炉型按气化炉的进料位置和进料方式的不同, 将这些气化炉分为上置单喷嘴下喷式、下置多喷嘴对撞喷入式和下置多喷嘴切圆喷入式3种炉型。

目前, 工业化前景较好的以干煤粉为原料的气流床气化炉主要有Shell, Prenflo, GSP, TPR I (两段式气化炉) , NEDO (日立炉) 和CCP (两段式空气气化炉) 等。按气化炉的进料位置和进料方式的不同, 将这些气化炉分为上置单喷嘴下喷式、下置多喷嘴对撞喷入式和下置多喷嘴切圆喷入式3种炉型。

以GSP为代表的上置单喷嘴下喷式气化炉,其外部为圆筒型结构, 内部则分为上部气化室和下部激冷室; 气化室为一段式结构, 在炉顶布置单一煤粉和气化剂混合喷嘴向下喷射物料, 合成气和液渣通过下部的出渣口排出进入激冷室。按照流体力学分析, GSP炉内流场属受限射流, 可分成射流区、回流区和管流区3个区, 。从喷嘴喷出的射流具有一定的卷吸携带能力, 将其周围的高温流体卷吸进射流场并与之相混合, 射流中心速度沿气化炉轴线衰减, 形成的射流同时沿径向发展并最终与气化炉内壁相交, 形成射流区; 由射流产生的负压力梯度在射流场与炉壁之间形成一反向运动的区域为回流区, 其大小与喷嘴射流速度、炉膛直径和喷嘴直径之比等因素有关; 射流区的下游到气化炉反应室出口为流速相对较低的管流区。

按照化学反应特征, 炉内粉煤气化反应可分为挥发分析出和燃烧区、焦炭燃烧区和气化区。挥发分析出和燃烧发生在射流区上游和回流区的上内侧, 焦炭燃烧发生在射流区下游和回流区的下内侧, 气化反应则发生在回流区外侧和管流区。因此可将气化炉内流场划分为射流燃烧区、管流气化区和回流燃烧气化共存区。在挥发分析出和燃烧区,煤颗粒被迅速加热释放出挥发物, 裂解产生的挥发物迅速与氧气发生反应。因为该区域的氧气浓度高, 所以挥发物完全燃烧并产生大量热; 在焦炭燃烧区, 脱去挥发物的煤焦或其他炭颗粒, 一方面与残余的氧气反应生成CO和CO2 , 另一方面与水蒸气和CO2反应生成CO和H2 , CO和H2又在气相中与残余的氧气反应, 产生更多的热量。射流燃烧区进行的反应均为放热反应, 导致该区为炉内高温区; 在气化区, 未完全反应的焦炭会和CO2发生还原反应, 和水蒸气发生水蒸气分解反应, 和H2发生甲烷转化反应, 生成的CO再和水蒸气发生水煤气反应生成CO2和H2 , 这些反应均为吸热反应,该区的温度稍低。

炉内气固两相在炉内温度变化趋势不同,喷入炉内的气相(水蒸气和氧气) 在挥发分燃烧和烟气稀释加热下温度急剧升高, 在射流区的上段就达到很高的温度水平, 这些气化剂迅速参与化学反应, 生成气相物的温度也保持了该温度水平; 固相则在由煤粉颗粒- 焦炭- 灰渣的转换过程中, 温度稳步上升。GSP采用的合成气和液渣向下并流方式, 也使得排渣口的灰渣温度维持在很高的水平,使灰渣呈液态, 并利用高温合成气对高黏度熔渣的良好携带作用, 顺利地实现了高灰熔点煤粉的液态排渣。

由于GSP采用单喷嘴射流方式, 煤粉颗粒比较集中分布在射流燃烧区, 炉内颗粒分布均匀性差, 炉内温度场梯度较大, 在射流燃烧区形成明显的喷射火舌; 炉顶单喷嘴也使得炉内湍流混合强度较低, 回流区较小; 进料喷嘴与出口设置在同一轴线上, 由于喷嘴射流速度很高, 在惯性力作用下,有相当一部分物流在炉内短路, 直接冲向出口, 在气化炉里的停留时间远小于整体物料的平均停留时间, 未参与反应就离开了气化炉, 这在一定程度上影响了气化反应结果; 受喷嘴容量的限制, 气化炉负荷可调范围小。

