爐型下置多噴嘴對撞噴入式爐型

在氣流床氣化爐中, 屬于多噴嘴對撞噴入式的爐型主要有E - Gas, Shell, Prenflo, TPR I和多噴嘴對置式氣化爐, 其中Prenflo, Shell和TPR I采用干煤粉進料。

Prenflo爐與Shell爐均是K - T爐的加壓氣化形式, 工藝流程中的磨煤與干燥、粉煤加壓與進料、氣化與煤氣冷卻、除渣、干法除塵、濕法洗滌等系統(tǒng)基本相同, 均為廢鍋流程, 采用大量的冷煤氣對高溫煤氣進行急冷, 氣化爐和煤氣冷卻器均采用水冷壁和螺旋盤管換熱器的結構, 二者的氣化爐反應區(qū)基本相同, 其區(qū)別主要表現在: ① Prenflo爐采用橫向布置的盤管式水冷壁, 而Shell爐采用縱向布置的膜式水冷壁; ② 二者的煤氣冷卻器結構不同, 煤氣冷卻流動路線不同, 在廢鍋設置上,Shell爐在經過導氣管后的側面設置廢鍋, 而Prenflo爐氣化工藝中廢鍋設置在頂部。

對于TPR I爐, 與其他下置多噴嘴對撞噴入式氣化爐不同的是, 其采用兩段式爐膛結構, 下爐膛是第一反應區(qū), 為一個兩端窄中間寬的腔體, 其側壁上對稱布置2個或4個用于輸入煤粉、水和氧氣的噴嘴, 噴入煤粉質量分數80% ～85%的混合物;上爐膛是第二反應區(qū), 高度較長, 側壁上布置對稱的2個煤粉和水的噴嘴, 噴入煤粉質量分數15%～20%的混合物。

以下采用Shell爐為例說明下置多噴嘴對撞噴入式氣化爐的爐內流場與物料的溫度特性。Shell爐應用撞擊流原理, 將干煤粉與氧氣通過同一水平面上4只對稱布置的燒嘴噴入爐內, 兩股等量的氣固兩相流同軸相向射流撞擊, 形成具有高度湍動的撞擊區(qū)和高度湍動區(qū), 在慣性力作用下, 固相顆粒穿過撞擊面滲入反向流, 使干煤粉與氧氣在氣化爐內實現混合并進行部分氧化反應, 生成的粗合成氣和熔渣一起向下進入氣化爐激冷室激冷和分離。

采用激光多普勒動態(tài)粒子分析儀研究了冷態(tài)下受限容器中多噴嘴對置射流的流動特征, 將Shell爐內的流動過程分為5個區(qū)域, 即射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊擴展流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)。氣固兩相流從噴嘴高速噴出后將周圍流體卷吸帶向下游流動形成射流區(qū); 當4個對置的噴嘴射流交匯后, 在交匯中心區(qū)域形成相向射流的劇烈撞擊區(qū)。該區(qū)域流體間的剪切作用力大, 速度脈沖強, 湍流強度大; 經過撞擊混合后具有較高靜壓的流體迅速改變流動方向, 沿著氣化爐的軸線方向運動, 形成向上和向下的兩股撞擊擴展流區(qū)。由于這兩股流體相對速度較高, 具有射流性質, 對周邊流體仍有卷吸作用, 使得該區(qū)域的寬度沿徑向逐漸擴展, 軸向速度沿徑向逐漸減小, 沿軸向達到一個最大值后也逐漸衰減; 四股射流與兩股撞擊流股周邊均出現回流區(qū), 回流是受限射流產生流體間相互混合的流動特征之一, 起到強化混合的作用; 在氣化室上部, 流體的軸向速度沿徑向分布基本保持不變的區(qū)域稱為管流區(qū)。

