关于壳牌气化炉内流场特征及其影响因素研究

（晋能控股煤业集团广发化学工业有限公司，山西 大同 037008）

摘  要：壳牌气化技术主要运用的是干粉煤加压气化以及液态排渣形式，属于目前煤炭资源洁净使用的一种先进技术。但是在使用过程存在很多影响因素，这些因素严重影响了壳牌气化炉内流场的稳定性，为进一步探究影响因素，本文着重对壳牌气化炉内流场特征展开了研究，并且提出了影响壳牌气化炉内流场稳定性的主要因素以及危害后果，希望给壳牌气化炉的稳定运行带来积极的作用。

关键词：壳牌气化炉；内流场特征；影响因素

壳牌煤气化技术属于非常清洁的一个技术，此技术的运行模式为干粉煤加压气化、液态排渣。不过壳牌气化技术在应用的过程中具有许多的问题，尤其是壳牌气化炉内流场，一般影响壳牌气化炉内流场的因素非常多，不仅严重影响到壳牌气化炉的安全与稳定，而且还很大程度上影响了气化的效率与质量，为此就对壳牌气化炉内流场特征展开了深入的探究，并找出了影响其内流场的主要原因，在今后使用过程中应重点关注这些影响因素，以促使壳牌气化炉的运行更加稳定。

1 壳牌气化炉的结构特征

壳牌气化炉的工艺模式主要运用的是粉煤输送式，工艺技术主要运用的是多烧嘴对置加压气流床气化技术。一般壳牌气化炉的结构会采用水冷壁结构，其构成主要为：受热面环形空间和承压壳体，水冷壁会设置于壳体当中，气化就产生于膜式水冷壁的气化室中，气化的压力主要由承压炉承担。承压炉和膜式水冷壁间会形成环形空间，此空间会放入容纳水与蒸汽的输入管线、输出管线、集箱管以及分配管等等，环形空间还非常有利于管线连接、安装与检修。一般膜式水冷壁的内部会有一层耐火的衬里，其作用是不让膜式水冷壁受到侵蚀。通常烧嘴安装于气化室的中下处，四个烧嘴呈对称式摆放，其作用是于1500℃的情况下向内喷进煤粉、氧气以及蒸汽的混合物，让其瞬间完成气化，产生含有飞灰的粗合成气，然后放入冷却器中展开冷却，并回收热量。为了避免飞灰黏在设备上，还会在气化炉反应段的出口上喷上200℃ 的低温激冷气，以使从气化炉中出去的合成气激冷到900℃，这样迅速降温能使合成气的飞灰黏性显著减小，能够有效避免合成气冷却器积灰。

2  壳牌气化炉内流场的特征

壳牌气化是气流床气化的一种，壳牌气化炉内流场采取的主要形式就是射流，尤其是烧嘴喷出的煤粉、氧气和蒸汽的混合物，运用的就是射流方式。通常壳牌气化炉内流场的特征就是利用流体的喷射动量决定的，从而实现需要的气化效果。因此，炉内流型、混合状况以及喷嘴结构都会严重影响射流的动量，所以必须高度重视。经过研究能够发现，射流会给周围流体带来很大的卷吸影响，当流体从烧嘴中射出以后，由于喷嘴的过渡区非常短，高速射流就会导致出现剪切层，而剪切层的不稳定性越来越大，就会产生涡旋，涡旋就会给周围流体带来很大的卷吸作用。因为卷吸作用，使得射流的宽度随着长度不断的增大，一旦射流的扩张效果遇到限制时，射流卷吸量就会超过周围流体量，再加上反向压力梯度的影响，就会形成回流，通常回流会严重影响到火焰的稳定性以及炉中混合的状况等等。一般气化炉烧嘴的结构为：四个烧嘴和径向会有一些夹角，夹角的幅度为4.5°，炉体内流体会错位剪切，从而产生一个强旋流场，流体于强旋流场，就会受射流剪切作用与旋转作用发生卷吸。对于射流剪切作用来说，流体发生错位剪切情况时，旋流就会上下运动，从而和壁面发生接触。对于旋流作用来说，当气化炉的中心压力较小时，旋流的作用较强，此时压力梯度就较大，气化炉的中心流体就会向喷嘴附近运动。因为下渣口和渣池是通的，所以气流受旋转的影响，就会从下渣口的壁面进到渣池当中，渣池的气体会受旋流压差影响，从下渣口的中心进到气化炉当中。

3 影响壳牌气化炉内流场稳定性的主要因素

因为壳牌气化炉内流场对气化的效率以及气化炉的安全具有很大的影响，所以要想确保气化炉安全、稳定的运行，就必须保证壳牌气化炉内流场稳定。为此就着重研究了影响壳牌气化炉内流场稳定性的主要因素，主要包括：煤线的波动、烧嘴的跳停、堵渣的处理情况、气化炉的压力波动、渣池喷淋水喷淋的效率低、气化炉的烧嘴罩和烧嘴头发生泄漏、气化炉的烧嘴角度发生改变。

