1、水煤浆气化技术简介水煤浆气化技术简介 一、流场分布一、流场分布 二、气化炉结构二、气化炉结构 三、三、工艺喷嘴工艺喷嘴多喷嘴对置式水煤浆气化工艺原理简图 磨煤制浆系统净化系统渣水处理系统气化系统1、流场结构划分、流场结构划分n流场结构由流场结构由射射流区流区、撞击区撞击区、撞击流股撞击流股、回流区回流区、折返折返流区流区和和管流区管流区组成。组成。射流区管流区回流区撞击区撞击流股折返流区 浓度浓度60.5%的水煤的水煤浆通过煤浆给料泵加压浆通过煤浆给料泵加压与高压氧气（纯度与高压氧气（纯度99.6%）通过四个）通过四个对称对称布置布置在气化炉在气化炉中上部同中上部同一水平面一水平面的工艺喷嘴对
2、的工艺喷嘴对喷进入气化炉燃烧室。喷进入气化炉燃烧室。60.5%煤浆99.6%氧气n 对喷撞击后形成对喷撞击后形成6个特征各异的流动区，个特征各异的流动区，即射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折即射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区。返流区和管流区。n 利用煤的部分氧化释放出热量，维持在该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。炉内温煤种灰熔点温度以上进行气化反应。炉内温度度1350，反应过程非常迅速，一般在，反应过程非常迅速，一般在410秒内完成。秒内完成。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n（1 1）射流区：）射流区：
3、n 流体从喷嘴流体从喷嘴以较高速度喷出以较高速度喷出后，由于湍流脉动，射流后，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，压力的作用，射流速度衰减加快，射流扩张角也随之加大射流扩张角也随之加大，此后为撞击区。此后为撞击区。n（2 2）撞击区：）撞击区：n 当射流边界交汇后，在中心部位当射流边界交汇后，在中心部位形成相向射流的剧烈形成相向射流的剧烈碰撞运动碰撞运动，该区域，该区域静压较高静压较高，且在撞击区中心达到最高。此，且在撞击区中心达到最高。此点即为驻点，点即为驻点，射流轴线速度为零
4、射流轴线速度为零，由于相向流股的撞击作用，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，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、）逐渐增大。撞击区内速度脉动剧烈，湍流强大、混合作用混合作用好好。n（3 3）撞击流股：）撞击流股：n 四股流体撞击后，流体沿四股流体撞击后，流体沿反应器轴向反应器轴向运运动，分别动，分别在撞击区外的上方和下方形成了流在撞击区外的上方和下方形成了流动方向相反动方向相反，特征相同的两个流股特征相同的两个流股。在这个。在这个区域中，撞击流股具有与射流相同的性质，区域中，撞击流股具有与射流相
5、同的性质，即流股对周边流体也有卷吸作用，使该区域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。，直至轴向速度沿径向分布平缓。n（4 4）回流区：）回流区：n 由于射流和撞击流股都具有由于射流和撞击流股都具有卷吸卷吸周边流周边流体的作用，故在射流区边界和撞击流股边界体的作用，故在射流区边界和撞击流股边界，出现在回流区。，出现在回流区。n（5 5）折返流区：）折返流区：n 沿反应器轴线向上运动的流股沿反应器轴线向上运动的流股对拱顶形对拱顶形成撞击流成撞击流，近炉壁沿着轴线折返朝下运动。，近炉壁沿着轴线
6、折返朝下运动。n（6 6）管流区：）管流区：n 在炉膛下部在炉膛下部，射流、射流撞击、撞击流，射流、射流撞击、撞击流股，射流撞击壁面等股，射流撞击壁面等特征消失特征消失，轴向速度沿轴向速度沿径向分布保持不变径向分布保持不变，形成管流区。，形成管流区。n 水煤浆、氧气进入气化室后，相继进行水煤浆、氧气进入气化室后，相继进行雾雾化化、传热传热、蒸发蒸发、脱挥发份脱挥发份、燃烧燃烧、气化气化等六等六个物理和化学过程，前五个过程速度较快，已个物理和化学过程，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。，主要在管流区中进行。
7、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：经历了以下步骤：颗粒的湍流弥散颗粒的振荡运动颗粒的对流加热颗粒的辐射加热煤浆蒸发与颗粒中挥发分的析出挥发产物的气相反应煤焦的多相反应灰渣的形成来自火焰、炉内壁、高温气体、固体物等湍流脉动裂解产物、挥发份及其他易燃组分煤焦、CH4等与H2O、CO2煤的热裂解n 气化反应是串并联反应同时存在的极为复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杂的反应体系，可分为一次反应与二次反应：n1、一次反应区、一次反应区(燃烧区燃烧区)n 进入该区