與GSP爐相類似, Shell爐內流場也可按反應特征分為射流燃燒區(qū)、管流氣化區(qū)和回流燃燒氣化共存區(qū)。射流燃燒區(qū)包括射流區(qū)、撞擊區(qū)及撞擊擴展流區(qū)的一部分, 在該區(qū)域進行的是揮發(fā)分析出和燃燒以及焦炭燃燒, 并伴有射流卷吸的CO 和H2的燃燒反應, 這些放熱反應導致該區(qū)域為爐內高溫區(qū); 管流氣化區(qū)包括管流區(qū)和撞擊擴展區(qū)的一部分, 進行的是C和CH4等氣化反應和逆變換反應,這類吸熱反應導致該區(qū)域溫度相對稍低; 在回流共存區(qū), 射流卷吸作用和湍流擴散使回流區(qū)、射流區(qū)和撞擊流擴展區(qū)發(fā)生質量交換, 其中以卷吸為主,但因湍流的隨機性, 也將有個別氧氣微團經湍流擴散作用而進入回流區(qū)中。因此在回流區(qū)中既有燃燒反應, 亦有氣化反應, 但以氣化反應為主。

氣固兩相在Shell爐內的溫度變化趨勢與GSP爐內不同, 在射流區(qū)內, 噴入爐內的氣相(水蒸氣和氧氣) 在揮發(fā)分的燃燒和生成煙氣的稀釋加熱作用下, 溫度急劇直線上升, 到達撞擊區(qū)時,由于焦炭的燃燒放熱反應使得其溫度進一步提升,并達到最高溫度, 也使得該區(qū)域為爐內最高溫度區(qū); 隨后進入撞擊擴展流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)發(fā)生氣化吸熱反應, 并與焦炭- 灰渣發(fā)生熱交換, 爐頂出口煤氣溫度降低, 減少了后續(xù)冷卻單元; 由于煤粉顆粒表面熱阻較大, 溫升較慢, 在煤粉顆粒- 焦炭- 灰渣的轉換過程中, 溫度穩(wěn)步上升, 在隨氣相上升至爐內最高軌跡點時, 溫度達到最高, 在隨后的下降過程中, 其溫度基本維持不變, 直至下段的出渣口。

然而, 下置多噴嘴對撞噴入式氣化爐也存在一些不足之處: ①在細長形的圓筒內采用徑向噴嘴直接對沖, 從各噴嘴噴出的物料還未能充分發(fā)展即相互碰撞, 并發(fā)生激烈的燃燒放熱反應, 使得爐內高溫區(qū)集中在這一水平面上, 爐內溫度梯度較大。②射流直接碰撞產生了向下和向上兩股撞擊流股, 向下的撞擊流股沿徑向的迅速擴張阻礙了噴嘴射流對周圍高溫煙氣的卷吸作用, 回流區(qū)過小,延遲了射流區(qū)內煤粉著火燃燒的進程。③噴嘴的直接對沖并不能保證所有煤粉顆粒都在撞擊區(qū)內相互碰撞而衰減, 必有一部分直接沖向對側噴嘴, 對噴嘴周圍水冷壁的使用壽命造成極大的威脅, 如果氣化爐溫度稍低, 就可能在噴嘴周圍乃至噴嘴上結渣, 從而影響噴嘴的使用壽命和性能。④向下的撞擊流股有部分直接沖向氣化爐底部出口, 形成“短路”現象。⑤受撞擊作用的影響, 單個噴嘴的容量不能太大, 否則撞擊效果減弱, 這樣單臺氣化爐的負荷受到限制, 不可能達到太大。⑥負荷對氣化效果的影響明顯, 氣化爐對負荷調節(jié)的適應性相對較差。⑦ Shell爐和Prenflo爐均為一段式干煤粉進料的氣化裝置, 為了保證液態(tài)排渣順利進行,爐底溫度必須在其灰熔點以上。為了讓高溫煤氣中的熔融態(tài)灰渣凝固以免使煤氣冷卻器堵塞, 不得不采用大量的冷煤氣對高溫煤氣進行急冷, 方可使其由1 400 ℃冷卻到900 ℃, 其熱量損失較大, 氣化爐的碳轉化率、冷煤氣效率和總熱效率等指標也比較低, 并且由于煤氣流量較大, 造成煤氣冷卻器、除塵和水洗滌裝置的尺寸過大 。

