多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的開發(fā)及其在大氮肥國(guó)產(chǎn)化工程中的應(yīng)用.doc

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的開發(fā)及其在大氮肥國(guó)產(chǎn)化工程中的應(yīng)用于遵宏1，于廣鎖1，周志杰1，劉海峰1，王亦飛1，陳雪莉1，王輔臣1， 2005-09-16煤炭氣化，即在一定溫度、壓力條件下利用氣化劑(O2、H2O或CO2)與煤炭反應(yīng)生成潔凈合成氣(CO、H2的混合物)，是對(duì)煤炭進(jìn)行化學(xué)加工的一個(gè)重要方法，是實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈利用的關(guān)鍵。氣流床煤氣化技術(shù)代表著發(fā)展趨勢(shì)，是現(xiàn)在最清潔的煤利用技術(shù)之一，主要包括：以水煤漿為原料的GE(Texaco)、Global E-Gas氣化爐，以干粉煤為原料的Shell、Prenflo、Noell氣化爐1。在新型煤化工和能源轉(zhuǎn)化技術(shù)中，煤氣化都起有重要作用，特別在我國(guó)，煤氣化同時(shí)具有作原料氣和燃料氣的市場(chǎng)需求，被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、建材等工業(yè)行業(yè)和生產(chǎn)煤氣的企業(yè)，社會(huì)需求很大，近幾年內(nèi)在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面將有巨大的發(fā)展。 “九五”期間華東理工大學(xué)、水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心(兗礦魯南化肥廠)、中國(guó)天辰化學(xué)工程公司承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“新型(多噴嘴對(duì)置)水煤漿氣化爐開發(fā)”，中試裝置（日投煤22t）的運(yùn)行結(jié)果表明在水煤漿氣化領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。通過專利實(shí)施許可的方式，并在國(guó)家發(fā)改委“十五”重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目的支持下，四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)成功應(yīng)用于山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國(guó)產(chǎn)化工程，建設(shè)了一臺(tái)投煤750t/d、氣化壓力6.5MPa的煤氣化裝置，現(xiàn)該裝置運(yùn)行狀況良好。1 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)開發(fā)1.1 大型冷模研究 實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。大型冷模對(duì)置氣化爐直徑1m。采用激光多普勒三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀(Dual PDA)、熱線風(fēng)速儀(Streamline 4)、畢托管等研究測(cè)試氣化爐內(nèi)的撞擊射流湍流速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、停留時(shí)間分布等，獲得氣化爐內(nèi)的流動(dòng)與混合規(guī)律，為氣化爐的研究開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)見圖2，可劃分為：射流區(qū)()、撞擊區(qū)()、撞擊流股(,上下兩股)、回流區(qū)(，共六個(gè))、折返流區(qū)(V)、管流區(qū)()。1冷模氣化爐；2噴嘴；3鼓風(fēng)機(jī)；4流量計(jì)；5水泵；6示蹤劑；7Dual DA測(cè)試系統(tǒng)；8停留時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)圖1 大型冷模實(shí)驗(yàn)流程 圖2 四噴嘴對(duì)置氣化爐流場(chǎng)結(jié)構(gòu)1.2 小型熱模試驗(yàn) 在小型熱模實(shí)驗(yàn)裝置上(如圖3示)研究了對(duì)置式熱態(tài)模式氣化爐內(nèi)的火焰特性與溫度分布，獲得操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)與流動(dòng)混合狀態(tài)對(duì)氣化反應(yīng)結(jié)果及溫度分布的影響規(guī)律。