8、的反应物有工艺氧、煤浆以及回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流流股和折返流流股中CO、H2等。这个过程等。这个过程进行得相当短促，主要发生在射流区与撞击进行得相当短促，主要发生在射流区与撞击区中，区中，其结束的标志是氧消耗殆尽。其结束的标志是氧消耗殆尽。n2、二次反应区、二次反应区n 进入二次反应区的组分有煤焦、进入二次反应区的组分有煤焦、CO2、CH4、H2O以及以及CO、H2等组分。这时主要进等组分。这时主要进行的是煤焦、行的是煤焦、CH4等与等与H2O、CO2发生的气化发生的气化反应，生成反应，生成CO和和H2。这是有效气成分的重要。这是有效气成分的重要来源。来源
9、。二次反应主要发生在管流区。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？n3、一次与二次反应共存区、一次与二次反应共存区n 多喷嘴对置气化炉中射流区与撞击区、撞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，导致这些区域股、回流区、折返流区，导致这些区域既进既进行一次反应，也进行二次反应行一次反应，也进行二次反应。n 二次
10、反应以吸热为主，致使发生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，相对地的区域温度较低，相对地起到保护耐火砖的起到保护耐火砖的作用作用。3、气化炉中发生的化学反应、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。n 气化炉耐火材料整体可分为三部分：锥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
11、从里到外分为若底、拱顶和筒体。耐火材料从里到外分为若干层，分别是：向干层，分别是：向火面耐火砖火面耐火砖、绝热层耐火绝热层耐火砖砖和和保温层耐火砖保温层耐火砖。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。想一想：什么是耐火材料？n耐火材料的分类耐火材料的分类 ：耐火材料通常按耐火度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、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。学矿物质组成等进行分类。n（1 1）按耐火度分类有）按耐火度分类有n普通耐火材料，耐火度为普通耐火材料，耐火度为15801580
12、17501750；n高级耐火材料，耐火度为高级耐火材料，耐火度为1750175020002000；n特级耐火材料，耐火度为特级耐火材料，耐火度为2000200030003000。n（2 2）按重量、形状和尺寸分类可分为）按重量、形状和尺寸分类可分为n标准型、普通型、异型和特异型。标准型、普通型、异型和特异型。n（3 3）按制造工艺方法可以分为）按制造工艺方法可以分为n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、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。熔铸成型等制品。n（4 4）按烧制方法可以分为）按烧制方法可以分为n不烧砖、烧制砖和熔铸砖
13、等。不烧砖、烧制砖和熔铸砖等。耐火材料组成硅酸铝制品粘土质耐火砖，SiO2含量小于65，Al2O3含量2842；高铝砖，Al2O3含量大于或等于48；硅质制品硅砖，SiO2含量不小于93；熔融石英，SiO2含量99.5以上。镁质制品MgO含量87以上碳质制品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；特殊高纯氧化物耐火制品包括陶瓷砖，有纯氧化物制品，如Al2O3、MgO、ZrO2、BeO、ThO2等；（5）按耐火材料基体的化学矿物质组成分类n（6）按外观形态分为定型、不定型耐火材料）按外观形态分为定型、不定型耐火材料和耐火纤维制品。和耐火纤维制品。n 不定型耐火材料也称不定
14、型耐火材料也称散状耐火材料散状耐火材料，是由合理级配的耐，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。混合物，可直接使用或加适当的液体混合后使用。n 耐火纤维材料是一种既能耐高温又隔热的纤维状耐火材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。震动性能好。n为什么要进行烘炉操作？为什么要进行烘炉操作？n 炉衬材料含有水分，炉衬材料含有水分，在炉墙砌筑完毕后，其