3.1 煤线的波动

在壳牌气化的过程当中，煤线经常发生波动现象，导致煤线波动的原因有很多，主要如下：煤粉给料仓的压力波动比较大、煤粉的粒度分布不合理、角阀中存在异物、煤粉给料仓的底部存在异物、煤粉温度比较低、煤粉的流动性差、煤管线中存在杂物、煤线的流量不平均、速度计以及密度计可能存在异常情况。因为煤线的波动非常大，所以造成四股流体于炉膛的中心产生强漩涡，形成射流冲击炉壁，最终造成水冷壁、烧嘴罩以及烧嘴头等损伤严重。为了减小煤线的波动，便加大了对原煤的质量控制，并在煤粉螺旋输送机的下面设置了纤维筛，以提升煤线的稳定性，同时将烧嘴的使用时间从3000h变成了7000h。

3.2 烧嘴的跳停

在壳牌气化炉的运行过程中，烧嘴流量允许存在轻微的波动，因为如果烧嘴流量波动过大，则会导致烧嘴跳车，甚至还会影响气化炉的运行，所以必须保证烧嘴流量稳定，从而保证气化炉的运行稳定，防止烧嘴频繁的跳停。通常不同条件的壳牌气化炉内流场特征也会不同，对于四个烧嘴等负荷条件来说，四股流体会错位剪切，会在炉膛的中心产生对称的强漩涡，这样流体和壁面不会直接发生撞击。对于三个烧嘴的运行情况来说，因为流场失去了对称性，使得烧嘴的附近强旋流变弱，三股流体于炉膛中心附近发生撞击，导致射流冲刷炉壁。对于二个烧嘴的运行情况来说，如果二股流体于中心位置错位剪切，会冲刷对面炉壁；如果相邻二个烧嘴，则二股流体会于中心发生撞击，会冲刷对面炉壁。

3.3 堵渣的处理情况

壳牌气化在运行过程中，经常会出现除渣单元渣口堵渣、渣收集器发生堵渣的情况，就必须进行处理，在处理的时候，气化炉的气体会瞬间反向流动，进到渣池中，给气化炉的气化室与下渣口带来影响。另外，在疏通渣口的时候，很可能有较多的熔融渣进到渣池中，再形成蒸汽进到气化炉中，最终造成气化炉内流场发生改变。因为，为了避免堵渣情况发生，在操作的时候应依据气化炉的情况以及煤灰分的特性来改变炉温。

3.4 气化炉的压力波动

壳牌气化炉在运行的时候，经常出现由系统压力波动而引发的烧嘴射流动量波动，造成气化炉内流场不稳定，所以在运行过程中，应当尽可能的使系统压力保持稳定，防止波动较大而影响气化炉内流场。

3.5 渣池喷淋水喷淋的效率低

当气化炉在运行的时候，因为渣池的循环水泵不稳定，使得喷淋管的喷淋效率很低，并且产生的水幕根本没法阻止进入气化炉当中，就导致气化炉内流场不稳定。另外，因为喷淋的效率低，使得渣池中具有大量的水气进到气化炉中，不仅影响了液态渣的温度，而且还影响了液态渣的流动性，从而堵塞气化炉的渣口。其中就有某个企业的气化炉因为喷淋水总管发生泄漏，使得气化炉的渣口经常发生堵渣，最终导致气化装置在不得不停工。要想避免此类事故出现，就需要在检修的时候，对所有的渣水管线和设备展开全面的检查，以保证质量。

3.6 气化炉的烧嘴罩和烧嘴头发生泄漏

在气化炉的运行过程中，其烧嘴罩和烧嘴头经常发生泄漏问题，一旦烧嘴罩和烧嘴头发生泄漏，就会使水气进到气化炉中，导致烧嘴发生射流，影响气化炉内流场的稳定性。为有效解决此情况，就调整了烧嘴罩，把烧嘴罩的盘管从7圈变为8圈，使长度增大12mm，将其限流孔板的直径变为8mm，并增大冷却水的通量，有效避免了高温给烧嘴头带来的伤害。由此可见，烧嘴罩应当运用耐高温的材料，并涂上隔热层。

3.7 气化炉烧嘴角度发生变化

通常壳牌气化炉的烧嘴和径向是存在夹角的，其夹角为 4.5°，不过在运行的过程中，因为各种因素的影响，就会使角度发生变化。如果角度变小，则会造成炉膛的气体流场旋流发生变化，从而造成煤粉和氧气无法完全反应，存在大量的煤粉，当煤粉向下流动就会堵渣气化炉；如果角度变大， 则内部流场会变大，使高温区域更接近水冷壁，不仅会导致炉壁的渣层变薄，而且还会导致炉膛的耐火泥发生脱落，缩短使用时间，加大检修工作量。另外，如果角度变大还会造成烧嘴罩和火焰端面的距离减小，一旦煤线的流量发生波动，则氧碳比就会变大，从而烧坏烧嘴罩。

4 总结

通过上述内容可知，壳牌气化炉在运行过程中内流场的稳定性非常重要，对气化炉的效率以及安全均有着很大的影响，所以必须保证壳牌气化炉内流场的稳定。要想保证壳牌气化炉内流场的稳定就必须解决其存在的众多问题，防止各种因素影响壳牌气化炉内流场的稳定性，并且在检修的时候必须严格把关，确保各项参数均符合规定，保证相关人员的技术能力，确保壳牌气化炉的运行更加稳定，发展更加快速。

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       来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第10期  在线投稿  >>