1熱模氣化爐；2噴嘴；3貯槽；4泵；5流量計(jì)；6氧氣鋼瓶；7氣體質(zhì)量流量計(jì)；8冷卻室；9數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖3 熱模試驗(yàn)流程1.3 霧化性能研究 基于大型冷態(tài)模型(15004500mm)，借助激光衍射顆粒測(cè)試儀(Malvern)，以水、甘油及水煤漿為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)與尺寸的噴嘴進(jìn)行霧化性能研究，開發(fā)與氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸相匹配、霧化性能優(yōu)越的氣化噴嘴(預(yù)膜式燒嘴)。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖4所示。1冷模氣化爐；2噴嘴；3Malvern測(cè)試儀；4鼓風(fēng)機(jī)；5流量計(jì)；6泵；7貯槽；8過濾器；9引風(fēng)機(jī)；10計(jì)算機(jī)圖4 噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)流程2 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化過程及特點(diǎn) 水煤漿氣化壓力為3.06.5MPa，溫度約1300。在此高溫下化學(xué)反應(yīng)速率相對(duì)較快，而氣化過程速率為傳遞過程控制。為此，采取的技術(shù)對(duì)策是：通過噴嘴配置、優(yōu)化爐型結(jié)構(gòu)及尺寸，在爐內(nèi)形成撞擊流，以強(qiáng)化混合(熱質(zhì)傳遞)過程并形成爐內(nèi)合理的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到良好的工藝與工程效果：有效氣成分高、碳轉(zhuǎn)化率高、耐火磚壽命長(zhǎng)。 煤漿經(jīng)隔膜泵加壓，通過四個(gè)對(duì)稱布置在氣化爐氣化室中上部同一水平面的工藝噴嘴，與氧氣一起對(duì)噴進(jìn)入氣化爐。對(duì)置氣化爐的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)由射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)組成。 煤漿顆粒在氣化爐內(nèi)的氣化過程經(jīng)歷了以下步驟：顆粒的湍流彌散、顆粒的振蕩運(yùn)動(dòng)、顆粒的對(duì)流加熱、顆粒的輻射加熱、煤漿蒸發(fā)與顆粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應(yīng)、煤焦的多相反應(yīng)、灰渣的形成等。 氣化反應(yīng)是串并聯(lián)反應(yīng)同時(shí)存在的極為復(fù)雜的反應(yīng)，可分為一次反應(yīng)區(qū)與二次反應(yīng)區(qū)。 一次反應(yīng)區(qū)(燃燒區(qū)) 進(jìn)入該區(qū)的反應(yīng)物有工藝氧、煤漿以及回流流股和折返流流股中的CO、H2等。水煤漿入爐后，首先進(jìn)行霧化，同時(shí)接受來自火焰、爐內(nèi)壁、高溫氣體、固體物等的輻射熱，以及回流流股及折返流流股的熱量。煤漿瞬間蒸發(fā)，煤粉發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)分。裂解產(chǎn)物、揮發(fā)分及其他易燃組分在高溫、高氧濃度下迅速完全燃燒，放出大量熱。這個(gè)過程進(jìn)行得相當(dāng)短促，主要發(fā)生在射流區(qū)與撞擊區(qū)中，其結(jié)束的標(biāo)志是氧消耗殆盡。 二次反應(yīng)區(qū) 進(jìn)入二次反應(yīng)區(qū)的組分有煤焦、CO2、CH4、H2O以及CO、H2等組分。這時(shí)主要進(jìn)行的是煤焦、CH4等與H2O、CO2發(fā)生的氣化反應(yīng)，生成CO 和H2。這是有效氣成分的重要來源。二次反應(yīng)主要發(fā)生在管流區(qū)。 一次與二次反應(yīng)共存區(qū) 多噴嘴對(duì)置氣化爐中射流區(qū)與撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)共存，不時(shí)進(jìn)行質(zhì)量交換，再加湍流的隨機(jī)性，射流區(qū)的反應(yīng)組分及產(chǎn)物都有可能進(jìn)入撞擊區(qū)、撞擊流股、回流區(qū)、折返流區(qū)，導(dǎo)致這些區(qū)域既進(jìn)行一次反應(yīng)，也進(jìn)行二次反應(yīng)。 二次反應(yīng)以吸熱為主，致使發(fā)生二次反應(yīng)的區(qū)域溫度較低，相對(duì)地起到保護(hù)耐火磚的作用。 在氣化爐中主要進(jìn)行以下化學(xué)反應(yīng)：出氣化室夾帶熔融態(tài)灰渣的高溫合成氣，在復(fù)合床結(jié)構(gòu)的洗滌冷卻室內(nèi)完成合成氣的洗滌冷卻和熔渣的初步分離。