在气流床气化炉中, 属于多喷嘴对撞喷入式的炉型主要有E - Gas, Shell, Prenflo, TPR I和多喷嘴对置式气化炉, 其中Prenflo, Shell和TPR I采用干煤粉进料。

Prenflo炉与Shell炉均是K - T炉的加压气化形式, 工艺流程中的磨煤与干燥、粉煤加压与进料、气化与煤气冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤等系统基本相同, 均为废锅流程, 采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷, 气化炉和煤气冷却器均采用水冷壁和螺旋盘管换热器的结构, 二者的气化炉反应区基本相同, 其区别主要表现在: ① Prenflo炉采用横向布置的盘管式水冷壁, 而Shell炉采用纵向布置的膜式水冷壁; ② 二者的煤气冷却器结构不同, 煤气冷却流动路线不同, 在废锅设置上,Shell炉在经过导气管后的侧面设置废锅, 而Prenflo炉气化工艺中废锅设置在顶部。

对于TPR I炉, 与其他下置多喷嘴对撞喷入式气化炉不同的是, 其采用两段式炉膛结构, 下炉膛是第一反应区, 为一个两端窄中间宽的腔体, 其侧壁上对称布置2个或4个用于输入煤粉、水和氧气的喷嘴, 喷入煤粉质量分数80% ～85%的混合物;上炉膛是第二反应区, 高度较长, 侧壁上布置对称的2个煤粉和水的喷嘴, 喷入煤粉质量分数15%～20%的混合物。

以下采用Shell炉为例说明下置多喷嘴对撞喷入式气化炉的炉内流场与物料的温度特性。Shell炉应用撞击流原理, 将干煤粉与氧气通过同一水平面上4只对称布置的烧嘴喷入炉内, 两股等量的气固两相流同轴相向射流撞击, 形成具有高度湍动的撞击区和高度湍动区, 在惯性力作用下, 固相颗粒穿过撞击面渗入反向流, 使干煤粉与氧气在气化炉内实现混合并进行部分氧化反应, 生成的粗合成气和熔渣一起向下进入气化炉激冷室激冷和分离。

采用激光多普勒动态粒子分析仪研究了冷态下受限容器中多喷嘴对置射流的流动特征, 将Shell炉内的流动过程分为5个区域, 即射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区。气固两相流从喷嘴高速喷出后将周围流体卷吸带向下游流动形成射流区; 当4个对置的喷嘴射流交汇后, 在交汇中心区域形成相向射流的剧烈撞击区。该区域流体间的剪切作用力大, 速度脉冲强, 湍流强度大; 经过撞击混合后具有较高静压的流体迅速改变流动方向, 沿着气化炉的轴线方向运动, 形成向上和向下的两股撞击扩展流区。由于这两股流体相对速度较高, 具有射流性质, 对周边流体仍有卷吸作用, 使得该区域的宽度沿径向逐渐扩展, 轴向速度沿径向逐渐减小, 沿轴向达到一个最大值后也逐渐衰减; 四股射流与两股撞击流股周边均出现回流区, 回流是受限射流产生流体间相互混合的流动特征之一, 起到强化混合的作用; 在气化室上部, 流体的轴向速度沿径向分布基本保持不变的区域称为管流区。

与GSP炉相类似, Shell炉内流场也可按反应特征分为射流燃烧区、管流气化区和回流燃烧气化共存区。射流燃烧区包括射流区、撞击区及撞击扩展流区的一部分, 在该区域进行的是挥发分析出和燃烧以及焦炭燃烧, 并伴有射流卷吸的CO 和H2的燃烧反应, 这些放热反应导致该区域为炉内高温区; 管流气化区包括管流区和撞击扩展区的一部分, 进行的是C和CH4等气化反应和逆变换反应,这类吸热反应导致该区域温度相对稍低; 在回流共存区, 射流卷吸作用和湍流扩散使回流区、射流区和撞击流扩展区发生质量交换, 其中以卷吸为主,但因湍流的随机性, 也将有个别氧气微团经湍流扩散作用而进入回流区中。因此在回流区中既有燃烧反应, 亦有气化反应, 但以气化反应为主。

