氣流床煤氣化是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭技術(shù)，按照進(jìn)料方式的不同分為水煤漿進(jìn)料和干粉進(jìn)料，兩者均具有水冷壁襯里的氣化爐。本系列將從不同方面對水煤漿水冷壁氣化爐與干粉氣化爐進(jìn)行對比。
氣化爐反應(yīng)室一般采用液態(tài)排渣，夾帶熔融灰渣的合成氣溫度可以達(dá)到1300℃以上，具有很高的顯熱熱量。在合成氣進(jìn)一步處理前需要將其冷卻下來，常采用水激冷或者氣體激冷方式，損失了大量顯熱熱量。為了提高能源利用效率和能效水平，采用輻射式廢熱鍋爐回收高溫熔渣和合成氣的顯熱同時(shí)副產(chǎn)高壓蒸汽成為發(fā)展方向。水煤漿水冷壁氣化爐輻射廢鍋是成熟技術(shù)，已經(jīng)有多個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的商業(yè)案例，最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間已超過140天。干粉氣化爐輻射廢鍋尚無穩(wěn)定運(yùn)行的案例。本文將對水煤漿水冷壁氣化爐的輻射廢鍋和干粉氣化爐的輻射廢鍋進(jìn)行對比分析。
輻射廢鍋直接接收來自氣化爐反應(yīng)室的粗煤氣，以單爐有效氣產(chǎn)量200000Nm3/h（日處理煤量3000噸級）為例，表1列出了典型干粉氣化爐和水煤漿氣化爐輻射廢鍋入口的合成氣流量和組成。從表中可以看出，在相同的有效氣產(chǎn)量條件下，水煤漿氣化爐粗煤氣中的H2O和CO2含量更高，其總的粗煤氣流量比干粉氣化爐高約37%。因此水煤漿氣化爐粗煤氣具有更大的顯熱量，在輻射廢鍋中相同的溫度降可以回收更多的熱量并副產(chǎn)更多的蒸汽。
氣化爐產(chǎn)生的合成氣用于化工時(shí)，往往需要將一部分或者全部的CO通過變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2，同時(shí)消耗H2O。為了變換工段不額外補(bǔ)充水或者水蒸氣，需要?dú)饣癄t合成氣中的水蒸氣具有一定的含量，而水蒸氣的產(chǎn)生主要通過合成氣顯熱來直接將激冷水氣化產(chǎn)生，因此輻射廢鍋能夠回收的最大熱量還與變換工段需要的水氣比有關(guān)。水煤漿氣化爐合成氣中H2含量高，所需要的變換量小，因此變換工段水氣比要求比干粉氣化爐低。對于合成氨項(xiàng)目，水煤漿氣化爐粗煤氣水氣比要求高于0.78，此時(shí)輻射廢鍋可副產(chǎn)143t/h蒸汽；而干粉氣化爐即使是激冷流程也需要在變換工段向合成氣中補(bǔ)水，因此其輻射廢鍋已無顯熱回收潛力。對于合成甲醇項(xiàng)目，水煤漿氣化爐粗煤氣水氣比要求高于0.48，此時(shí)輻射廢鍋可副產(chǎn)208t/h蒸汽；而干粉氣化爐粗煤氣水氣比要求高于0.6，此時(shí)輻射廢鍋?zhàn)疃喔碑a(chǎn)44t/h蒸汽，水煤漿輻射廢鍋副產(chǎn)蒸汽量幾乎是干粉廢鍋的4.7倍；即使是水煤漿氣化爐輻射廢鍋將合成氣溫度降低至與干粉氣化爐一致，也能副產(chǎn)65t/h蒸汽，高于干粉廢鍋，見表2。
輻射廢鍋內(nèi)的換熱以氣體輻射換熱為主，與氣體種類密切相關(guān)。H2和N2等分子結(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體是熱輻射的透明體，而氣體輻射主要取決于H2O和CO2等三原子氣體。水煤漿氣化爐合成氣中具有熱輻射能力的H2O和CO2含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于干粉氣化爐，根據(jù)初步估算，其輻射廢鍋氣體輻射黑度比干粉氣化爐高約25%。由于水煤漿氣化爐輻射廢鍋內(nèi)良好的氣體輻射換熱效果，相同的設(shè)備能力下其輻射廢鍋設(shè)備尺寸可以更小。
此外，輻射廢鍋的穩(wěn)定運(yùn)行受合成氣攜帶灰渣的影響。干粉氣化爐原料粒度細(xì)，氣化室壁面掛渣少而大部分灰顆粒隨氣流直接流出渣口，使得出氣化室的細(xì)灰含量大，細(xì)灰尺寸小，這些細(xì)灰進(jìn)入輻射廢鍋后易彌散并沉積在廢鍋受熱面上，使受熱面沾污而影響換熱效率，造成蒸汽產(chǎn)量下降。水煤漿氣化爐氣化室中灰顆粒主要被壁面捕捉而團(tuán)聚成大尺寸熔渣，進(jìn)入輻射廢鍋后易受重力分離而直接落入激冷室，對廢鍋換熱效率影響較小。
綜上所述，水煤漿水冷壁氣化爐輻射廢鍋的熱量回收和蒸汽產(chǎn)量潛力大、氣體輻射換熱效果好、灰渣對輻射廢鍋影響小，與干粉氣化爐相比，水煤漿水冷壁氣化爐發(fā)展輻射廢鍋技術(shù)具有更大的優(yōu)勢。
作者簡介：管清亮，男，1988年10月出生，博士研究生學(xué)歷，高級工程師，2015年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，主要從事煤氣化和煤炭清潔高效利用技術(shù)研究和開發(fā)工作。
撰稿 | 管清亮
編輯 | 李瑞丹
審核 | 岳軍