3 在山東華魯恒升化工股份有限公司的工程化應(yīng)用 通過專利實(shí)施許可的方式，并在國(guó)家發(fā)改委“十五”重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目的支持下，四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)應(yīng)用于山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國(guó)產(chǎn)化工程，建設(shè)了一臺(tái)多噴嘴撞擊流氣化裝置(6.5MPa，投煤750t/d)。圖5為該氣化爐燒嘴平臺(tái)。氣化裝置由中國(guó)華陸工程公司設(shè)計(jì)，氣化爐由哈爾濱鍋爐廠制造，噴嘴由航天部十一所(北京)制造，耐火磚由新鄉(xiāng)耐火材料廠生產(chǎn)。裝置于2004年底建成，并于2004年12月1日一次投料成功。經(jīng)過調(diào)整和優(yōu)化，四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置于2005年6月初正式投入運(yùn)行。圖5 四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐的燒嘴平臺(tái) 優(yōu)化后的首次運(yùn)行為2005年6月2日7:40至2005年6月5日15:45，多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)80h后按計(jì)劃停車。 自2005年6月初正式投入運(yùn)行至今(2005年7月12日)，四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置已進(jìn)行6次投料，其中2次為連投。導(dǎo)致停車的原因均與氣化裝置本身無關(guān)，主要為斷電、前系統(tǒng)動(dòng)設(shè)備故障、儀表空氣壓力低、計(jì)劃停車等。 基于對(duì)運(yùn)行狀況的分析，可看出以下幾點(diǎn)。 (1)優(yōu)化后四噴嘴對(duì)置式氣化爐已累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)500h以上(截至7月12日)，已經(jīng)歷了較長(zhǎng)生產(chǎn)周期的考核。最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間204h(2005年6月22日2005年7月1日，扣除連投的準(zhǔn)備時(shí)間)。 (2)四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐開、停車方便，簡(jiǎn)單易行，不存在任何問題。在正常運(yùn)行過程中，氣化爐運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常情況，運(yùn)行情況良好。 (3)運(yùn)行80h按計(jì)劃停車后，進(jìn)爐檢查發(fā)現(xiàn)：爐內(nèi)情況良好，燒嘴室無燒損痕跡，燒嘴室向火面磚完好；整個(gè)向火面耐火磚無任何異常情況；耐火磚挺拔如初，棱角分明，掛渣均勻；爐內(nèi)情況表明，不存在火焰燒損對(duì)側(cè)耐火磚的情況；爐內(nèi)構(gòu)件良好，激冷環(huán)、下降管、破泡條等均完好無損；各個(gè)工藝燒嘴完好，無任何磨損、燒蝕情況。2005年7月2日拆檢發(fā)現(xiàn)，四個(gè)工藝燒嘴無任何異常，燒嘴室狀況良好。據(jù)此，完全有理由相信，爐內(nèi)耐火磚將有理想的使用壽命。 (4) 在工藝指標(biāo)方面，多噴嘴對(duì)置式氣化爐展現(xiàn)了較大優(yōu)勢(shì)。6月22日7月1日的運(yùn)行工藝指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值如下。 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐操作負(fù)荷約30.5m3/h。 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐有效氣（CO+H2）比煤耗約581.34kg/km3，單噴嘴頂置式氣化爐比煤耗約630.80kg/km3，降低約8.5%。考慮到多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐的碳洗塔出口溫度平均比單噴嘴頂置式氣化爐低約4.04，比煤耗實(shí)際上應(yīng)更低。 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐合成氣中有效氣CO+H2含量為約83.51%，單噴嘴頂置式氣化爐約83.05%。 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐中的H2含量普遍高于單噴嘴頂置式氣化爐，平均約高1個(gè)百分點(diǎn)左右。 