气固两相在Shell炉内的温度变化趋势与GSP炉内不同, 在射流区内, 喷入炉内的气相(水蒸气和氧气) 在挥发分的燃烧和生成烟气的稀释加热作用下, 温度急剧直线上升, 到达撞击区时,由于焦炭的燃烧放热反应使得其温度进一步提升,并达到最高温度, 也使得该区域为炉内最高温度区; 随后进入撞击扩展流区、回流区和管流区发生气化吸热反应, 并与焦炭- 灰渣发生热交换, 炉顶出口煤气温度降低, 减少了后续冷却单元; 由于煤粉颗粒表面热阻较大, 温升较慢, 在煤粉颗粒- 焦炭- 灰渣的转换过程中, 温度稳步上升, 在随气相上升至炉内最高轨迹点时, 温度达到最高, 在随后的下降过程中, 其温度基本维持不变, 直至下段的出渣口。

然而, 下置多喷嘴对撞喷入式气化炉也存在一些不足之处: ①在细长形的圆筒内采用径向喷嘴直接对冲, 从各喷嘴喷出的物料还未能充分发展即相互碰撞, 并发生激烈的燃烧放热反应, 使得炉内高温区集中在这一水平面上, 炉内温度梯度较大。②射流直接碰撞产生了向下和向上两股撞击流股, 向下的撞击流股沿径向的迅速扩张阻碍了喷嘴射流对周围高温烟气的卷吸作用, 回流区过小,延迟了射流区内煤粉着火燃烧的进程。③喷嘴的直接对冲并不能保证所有煤粉颗粒都在撞击区内相互碰撞而衰减, 必有一部分直接冲向对侧喷嘴, 对喷嘴周围水冷壁的使用寿命造成极大的威胁, 如果气化炉温度稍低, 就可能在喷嘴周围乃至喷嘴上结渣, 从而影响喷嘴的使用寿命和性能。④向下的撞击流股有部分直接冲向气化炉底部出口, 形成“短路”现象。⑤受撞击作用的影响, 单个喷嘴的容量不能太大, 否则撞击效果减弱, 这样单台气化炉的负荷受到限制, 不可能达到太大。⑥负荷对气化效果的影响明显, 气化炉对负荷调节的适应性相对较差。⑦ Shell炉和Prenflo炉均为一段式干煤粉进料的气化装置, 为了保证液态排渣顺利进行,炉底温度必须在其灰熔点以上。为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞, 不得不采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷, 方可使其由1 400 ℃冷却到900 ℃, 其热量损失较大, 气化炉的碳转化率、冷煤气效率和总热效率等指标也比较低, 并且由于煤气流量较大, 造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过大。

在干煤粉气流床气化炉中, 属于下置多喷嘴切圆喷入式气化炉主要有NEDO气化炉和CCP气化炉。这2种炉型均为两段式结构, 在炉侧的中下部位切圆布置多只煤粉和气化剂喷嘴向炉内喷射物料以形成炉内旋转, 粗合成气从炉顶排出, 液渣通过炉底部的出渣口排出。

NEDO炉采用一室两段的设计, 炉内设置了上下2层喷嘴, 每层各有4个喷嘴按切线方向安装,上下喷嘴有不同的切圆半径。按流体力学分析, 可将炉内流动分成5个区: 下段射流旋转区和上段射流旋转区、外旋扩散区、内旋上升区和管流区。从上下两层切向安装的4个喷嘴喷出形成的旋转射流具有强烈的卷吸携带能力,将其周围的高温流体卷吸进漩流中并与之混合, 形成射流旋转区。不同的是, 下层喷嘴在炉内形成向上的下段射流旋转区, 而上层喷嘴在炉内形成向下的上段射流旋转区; 在两次喷嘴之间, 由于两股旋转方向相反的旋转气流的存在, 在外侧形成向下的外旋扩散区, 在内侧形成向上的内旋上升区, 并一直发展到炉顶合成气出口形成管流区。由于气流螺旋式流动, 可延长煤在炉内的停留时间, 有利于煤的气化。

CCP炉内也设置了上下两层喷嘴, 每层各有4个喷嘴按切线方向安装, 各层喷嘴有不同的切圆半径。煤粉和气化剂从四角切向高速引入, 在炉内形成一个自下而上运动的漩涡。与NEDO 炉不同,CCP炉体采用的是两室两段设计, 即设有下段燃烧室和上段气化室, 两室之间设有颈缩结构。按照流体力学过程分析, 也可将炉内的流动分成下段射流旋转区和上段射流旋转区、外旋扩散区、内旋上升区和管流区共5个区。与NEDO炉不同的是, 射流旋转区的旋转方向与旋转射流区相同, 均旋转向上。

