气流床气化炉水冷壁结渣特性的实验研究

第29卷第4期煤炭转化Vol. 29 No. 42006年10月COAL CONVERSIONOct. 2006 .气流床气化炉水冷壁结渣特性的实验研究贡文政))段合龙"梁钦锋2) 刘 海峰3)于遵宏3)摘要搭建了小型气流床水冷壁气化炉实验平台,进行水冷璧结渣实验,验证了“以渣抗渣”的思想,为气化炉水冷壁衬里的工业应用提供理论依据.研究了炉内火焰温度、壁温、循环水量等因.素对渣的分布及形态的影响,以及渣层对水冷壁的保护作用.结果表明,熔渣对炉壁保护作用明显;循环水影响着水冷壁的正常运行;炉内温度及壁温是影响渣形态和渣分布的主要因素.关键词气流床气化炉 ,水冷壁,熔渣,壁温中圈分类号TQ5450引言流床气化炉进行研究,水冷管上焊有Y型渣钉结构目前,气流床气化炉中耐火衬里有耐火砖和水(见图1),向火面涂有耐火材料;炉体分为三个部.冷壁两种,Texaco气化炉采用耐火砖衬里.以耐火砖衬里价格昂贵,一套耐火衬里的价格与气化炉受压壳体的造价相近,而且该耐火衬里需要定期检修更換,目前Texaco气化炉向火侧的耐火砖最长寿命不到2年. [2)Shell气化炉采用列管膜式水冷壁技术[3.1],GSP气化炉采用盘管膜式水冷壁技术[5.1,图1膜式水冷壁结构运行时可以依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护水冷Fig. 1 Construction of membrane water wall壁,使得气化装置可以长周期运转.从长远来看,水分:上锥段、直简段和下锥段,直简段和下锥段相连;冷壁技术优于耐火砖技术,是以后发展的主要方向.水冷壁有两个进水口和出水口.实验流程见第22页水冷壁技术主要是“以渣抗渣”门,气化过程会产生图2.分为原料输送系统、冷却水循环、气化热模系大量的熔渣,熔渣的导热系数[8]很低,附着在水冷管统测试及采样系统五部分。燃料油、煤浆、氧气通过上,将会形成非常大的热阻,不但保护了水冷管,而计量泵输送到三通道烧嘴喷入气化炉内;汽包内加且阻断了热量向外传递,形成了很好的隔热层.由于人去离子水,通过热泵进行强制循环,冷却炉内高温水冷壁内水冷却的作用[0],形成的熔渣隔热层分为炉壁,为防止蒸汽压力过大，在汽包上装有安全阀，.三层[10]:凝固层、过渡层和流动层,并且过渡层和流同时为预防水蒸发水量减少，在冷却水循环系统上动层随着气化反应的进行逐渐更新，使水冷壁耐火装有换热器;炉壁及水冷壁鳍片上安装K型和E衬里一直处于相对稳定的工作环境，渣层隔绝了大型热电偶;热电偶的电信号连同汽包液位计以及循部分热量,形成了稳定的隔热层.熔渣在气化炉中的环水流量自动控制装置一起经研华公司生产的.沉积是水冷壁技术的关键,因此,研究熔渣在气化炉ADAM - 4018+ ,ADAM - 4018和ADAM - 4520内的沉积特性对水冷壁的工业应用具有十分重要的模块进入计算机,由工控组态软件MCGS组态显示意义.目前我国鲜见气流床气化炉水冷壁上熔渣沉.并存储.实验过程中,合成气通过冷却、干燥、净化过积的研究文献报道.程进入色谱仪,测试合成气成分.1实验部分1.2 实验方法1.1实验装置利用柴油预热,达到一定温度后,投人水煤浆.采用自主开发设计的膜式水冷壁耐火衬里的气考虑|中国煤化工分实验过程中采用*国家重点基础研究发展规划(973)项目(2004CB217703).TYHCNMHG1)硕士生;2)博士;3)教授.博士生导师,华东理工大学洁净煤技术研究所,200237上海收稿日期:2006-07-28;修回日期:2006-08-0722煤炭转化2006年顺自J|土1012甲。t5母-14|00自目”L图2实验流程图Fig.2 Experiment flow chart1--Computers2- - -DCM;3-- Steam pack;4- -- Thermocouple;5-- - Nozle6--- Heat pump;7- Heat exchangers8,9--- Flow meter;10Single screw pump:1---- Metering pump;12--Coal water slot;13-- Diesel oil;4-- Oxygen supply;15--- Gasifier;16-- Emptying valve;17-- GC;a-- Wall thermocouple 1;- Wall thermocouple 2;c-Wall thermocouple 3;d一Fin thermocouple 1;e- Fin thermocouple 2;f-- Fin thermocouple 3油煤浆代替水煤浆来优化进料条件,使用柴油、煤为水煤浆时,由于八一 水煤浆厂的煤浆灰熔点高,炉渣、石油焦来模拟煤在炉膛内燃烧过程中炉壁上结膛温度没有高于灰熔点,煤渣没有熔化成具有强黏渣行为,考察高灰含量与低灰含量挂渣的区别.结渣结性液态渣,所以在炉壁上仅仅是为数不多的小渣实验后进行高温熔融实验,计算渣层的传热系数及球,以及一些由于机械作用黏附在炉壁上的积灰,黏热阻,考察渣层对水冷壁的保护作用.