热 ，使炉膛内物质发生 物理或化学变化。
在正常运行期间，烧嘴头 部煤浆通道出口处的磨损是不 可避免的。当氧煤浆通道因磨 损而变宽以后，工艺指标变差， 就必须更换新的工艺烧嘴，这 个运行周期就是工艺烧嘴的连 续运行天数。 这就是为什么气化炉避免 不了定期停车的原因，也就是 为什么气化炉一定要设置备用 炉的理由。
作业题： 1、新型多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉的流场组成及 各组成区域内流体流动特性。 2、煤浆颗粒在气化炉内的气化过程经历了哪些步骤？ 3、新砌筑的气化炉为什么要进行烘炉操作？ 4、工艺烧嘴的操作要点。
时间（h）
新安装的炉子在设计技术文件中均应有详细的烘炉说明。 用途不同，加热介质不同，操作工艺条件不同的炉子，烘炉的 操作要求是不完全相同的。
三、工艺喷嘴
喷嘴也称烧嘴,其作用是将水煤浆充分雾化。使 水煤浆与氧气均匀混合。它与气化炉一样也是水浆 气化工艺的核心设备。
由图可见，工艺烧 嘴系三流通道，氧分为 两路： ① 一路为中心氧， 由中心管喷出，水煤浆 由内环道流出，并与中 心氧在出烧嘴口前已预 先混合。 ②另一路为主氧通 道，在外环道烧嘴口处 与煤浆和中心氧再次混 合。
硅质制品
镁质制品 碳质制品 特殊高纯氧化 物耐火制品
（6）按外观形态分为定型、不定型耐火材料和耐火 纤维制品。
不定型耐火材料也称散状耐火材料，是由合理级配的耐 火骨料和粉料、结合剂或另掺外加剂等，以一定比例组成的 混合物，可直接使用或加适当的液体混合后使用。 耐火纤维材料是一种既能耐高温又隔热的纤维状耐火材 料，这种材料导热系数低，体积密度小，富有弹性，抗机械 震动性能好。
（4）按烧制方法可以分为
不烧砖、烧制砖和熔铸砖等。
（5）按耐火材料基体的化学矿物质组成分类
耐火材料
硅酸铝制品
组成
粘土质耐火砖，SiO2含量小于65％，Al2O3含量28％～42 ％； 高铝砖，Al2O3含量大于或等于48％； 硅砖，SiO2含量不小于93％；熔融石英，SiO2含量99.5 ％以上。 MgO含量87％以上 以焦炭或无烟煤作原料，加焦油、沥青等结合剂，在强 还原气氛中烧成； 包括陶瓷砖，有纯氧化物制品，如Al2O3、MgO、ZrO2、 BeO、ThO2等；