按照化学反应特征, NEDO 炉和CCP炉的炉内气化反应均可大致可分为下段燃烧区(室) 和上段气化区(室) 。在下段燃烧室中供给煤粉和多量氧气, 煤颗粒将被迅速加热, 挥发物释放并迅速完全燃烧, 焦炭也发生激烈氧化反应生成CO 和CO2 , 同时产生大量的热量维持燃烧室足够的高温, 保证温度控制在灰熔点以上, 使灰渣以液态形式排出, 同时产生的高温气体进入上段气化区为气化反应提供必要的热量; 在还原区中供给煤粉和少量氧气, 喷入的煤粉与从燃烧区来的高温气体迅速混合, 发生煤粉热解产生高活性煤焦, 并随之发生气化反应, 主要生成H2和CO。

NEDO和CCP的炉内气固两相温度变化趋势：在下段, 这2种炉型内气固两相的变化趋势相似, 过量氧气的喷入使得喷入的煤粉发生激烈的热解反应, 产生的挥发分和焦炭迅速燃烧,并发出大量热量, 同时由于气流旋流运动使气固两相在同一高度的停留时间延长, 使得气固两相在喷嘴水平面上的温升程度比其他炉型迅速, 特别是固相焦炭和煤灰的温度; 在上段, 气化反应所需的热量由下段上升的高温气体提供, 这使得两段之间的气相温度稍有降低; 同时, 气化吸热反应也使得这2种气化炉上段喷入的煤粉和气化剂的温升速度均比下段慢, 不同的是, 由于这2种气化炉的上段的流体动力场的不同, NEDO 炉形成向下的温升曲线, 而CCP炉在上段则形成上扬的温升曲线。从气化炉整体看, 由于下置多喷嘴切圆喷入式炉型将炉体分成燃烧放热反应的上段和气化吸热反应的上段, 这使得上段的炉内温度比下段低很多, 相差达到700 ℃, 这也使得炉顶排出粗煤气温度比其他炉型的低, 减少了后续冷却单元。

由于这些炉型在上下各段均采用4个对称喷嘴将煤粉和气化剂混合物切圆喷入炉内, 在每段进料水平面上, 煤粉在高速气化剂旋转射流的带动下均匀分布在每段气化炉空间内, 使气化反应也随之发生在气化炉空间内, 而不是在某一个火焰峰面上,避免了其他气化方式的超高温火舌或火炬的出现,使每段气化炉内温度更均匀, 避免了传统的气化反应局部温度过高, 并显著降低了炉内最高温度; 同时, 炉内高速旋转动力场增加了煤粉和气化剂的接触与反应时间, 使得气化反应更完全, 从而有助于进一步提高气化效率; 另外, 采用分段设计, 将燃烧放热区和气化吸热区分开, 在保证液态排渣的同时降低炉顶粗煤气的温度, 减少了煤气冷却器的换热面积和数量, 降低了冷却器、除尘和水洗涤装置的负荷和尺寸。所以, 目前两段或多段干煤粉进料气流床气化炉已成为国内外竞相开发的技术。

但由于NEDO炉和CCP炉下段煤粉和气化剂进口与排渣口很接近, 下段的激烈旋转射流使得部分未完全反应的焦炭与落下的煤灰熔在一起, 来不及进行氧化反应就已从排渣口排出, 降低了气化效率; 强烈的射流会使部分煤粉或焦炭颗粒刷壁, 特别是大切圆旋转的上段区域, 容易导致炉体内壁磨损; 另外, 对于灰熔点较高的煤种, 由于煤气上行和排渣下行的方式没有充分利用高温煤气对液态排渣的良好携带作用, 容易造成出渣口排渣不畅。

我国是煤炭生产和消费大国, 煤气化技术作为洁净煤技术的重要方向之一, 是以煤基为能源的化工系统中最重要的核心技术, 也是合成燃料甲醇、燃料二甲醚, 寻求新型石油替代能源, 缓解我国石油供需矛盾和能源安全的重要途径之一。因此, 应在归纳总结现有先进煤气化技术特点的基础上, 结合我国各地不同特性的煤种, 加强煤气化核心技术的开发与创新, 形成具有自主产权的高效煤粉气化技术。