15、水在炉墙砌筑完毕后，其水分含量很高，如果不经烘分含量很高，如果不经烘烤直接投入使用，由于烤直接投入使用，由于炉炉膛温度很高膛温度很高，湿炉墙由于，湿炉墙由于温度上升过快，温度上升过快，炉墙中的炉墙中的水分迅速蒸发成气体水分迅速蒸发成气体，容，容易使炉墙易使炉墙产生裂缝产生裂缝，造成，造成炉墙密封性能降低。炉墙密封性能降低。n n 为了保护炉体和延长炉子的使用寿命，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，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。当，可提高炉子的使用寿
16、命。n 要将炉墙烘烤干燥，必须得有热源。作要将炉墙烘烤干燥，必须得有热源。作为烘炉用的热源主要有为烘炉用的热源主要有燃料油燃料油、燃料气燃料气、热热风风、蒸汽蒸汽4种，具体采用哪一种热源应视现种，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，用气体燃场的条件而定，如果有气体燃料，用气体燃料烘炉最方便。料烘炉最方便。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。新砌耐火砖烘炉曲线0,04,10076,10086,350158,350168,600240,600256,1000328,1000336,1200
17、0200400600800100012001400050100150200250300350400时间（h）温度（）三、工艺喷嘴三、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。工艺烧嘴 由图可见，工艺烧嘴系三流通道，氧分为两路：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。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。n 水煤浆未与中心氧接触前，在环隙通道为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，流速约厚达十余毫米的一圈膜，流速约2m/s。中心。中心氧占总氧
18、量的氧占总氧量的15%20%，流速约，流速约80m/s。环。环隙主氧占总氧量的隙主氧占总氧量的80%85%，气速约，气速约120m/s，氧气在烧嘴入口处的压力与炉压之比，氧气在烧嘴入口处的压力与炉压之比1.21.4。n 烧嘴头部最外侧为水冷夹套。冷却水入口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，气化炉引出。当喷嘴冷却水供应量不足时，气化炉会自动停车。会自动停车。n 烧嘴的材料为烧嘴的材料为Inconel600，夹套头部材料，夹套头部材料为为Haynes188，烧嘴头部煤浆通道上都在主材，烧嘴
19、头部煤浆通道上都在主材表面堆焊一层表面堆焊一层Stellite6耐磨层。耐磨层。n 工艺烧嘴主要是藉高速氧气流的动能，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，为气化创造条有一定长度黑区的稳定火焰，为气化创造条件。件。n操作要点：操作要点：n1、要控制好、要控制好雾化角雾化角，防止火焰直接喷射到炉，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。向偏移，使煤燃烧不完全。n2、水煤浆与氧气混合水煤浆与氧气混合的好坏，直接影响气化的好
20、坏，直接影响气化效果。局部过氧，会导致局部超温，对耐火效果。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。，增加带出物中碳的损失。n 在正常运行期间，烧嘴头部在正常运行期间，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期就是工艺烧嘴的连续运行天数。n 这就是为什么气化炉避免不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么气化炉一定要设置备用炉的理由。由。作业题：作业题：1、新型多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉的流场、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。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、煤浆颗粒在气化炉内的气化过程经历了哪些步骤？步骤？3、新砌筑的气化炉为什么要进行烘炉操作？、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。、工艺烧嘴的操作要点。