灰渣中殘?zhí)己繛榧s2.21%，表明碳轉(zhuǎn)化率應(yīng)大于98%。 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐相對(duì)于單噴嘴頂置式氣化爐，在操作方面展現(xiàn)了較多的優(yōu)勢(shì)，如激冷室液位穩(wěn)定、易于控制，帶水量降低等。在提高操作負(fù)荷和裝置生產(chǎn)能力方面，多噴嘴對(duì)置式氣化爐有很大的潛力，這是源于其撞擊流的技術(shù)原理和先進(jìn)的工藝技術(shù)。4 結(jié)語 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)，通過專利實(shí)施許可的方式，已成功應(yīng)用于山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國(guó)產(chǎn)化工程，被實(shí)踐證實(shí)工程上是完全可行的。該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化成功，將扭轉(zhuǎn)我國(guó)煤氣化技術(shù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，同時(shí)它將為拓寬氮肥的原料來源、減少對(duì)無煙塊煤的依賴提供先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的支撐技術(shù)，將為我國(guó)化肥行業(yè)的技術(shù)改造和節(jié)能降耗提供技術(shù)保障，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。該技術(shù)煤種適應(yīng)性強(qiáng)，可采用資源豐富、分布廣泛的煙煤或褐煤，并對(duì)粒度、灰分和含硫量有較大的兼容性?？勺鳛楹诵募夹g(shù)集成為大氮肥裝置、大宗化學(xué)品生產(chǎn)裝置(甲醇、烯烴等)、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)裝置、煤基“多聯(lián)產(chǎn)”裝置，也可為煤直接液化、間接液化提供氣源，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。 煤炭氣化技術(shù)(特別是先進(jìn)的純氧氣化技術(shù))，投資高，而氣化的產(chǎn)品為合成氣，并非最終可售商品，必須配套后續(xù)系統(tǒng)，因此建設(shè)以多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)為龍頭的煤基工業(yè)裝置的資金投入較大。國(guó)家應(yīng)該鼓勵(lì)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，在產(chǎn)業(yè)化方面形成一個(gè)較完善的支撐體系，在各方面予以支持，如立項(xiàng)、國(guó)撥資金、銀行貸款免息或貼息、減稅、政策支持(如電能的上網(wǎng))等，為該技術(shù)盡早大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造良好的條件分級(jí)氣流床煤氣化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究張建勝1，岳光溪1，顧大地2，李思斌2，韓喜民3，王中剛3（1. 清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084；2. 北京達(dá)立科科技有限公司，北京 100088；3. 山西豐喜肥業(yè)集團(tuán)股份有限公司臨猗分公司，山西 臨猗 044100） 2007-02-14摘 要 介紹了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分級(jí)氣流床氣化工藝，并進(jìn)行了冷熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，在同樣運(yùn)行條件下，分級(jí)氣化的有效氣體成分要高于連續(xù)氣化。關(guān)鍵詞 氣化；分級(jí)；有效氣體 煤氣化是潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，它以煤炭為原料，采用空氣、氧氣、CO2和水蒸氣等氣體為氣化劑，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行煤的氣化反應(yīng)，得到不同組分不同熱值的煤氣。將廉價(jià)的煤炭轉(zhuǎn)化成為清潔煤氣，既可用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，還可用于煤的直接與間接液化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）和以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域1，2。