以GSP為代表的上置單噴嘴下噴式氣化爐,其外部為圓筒型結構, 內部則分為上部氣化室和下部激冷室; 氣化室為一段式結構, 在爐頂布置單一煤粉和氣化劑混合噴嘴向下噴射物料, 合成氣和液渣通過下部的出渣口排出進入激冷室。按照流體力學分析, GSP爐內流場屬受限射流, 可分成射流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)3個區(qū), 。從噴嘴噴出的射流具有一定的卷吸攜帶能力, 將其周圍的高溫流體卷吸進射流場并與之相混合, 射流中心速度沿氣化爐軸線衰減, 形成的射流同時沿徑向發(fā)展并最終與氣化爐內壁相交, 形成射流區(qū); 由射流產生的負壓力梯度在射流場與爐壁之間形成一反向運動的區(qū)域為回流區(qū), 其大小與噴嘴射流速度、爐膛直徑和噴嘴直徑之比等因素有關; 射流區(qū)的下游到氣化爐反應室出口為流速相對較低的管流區(qū)。

按照化學反應特征, 爐內粉煤氣化反應可分為揮發(fā)分析出和燃燒區(qū)、焦炭燃燒區(qū)和氣化區(qū)。揮發(fā)分析出和燃燒發(fā)生在射流區(qū)上游和回流區(qū)的上內側, 焦炭燃燒發(fā)生在射流區(qū)下游和回流區(qū)的下內側, 氣化反應則發(fā)生在回流區(qū)外側和管流區(qū)。因此可將氣化爐內流場劃分為射流燃燒區(qū)、管流氣化區(qū)和回流燃燒氣化共存區(qū)。在揮發(fā)分析出和燃燒區(qū),煤顆粒被迅速加熱釋放出揮發(fā)物, 裂解產生的揮發(fā)物迅速與氧氣發(fā)生反應。因為該區(qū)域的氧氣濃度高, 所以揮發(fā)物完全燃燒并產生大量熱; 在焦炭燃燒區(qū), 脫去揮發(fā)物的煤焦或其他炭顆粒, 一方面與殘余的氧氣反應生成CO和CO2 , 另一方面與水蒸氣和CO2反應生成CO和H2 , CO和H2又在氣相中與殘余的氧氣反應, 產生更多的熱量。射流燃燒區(qū)進行的反應均為放熱反應, 導致該區(qū)為爐內高溫區(qū); 在氣化區(qū), 未完全反應的焦炭會和CO2發(fā)生還原反應, 和水蒸氣發(fā)生水蒸氣分解反應, 和H2發(fā)生甲烷轉化反應, 生成的CO再和水蒸氣發(fā)生水煤氣反應生成CO2和H2 , 這些反應均為吸熱反應,該區(qū)的溫度稍低。

爐內氣固兩相在爐內溫度變化趨勢不同,噴入爐內的氣相(水蒸氣和氧氣) 在揮發(fā)分燃燒和煙氣稀釋加熱下溫度急劇升高, 在射流區(qū)的上段就達到很高的溫度水平, 這些氣化劑迅速參與化學反應, 生成氣相物的溫度也保持了該溫度水平; 固相則在由煤粉顆粒- 焦炭- 灰渣的轉換過程中, 溫度穩(wěn)步上升。GSP采用的合成氣和液渣向下并流方式, 也使得排渣口的灰渣溫度維持在很高的水平,使灰渣呈液態(tài), 并利用高溫合成氣對高黏度熔渣的良好攜帶作用, 順利地實現了高灰熔點煤粉的液態(tài)排渣。

由于GSP采用單噴嘴射流方式, 煤粉顆粒比較集中分布在射流燃燒區(qū), 爐內顆粒分布均勻性差, 爐內溫度場梯度較大, 在射流燃燒區(qū)形成明顯的噴射火舌; 爐頂單噴嘴也使得爐內湍流混合強度較低, 回流區(qū)較小; 進料噴嘴與出口設置在同一軸線上, 由于噴嘴射流速度很高, 在慣性力作用下,有相當一部分物流在爐內短路, 直接沖向出口, 在氣化爐里的停留時間遠小于整體物料的平均停留時間, 未參與反應就離開了氣化爐, 這在一定程度上影響了氣化反應結果; 受噴嘴容量的限制, 氣化爐負荷可調范圍小。