渣的物性参数结的不是很牢固，很容易脱落;而且从炉膛整体来见表1.看,炉壁大部分没有结渣;后来在同样的温度下使用表1渣的物性参数低灰熔点的煤渣,用质量比为3;2的煤渣与柴油混Table 1 Properties of slag合浆进料,火焰温度高于渣的流动温度,则炉膛内被SlagAsh fusion point/CSourceTypeonemn/% DT STHT FT熔化的渣层所覆盖,但表面凸凹不平,形成了不均匀Bayi plant Coal water 9.6 1 192 1319 1 322 1 323的多孔泡状渣层结构(见图3e).图3c和图3d的渣Shanghai coking Slag1134118311851186层比较平整,在进料中增加石油焦后,火焰变长,炉.膛内温度升高,所以图3c比图3b,图3d比图3c渣2结果与讨论的形态趋于光滑;增加加入的石油焦量,由于石油焦的热值大,炉膛内温度升高,使覆盖的渣层表面非常在上述实验装置中,通过改变进料比、投料温光滑,渣的形态从多孔泡状结构变成了分布较均匀、度、循环水量等实验条件,测试研究了膜式水冷壁气硬度较大的玻璃体(见图3f),同时渣与耐火材料结化炉内的结渣特性.合的强度提高,不易于脱落,形成了真正的固定层，更有利于保护炉壁.2.1进料根据实验条件的不同,进料分为水煤浆,柴油、2.2炉内温度及壁 温煤渣混合制浆,柴油、煤渣、石油焦混合制浆三种不中国煤化工分布对炉内各部位同进料.几种不同进料在炉膛内的结渣情况见第23结.0HCNMHG影响着渣的形态以页图3.及渣壮堡⊥的刀市弟40贝图4所表示进料稳定后从图3中可以看到,渣的形态有明显不同,进料两组不同条件下炉壁热电偶测量的温度.热电偶的第4期贡文政等气流床气化炉水冷 壁结渣特性的实验研究23图3不同进料后炉 内渣的形态Fig. 3 Formation of slag in furnace with different feeding methodCoal water;b--- Diesel oil and slag;Diesel oil : slag : petroleum coke=4: 4 : 2;d--- Diesel oil : slag : petroleum coke=3; 4 : 3;e,f-- Section of slag位置见图2.1200只1050900756000_2010Time 1 min图5不同条件下炉膛和炉顶结渣情况图4条件1和条件2炉壁三个热电偶温度比较Fig.5 Slag on furnace and roof in different conditionsFig.4 Comparision between the temperature of threeab--- Slag on furnace and roof in condition 1;wall thermocouples in condition 1 and 2c,d-- Slag on furnace and rool in condition 2Condition 1:■-- Wall thermnocouple 1;▲一Wallthermocouple 2;●-- Wall therrnocouple 3;中标示处),经测量,开始产生渣条的位置为距离炉Condition 2:CWall thermocouple 1;O一Wall顶法兰105 cm处;条件2中,炉壁温度变高,炉顶及thermocouple 2;O- Wall thertmocouple 3炉壁上渣表面光滑如镜炉膛中产生渣条位置显著由图4可以明显看出,条件2时炉壁热电偶1下移,大约向下移动了 20 cm,渣条变长，一直流到的温度比条件1提高了大约160 C左右,热电偶2炉膛底部,使渣层的覆盖面积变大.可见提高炉膛内和热电偶3也提高了将近100C.炉璧温度已经高炉壁的温度,可以加快渣层对炉壁向火面的覆盖时于渣的流动温度(1 186 C),炉壁上覆盖的渣层由间,对保护渣层的形成有利.固态变成了具有流动性的熔融态,沿着炉壁流下,同2.3循环水量时，由于熔融态的渣球不断粘附在炉壁上,炉壁上就形成了连续不断的流动层;两种不同条件实验后炉熔渣的凝固层、过渡层和流动层的厚度取决于膛和炉顶结渣的情况见图5.由图5可见，熔渣流动炉内气化放热量和水冷壁的吸热量及熔渣的黏度特的痕迹,在温度较低的炉膛中下部形成了凝固态的性等因素.实验采用膜式水冷璧结构,第24页图6查条.表观地表示了冷却水流量对渣层及水冷壁的影响.由图5可知,从炉膛内部整体上看,炉顶及炉子图6a和图6c都是实验前为挂渣的水冷壁,图6b和直简段中上部都得到熔渣很好的覆盖.条件1时,炉图中国煤化工图6可以看出,炉壁温度较低,可以看到炉顶及炉壁上渣表面凸凹不.膛内MHCNMH(量很小(锥段0. 