以煤氣化技術(shù)為龍頭的多聯(lián)產(chǎn)煤炭轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，可同時(shí)獲得多種高附加值的化工產(chǎn)品和多種潔凈的二次能源。可以相信，以煤氣化技術(shù)為龍頭的多聯(lián)產(chǎn)煤炭轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將是中國(guó)煤化工今后的發(fā)展方向。煤化工的發(fā)展必須以煤氣化為“龍頭”，因此煤氣化技術(shù)是煤化工的關(guān)鍵。 煤氣化技術(shù)的發(fā)展表明，氣流床煤氣化爐具有很好的煤種適應(yīng)性和優(yōu)良的技術(shù)性能，是煤氣化的首選技術(shù)，其中最具代表性的是德士古（Texaco）水煤漿氣化技術(shù)、Destec水煤漿氣化技術(shù)和謝爾（Shell）干煤粉氣化技術(shù)3,4。近幾十年來在原國(guó)家科委、計(jì)委、教委和各工業(yè)部門的支持下，我國(guó)在煤氣化的研究與開發(fā)、消化引進(jìn)技術(shù)方面進(jìn)行了大量工作，開發(fā)了多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)5、灰熔聚煤氣化技術(shù)6等。清華大學(xué)、北京達(dá)立科科技有限公司也提出了一種新的高溫純氧氣流床煤氣化技術(shù)，即分級(jí)氣流床煤氣化技術(shù)。下面介紹這一技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究情況。1 工藝介紹 針對(duì)目前商業(yè)運(yùn)行的水煤漿氣化爐存在的問題和缺點(diǎn)，清華大學(xué)和北京達(dá)立科科技有限公司提出了將水煤漿的連續(xù)氣化過程進(jìn)行分級(jí)，形成一種新的煤氣化工藝分級(jí)氣流床煤氣化工藝。采用分級(jí)氣化工藝，可以進(jìn)行水煤漿、干煤粉及其他含碳物質(zhì)的氣化，其工藝過程如圖1所示。 原料（水煤漿、干煤粉或者其他含碳物質(zhì)）通過給料機(jī)構(gòu)進(jìn)入氣化爐的第一段，采用純氧作為氣化劑，其他氣體，如CO2、N2、水蒸氣等作為噴嘴霧化介質(zhì)。在第一段控制氧氣加入的比例，保持第一段的溫度在合適的水平，不至于太高。在第一段中生成的氣體以及未反應(yīng)的固體混合物進(jìn)入第二段，在第二段再補(bǔ)充部分氧氣，使氣化爐內(nèi)的溫度達(dá)到煤的灰熔點(diǎn)以上，在第二段完成全部的氣化過程。圖1 分級(jí)氣流床煤氣化工藝示意圖 在國(guó)家863和973計(jì)劃的支持下，清華大學(xué)對(duì)分級(jí)氣流床氣化技術(shù)進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究和模型研究。2 冷態(tài)流場(chǎng)研究 在實(shí)驗(yàn)室建立分級(jí)氣流床氣化爐的冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用三維激光顆粒動(dòng)態(tài)分析儀（Particle Dynamic Analyzer, PDA）對(duì)氣化爐內(nèi)的三維流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，包括氣化爐內(nèi)的三維速度、霧化后的顆粒粒徑、濃度分布等，重點(diǎn)研究了分級(jí)后二次射流對(duì)氣化爐內(nèi)流場(chǎng)的影響。 為了使測(cè)量結(jié)果具有指導(dǎo)意義，實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸是根據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是水煤漿噴嘴，相似參數(shù)主要是幾何相似和雷諾數(shù)相似，它們決定了流動(dòng)模型和流動(dòng)特征。對(duì)于像氣化爐這樣的同軸射流系統(tǒng)還要保證Thring-Newby準(zhǔn)則數(shù)相同，這樣就可以保證兩系統(tǒng)相似。根據(jù)這些準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。為便于加工和觀察，噴嘴和爐體都采用有機(jī)玻璃制造。爐體直筒段高度為1300mm，直徑為500mm。在離開爐體直筒段上沿250mm、450mm、650mm、850mm和1050mm的高度上分別設(shè)置了5個(gè)測(cè)量用的觀察窗，從上到下依次編號(hào)為I、II、III、IV、V。同時(shí)在側(cè)面距離直筒段上沿250mm、350mm和450mm的位置設(shè)有三層二次射流口，即圖中的T、M、B位置，每層布置4個(gè)。二次氣流經(jīng)過這幾個(gè)二次射流口由特殊的二次噴嘴進(jìn)入爐內(nèi)。