目前, 工業(yè)化前景較好的以干煤粉為原料的氣流床氣化爐主要有Shell, Prenflo, GSP, TPR I (兩段式氣化爐) , NEDO (日立爐) 和CCP (兩段式空氣氣化爐) 等。按氣化爐的進料位置和進料方式的不同, 將這些氣化爐分為上置單噴嘴下噴式、下置多噴嘴對撞噴入式和下置多噴嘴切圓噴入式3種爐型 。

在干煤粉氣流床氣化爐中, 屬于下置多噴嘴切圓噴入式氣化爐主要有NEDO氣化爐和CCP氣化爐。這2種爐型均為兩段式結構, 在爐側的中下部位切圓布置多只煤粉和氣化劑噴嘴向爐內噴射物料以形成爐內旋轉, 粗合成氣從爐頂排出, 液渣通過爐底部的出渣口排出。

NEDO爐采用一室兩段的設計, 爐內設置了上下2層噴嘴, 每層各有4個噴嘴按切線方向安裝,上下噴嘴有不同的切圓半徑。按流體力學分析, 可將爐內流動分成5個區(qū): 下段射流旋轉區(qū)和上段射流旋轉區(qū)、外旋擴散區(qū)、內旋上升區(qū)和管流區(qū)。從上下兩層切向安裝的4個噴嘴噴出形成的旋轉射流具有強烈的卷吸攜帶能力,將其周圍的高溫流體卷吸進漩流中并與之混合, 形成射流旋轉區(qū)。不同的是, 下層噴嘴在爐內形成向上的下段射流旋轉區(qū), 而上層噴嘴在爐內形成向下的上段射流旋轉區(qū); 在兩次噴嘴之間, 由于兩股旋轉方向相反的旋轉氣流的存在, 在外側形成向下的外旋擴散區(qū), 在內側形成向上的內旋上升區(qū), 并一直發(fā)展到爐頂合成氣出口形成管流區(qū)。由于氣流螺旋式流動, 可延長煤在爐內的停留時間, 有利于煤的氣化。

CCP爐內也設置了上下兩層噴嘴, 每層各有4個噴嘴按切線方向安裝, 各層噴嘴有不同的切圓半徑。煤粉和氣化劑從四角切向高速引入, 在爐內形成一個自下而上運動的漩渦。與NEDO 爐不同,CCP爐體采用的是兩室兩段設計, 即設有下段燃燒室和上段氣化室, 兩室之間設有頸縮結構。按照流體力學過程分析, 也可將爐內的流動分成下段射流旋轉區(qū)和上段射流旋轉區(qū)、外旋擴散區(qū)、內旋上升區(qū)和管流區(qū)共5個區(qū)。與NEDO爐不同的是, 射流旋轉區(qū)的旋轉方向與旋轉射流區(qū)相同, 均旋轉向上。

按照化學反應特征, NEDO 爐和CCP爐的爐內氣化反應均可大致可分為下段燃燒區(qū)(室) 和上段氣化區(qū)(室) 。在下段燃燒室中供給煤粉和多量氧氣, 煤顆粒將被迅速加熱, 揮發(fā)物釋放并迅速完全燃燒, 焦炭也發(fā)生激烈氧化反應生成CO 和CO2 , 同時產生大量的熱量維持燃燒室足夠的高溫, 保證溫度控制在灰熔點以上, 使灰渣以液態(tài)形式排出, 同時產生的高溫氣體進入上段氣化區(qū)為氣化反應提供必要的熱量; 在還原區(qū)中供給煤粉和少量氧氣, 噴入的煤粉與從燃燒區(qū)來的高溫氣體迅速混合, 發(fā)生煤粉熱解產生高活性煤焦, 并隨之發(fā)生氣化反應, 主要生成H2和CO。