02平,渣条产生在炉膛的中上部,向下流动的迹象明冷壁上的耐火材料显,渣条中止于炉膛CCD工业电视观测孔处(图5由于不能得到冷却水的充分冷却,同时也得不到较24煤炭转化2006年到了150C左右;提高循环水量,炉壁向火面覆盖了相对较厚的固定渣层,鳍片温度降到了300 C ,炉壳温度低于70C,热量得到了很好的阻断,充分验证了渣层良好的隔热效果.1 20000 t图6使用前 和使用后的损坏的水冷壁耐火材料层Fig.6 New and used refractory on water-wall厚渣层的保护,已经出现了明显的脱落和开裂,水冷Positioin of thermocouple壁严重损坏,不能使用.气化炉不锈钢外壳的局部也图7炉膛至 炉壳的径向温度由抛光后的亮银色变成了高温烘烤过的金黄色,当Fig. 7 Radial distribution of the temperature时外壳温度通过红外线测温仪测量最高的部分(下of the gasifier渣口)已经达到了600 C,直简外壳也达到了150口- - Low recycle water;O- -- High recycle waterC.后来采用提高循环水量、不改变炉膛温度的做3结论法,锥段提高到0.2m*/h,直筒段提高到0.65m2/h后,熔渣可以更好地覆盖到炉壁的耐火材料上,形成1)实验成功地在水冷壁耐火材料上覆盖了一了具有保护作用的渣层,其保护效果见图5.炉壁和层熔渣保护层,验证了“以渣抗渣”的思想.炉顶都得到了很好的覆盖,炉子下渣口外壳温度降2)炉内温度高,煤灰熔点低,火焰长度长时,渣到350 C,直简段外壳温度在70 C左右.可见循环在炉壁上附着更光滑,覆盖的面积更大,效果更好.水量对水冷壁的安全运行有重要影响.不同循环水3)循环水量带走的热量随着渣层的变厚而减量下水冷壁的隔热效果见图7.图7中X轴的4个少，但循环水量很低时不能保护水冷壁，水流量是位置分别是:炉膛中心、炉壁向火面、鳍片、炉外壳.水冷璧的-一个重要参数.考察了水冷壁良好的隔热由图7可以看出,炉膛中心火焰到炉壁向火面温度效果下降了250C左右,但循环水量小时,水冷壁的向火4)提出了新颖的实验方法,解决了实验室中进面到鳍片之间只降了600 C ,这样使炉壳温度也达行水冷壁结渣实验的困难.参考文献1] 徐振刚,吴贤贤. 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However, using the velocity of mass losson 740 C as the token of the decomposing of limestone easy or not, we found the condition of ex-perimentation did not affect the analytical result.KEY WORDS thermal analysis , limestone , decomposing , desulfurization(上接第24页)EXPERIMENTAL STUDY OF SLAG DEPOSIT ON WATER WALLIN THE ENTRAINED-FLOW GASIFIERGong WenzhengDuan Helong Liang Qinfeng Liu Haifeng and Yu Zunhong(Instilule of Clean Coal Technology ,East China University of Scienceand Technology ,200237 Shanghai)ABSTRACT An experimental platform of entrained flow gasifier with water wall was estab-lished to research slag deposit on water wall. The experimental results validate the idea of“theslag resists the slag”", and are useful for the industrial application of water wall in gasifier. Theslag deposited on water wall was investigated with the different temperature of flame, water walland recycle water. The protection of slag on water wall was also investigated. The resultsshowed that the protection of slag on water wall is sig中国煤化工:nces the opera-tion of water wall, the temperature of flame and wallYHCNMHGnformation anddistribution of slag.KEY WORDS entrained-flow gasifier , water wall, slag , wall temperature