為了比較二次氣流的影響，同時(shí)測(cè)量了不加二次氣流工況下的爐內(nèi)速度分布情況。在加入二次射流的情況下，測(cè)量了不同二次射流流量和二次氣流分別從上、中、下三層進(jìn)入爐體時(shí)氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)情況。圖2 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)觀察窗和二次射流口位置示意圖 圖3和4給出了二次射流的流量和位置對(duì)氣化爐內(nèi)截面I處軸向和切向速度的影響。從圖3(a)的軸向速度分布來看，二次氣流加入后，從壁面開始到爐膛中心，在相當(dāng)?shù)木嚯x范圍內(nèi)存在一個(gè)軸向速度接近0的區(qū)域，說明壁面附近的二次氣流對(duì)主氣流有一個(gè)截?cái)嘧饔?。而在靠近爐膛中心處，軸向速度則比不加二次氣流時(shí)有所增加，這主要是因?yàn)榈竭_(dá)爐膛中心后，二次氣流方向已經(jīng)由橫向轉(zhuǎn)為和主氣流方向一致，并混入到主氣流中，由于總流量的增加使中心處的軸向速度增加。從圖3(b)可以看出，二次氣流加入后，氣化爐內(nèi)出現(xiàn)了反方向的切向速度。這意味這二次射流加強(qiáng)了爐內(nèi)的混和，對(duì)應(yīng)到氣化爐上就是氣化爐內(nèi)的物料混和得到加強(qiáng)，這對(duì)于氣化反應(yīng)的充分進(jìn)行是有利的。截面I上二次射流大小對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)的影響圖3截面I上二次射流位置對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)的影響圖4 從圖4的軸向速度和切向速度分布來看，二次射流分別由上層、中層、下層二次射流口加入時(shí)，三條速度曲線基本重合在一起，意味著氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)二次射流開口的位置并不敏感。這對(duì)于氣化爐的加工和運(yùn)行非常有利，可以降低對(duì)二次射流口加工位置精度的要求。3 熱態(tài)實(shí)驗(yàn) 一種新的氣化工藝，從設(shè)想到工業(yè)應(yīng)用必須要經(jīng)過熱態(tài)測(cè)試才行。為此清華大學(xué)建立了鋼殼直徑1m的分級(jí)氣化爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在此實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了連續(xù)氣化（類似Texaco工藝）和分級(jí)氣化的熱態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖5是熱態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的外形圖。 在氣化爐燃燒室的壁面襯有耐火磚，耐火磚外面是保溫層，使氣化爐鋼殼外的溫度保持在150左右。熱態(tài)實(shí)驗(yàn)采用水煤漿進(jìn)料，在氣化爐的燃燒室內(nèi)水煤漿與氧氣混合經(jīng)過霧化后開始發(fā)生部分燃燒反應(yīng)。由于采用CO2作為霧化劑，水煤漿先發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)。通過控制氧氣和CO2的量，使噴嘴附近的溫度保持在較低的水平。圖5 分級(jí)氣化爐熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)外形圖 圖6給出了連續(xù)氣化和分級(jí)氣化時(shí)氣化爐內(nèi)的溫度分布情況。從圖中可以看出采用分級(jí)氣化，在以CO2作為霧化劑的情況下，噴嘴附近的溫度比連續(xù)氣化降低200左右，從而有效延長(zhǎng)了噴嘴的使用壽命。從圖6還可以看出，分級(jí)氣化氣化爐下部溫度要高于連續(xù)氣化，從而使整個(gè)氣化爐從上到下的平均溫度得到提高，有利于氣化反應(yīng)的充分進(jìn)行，因此分級(jí)氣化的有效氣體成分要高于連續(xù)氣化。氣化室內(nèi)溫度分布比較圖64 結(jié)論 為了對(duì)連續(xù)氣化和分級(jí)氣化進(jìn)行更全面的比較，對(duì)氣化爐進(jìn)行了模擬計(jì)算，如表1所示。在其他運(yùn)行參數(shù)相同的情況下，分級(jí)氣化的合成氣中有效氣含量比連續(xù)氣化要高2個(gè)百分點(diǎn)左右，冷煤氣效率也得到提高，碳轉(zhuǎn)化率提高2個(gè)百分點(diǎn)左右。在達(dá)到同樣碳轉(zhuǎn)化率的條件下，采用分級(jí)氣化較小的氧煤比就可以提高合成氣中有效氣體的含量。這對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義，因?yàn)檩^低的氧煤比意味著氧氣消耗量減少，從而可以減少空分