NEDO和CCP的爐內氣固兩相溫度變化趨勢：在下段, 這2種爐型內氣固兩相的變化趨勢相似, 過量氧氣的噴入使得噴入的煤粉發(fā)生激烈的熱解反應, 產生的揮發(fā)分和焦炭迅速燃燒,并發(fā)出大量熱量, 同時由于氣流旋流運動使氣固兩相在同一高度的停留時間延長, 使得氣固兩相在噴嘴水平面上的溫升程度比其他爐型迅速, 特別是固相焦炭和煤灰的溫度; 在上段, 氣化反應所需的熱量由下段上升的高溫氣體提供, 這使得兩段之間的氣相溫度稍有降低; 同時, 氣化吸熱反應也使得這2種氣化爐上段噴入的煤粉和氣化劑的溫升速度均比下段慢, 不同的是, 由于這2種氣化爐的上段的流體動力場的不同, NEDO 爐形成向下的溫升曲線, 而CCP爐在上段則形成上揚的溫升曲線。從氣化爐整體看, 由于下置多噴嘴切圓噴入式爐型將爐體分成燃燒放熱反應的上段和氣化吸熱反應的上段, 這使得上段的爐內溫度比下段低很多, 相差達到700 ℃, 這也使得爐頂排出粗煤氣溫度比其他爐型的低, 減少了后續(xù)冷卻單元。

由于這些爐型在上下各段均采用4個對稱噴嘴將煤粉和氣化劑混合物切圓噴入爐內, 在每段進料水平面上, 煤粉在高速氣化劑旋轉射流的帶動下均勻分布在每段氣化爐空間內, 使氣化反應也隨之發(fā)生在氣化爐空間內, 而不是在某一個火焰峰面上,避免了其他氣化方式的超高溫火舌或火炬的出現,使每段氣化爐內溫度更均勻, 避免了傳統(tǒng)的氣化反應局部溫度過高, 并顯著降低了爐內最高溫度; 同時, 爐內高速旋轉動力場增加了煤粉和氣化劑的接觸與反應時間, 使得氣化反應更完全, 從而有助于進一步提高氣化效率; 另外, 采用分段設計, 將燃燒放熱區(qū)和氣化吸熱區(qū)分開, 在保證液態(tài)排渣的同時降低爐頂粗煤氣的溫度, 減少了煤氣冷卻器的換熱面積和數量, 降低了冷卻器、除塵和水洗滌裝置的負荷和尺寸。所以, 目前兩段或多段干煤粉進料氣流床氣化爐已成為國內外競相開發(fā)的技術。

但由于NEDO爐和CCP爐下段煤粉和氣化劑進口與排渣口很接近, 下段的激烈旋轉射流使得部分未完全反應的焦炭與落下的煤灰熔在一起, 來不及進行氧化反應就已從排渣口排出, 降低了氣化效率; 強烈的射流會使部分煤粉或焦炭顆粒刷壁, 特別是大切圓旋轉的上段區(qū)域, 容易導致爐體內壁磨損; 另外, 對于灰熔點較高的煤種, 由于煤氣上行和排渣下行的方式沒有充分利用高溫煤氣對液態(tài)排渣的良好攜帶作用, 容易造成出渣口排渣不暢。

我國是煤炭生產和消費大國, 煤氣化技術作為潔凈煤技術的重要方向之一, 是以煤基為能源的化工系統(tǒng)中最重要的核心技術, 也是合成燃料甲醇、燃料二甲醚, 尋求新型石油替代能源, 緩解我國石油供需矛盾和能源安全的重要途徑之一。因此, 應在歸納總結現有先進煤氣化技術特點的基礎上, 結合我國各地不同特性的煤種, 加強煤氣化核心技術的開發(fā)與創(chuàng)新, 形成具有自主產權的高效煤粉氣化技術 。

國際上應用較廣的管式裂解爐有短停留時間爐、超選擇性爐、林德- 西拉斯爐、超短停留時間爐。

短停留時間爐

是魯姆斯公司在60和70年代開發(fā)的爐型（SRT）,有三種:即SRT-Ⅰ、SRT-1Ⅱ及SRT-Ⅲ型（圖2），其中SRT-Ⅱ又可分為高選擇性(HS)和高生產能力 (HC)兩種。SRT-Ⅰ型由等徑管組成；SRT-Ⅱ及SRT-Ⅲ則為前細后粗的變徑管，四股平行進料以強化前期加熱，縮短停留時間和后期降低烴分壓,從而提高選擇性,增加乙烯產率。由于三種反應管采用了不同的管徑及排列方式，其工藝特性差異較大（見表）。

