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多喷嘴对置式水煤浆气化技术的开发及其在大氮肥国产化工程中的应用
煤炭气化，即在一定温度、压力条件下利用气化剂(O2、H2O或CO2)与煤炭反应生成洁净合成气(CO、H2的混合物)，是对煤炭进行化学加工的一个重要方法，是实现煤炭洁净利用的关键。气流床煤气化技术代表着发展趋势，是现在最清洁的煤利用技术之一，主要包括：以水煤浆为原料的GE(Texaco)、Global E-Gas气化炉，以干粉煤为原料的Shell、Prenflo、Noell气化炉
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。在新型煤化工和能源转化技术中，
煤气化都起有重要作用，特别在我国，煤气化同时具有作原料气和燃料气的市场需求，被广泛应用于化工、冶金、机械、建材等工业行业和生产煤气的企业，社会需求很大，近几年内在产业应用方面将有巨大的发展。
“九五”期间华东理工大学、水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心(兖矿鲁南化肥厂)、化学工程公司承担了国家重点科技攻关项目“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”，中试装置（日投煤22t）的运行结果表明在水煤浆气化领域达到了国际领先水平。通过专利实施许可的方式，并在国家发改委“十五”重大技术装备研制项目的支持下，四喷嘴对置式水煤浆气化技术成功应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程，建设了一台投煤750t/d、气化压力6.5MPa的煤气化装置，现该装置运行状况良好。1 多喷嘴对置式水煤浆气化技术开发1.1 大型冷模研究
实验流程如图1所示。大型冷模对置气化炉直径1m。采用激光多普勒三维粒子动态分析仪(φDual PDA)、热线风速仪(Streamline 4)、毕托管等研究测试气化炉内的撞击射流湍流速度场、浓度场、压力场、停留时间分布等，获得气化炉内的流动与混合规律，为气化炉的研究开发提供科学依据。流场结构见图2，可划分为：射流区(Ⅰ)、撞击区(Ⅱ)、撞击流股(Ⅲ,上下两股)、回流区(Ⅳ，共六个)、折返流区(V)、管流区(Ⅵ)。
1—冷模气化炉；2—喷嘴；3—鼓风机；4—流量计；5—水泵；6—示踪剂；7—Dual DA测试系统；8—停留时间测试系统
图1 大型冷模实验流程
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图2 四喷嘴对置气化炉流场结构
1.2 小型热模试验
在小型热模实验装置上(如图3示)研究了对置式热态模式气化炉内的火焰特性与温度分布，获得操作参数、结构参数与流动混合状态对气化反应结果及温度分布的影响规律。
1—热模气化炉；2—喷嘴；3—贮槽；4—泵；5—流量计；6—氧气
钢瓶；7—气体质量流量计；8—冷却室；9—数据采集系统
图3 热模试验流程
1.3 雾化性能研究
基于大型冷态模型(φ1500×4500mm)，借助激光衍射颗粒测试仪(Malvern)，以水、甘油及水煤浆为实验介质，对不同几何结构与尺寸的喷嘴进行雾化性能研究，开发与气化炉结构尺寸相匹配、雾化性能优越的气化喷嘴(预膜式烧嘴)。实验流程图如图4所示。
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1—冷模气化炉；2—喷嘴；3—Malvern测试仪；4—鼓风机；5—流 量计；6—泵；7—贮槽；8—过滤器；9—引风机；10—计算机
图4 喷嘴雾化实验流程
2 多喷嘴对置式水煤浆气化过程及特点
水煤浆气化压力为3.0～6.5MPa，温度约1300℃。在此高温下化学反应速率相对较快，而气化过程速率为传递过程控制。为此，采取的技术对策是：通过喷嘴配置、优化炉型结构及尺寸，在炉内形成撞击流，以强化混合(热质传递)过程并形成炉内合理的流场结构，从而达到良好的工艺与工程效果：有效气成分高、碳转化率高、耐火砖寿命长。
煤浆经隔膜泵加压，通过四个对称布置在气化炉气化室中上部同一水平面的工艺喷嘴，与氧气一起对喷进入气化炉。对置气化炉的流场结构由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成。
煤浆颗粒在气化炉内的气化过程经历了以下步骤：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、灰渣的形成等。
气化反应是串并联反应同时存在的极为复杂的反应，可分为一次反应区与二次反应区。 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的CO、H2等。水煤浆入炉后，首先进行雾化，同时接受来自火焰、炉内壁、高温气体、固体物等的辐射热，以及回流流股及折返流流股的热量。煤浆瞬间蒸发，煤粉发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物、挥发分及其他易燃组分在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧，放出大量热。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。 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，不时进行质量交换，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。 在气化炉中主要进行以下化学反应：
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出气化室夹带熔融态灰渣的高温合成气，在复合床结构的洗涤冷却室内完成合成气的洗涤冷却和熔渣的初步分离。3 在化工股份有限公司的工程化应用
通过专利实施许可的方式，并在国家发改委“十五”重大技术装备研制项目的支持下，四喷嘴对置式水煤浆气化技术应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程，建设了一台多喷嘴撞击流气化装置(6.5MPa，投煤750t/d)。图5为该气化炉烧嘴平台。气化装置由中国华陆工程公司设计，气化炉由哈尔滨锅炉厂制造，喷嘴由航天部十一所(北京)制造，耐火砖由新乡耐火材料厂生产。装置于2004年底建成，并于2004年12月1日一次投料成功。经过调整和优化，四喷嘴对置式水煤浆气化装置于2005年6月初正式投入运行。
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