SRT 型爐是世界上大型乙烯裝置中應用最多的爐型。中國的燕山石油化工公司，揚子石油化工公司和齊魯石油化工公司的 300kt乙烯生產裝置均采用此種裂解爐。

超選擇性裂解爐

簡稱USC爐。它是美國斯通－韋伯斯特公司在70年代開發(fā)的一種爐型，爐子的基本結構與SRT爐大體相同，但反應管由多組 W型變徑管組成（圖3），每組四根管,前兩根材質為HK-40,后兩根為HP-40，全部離心澆鑄和內部機械加工平整,管徑由小到大，一般為50～83mm,長為10～20m。按照生產能力的要求，每臺爐可裝16、24或32個管組，裂解產物離開反應管后迅速進入一種專用急冷鍋爐(USX),每兩組反應管配備一個急冷鍋爐。

USC爐的主要技術特性為:①采用多組小口徑管并雙面輻射加熱,爐管比表面較大，加熱均勻且熱強度高,從而實現了0.3s以下的短停留時間。②采用變徑管以降低過程的烴分壓。短的停留時間和低的烴分壓使裂解反應具有良好的選擇性。

USC爐單臺爐子乙烯年生產能力可達 40kt。中國大慶石油化工總廠以及世界上很多石油化工廠都采用它來生產乙烯及其聯產品。

林德－西拉斯裂解爐

簡稱LSCC爐。 是林德公司和西拉斯公司在70年代初合作研制而成的一種爐型。爐子的基本結構與SRT爐相似。爐膛中央吊裝構形特殊的反應管（圖4）,每組反應管是由12根小口徑管（前8根組成4對平列管,后4根組成兩對平列管）以及4根中口徑管（由4根管組成兩對平列管）和一根大口徑管組成，管徑為6～15cm，管總長45～60m。裂解產物離開反應管后立即進入急冷鍋爐驟冷。

LSCC爐反應器的特點是原料入口處為小口徑管雙排雙面輻射加熱，物料能迅速升溫，縮短停留時間，后繼的反應管則為單排雙面輻射，管徑采取逐管增大方式以達到降低烴分壓的目的。物料在反應管中的停留時間為0.2～0.4s。短停留時間和低烴分壓使裂解反應具有較高的選擇性，乙烯產率高。

LSCC裂解爐在工業(yè)上得到一定的應用，單臺爐的乙烯年產量可達70kt。

超短停留時間裂解爐

簡稱USRT爐，或稱毫秒裂解爐。是美國凱洛格公司和日本出光石油化學公司在70年代末共同開發(fā)成功的新型管式裂解爐。爐子由十多根直徑約為2.54cm,長約10m的單根直管并聯組成。反應管吊在輻射室中央，由底部燒嘴進行雙面輻射加熱。物料由下部進入上部離開并迅速進入專用的USX型急冷鍋爐,每兩根反應管合用一個USX，多個USX合接一個二次急冷鍋爐。裂解過程停留時間可低于100ms,從而顯著提高了反應的選擇性。同傳統(tǒng)的管式裂解爐相比，乙烯相對收率約可提高10%，甲烷和燃料油則有所減少。

USRT爐單臺爐的乙烯年產量為50～60kt。此種爐首次應用于日本出光石油化學公司所屬千葉化工廠的年產300kt乙烯的生產裝置上。中國蘭州石油化學公司也將采用這種裂解爐生產乙烯。

除了上述幾種主要爐型外，工業(yè)上曾得到應用的還有日本三菱倒梯臺爐（采用橢圓形裂解反應管）、法國石油研究院(IFP)的梯臺爐、美國福斯特-惠勒梯臺爐、多區(qū)爐等，但這些爐子現已很少為生產廠采用。