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李波 吕传磊 王亦飞
(兖矿鲁南化肥厂 山东滕州277527)
摘要：采用复合床型式的洗涤冷却室是多喷嘴对置式新型水煤浆气化技术中的重要组成部分。本文介绍了新型洗涤冷却技术的结构特征、技术优势和工业运行情况。结果表明，新型洗涤冷却室整个床层液面比较平稳，液位容易控制；在床层上方存在较大的气液分离空间，气体夹带的小液滴能得到有效分离，不发生气体的带水问题；操作弹性大，可在较大的负荷波动范围内保证稳定运行；气液接触更为充分，床层内气泡直径在5～8mm，平均气含率为0.3～0.5，保证了气体的冷却与增湿，出口气体中蒸汽完全能达到相平衡；洗涤冷却管内壁能形成均匀水膜，可达到气体的急剧降温，同时维持洗涤冷却管壁面温度的效果，抑制了洗涤冷却管的破坏。
关键词：多喷嘴对置； 煤气化； 新型洗涤冷却室； 激冷室； 研究开发；
煤气化技术是一种高效的洁净煤技术。煤气化作为煤化工的龙头技术，是煤洁净利用技术的重要环节。它是发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术，对我国经济和保障国家安全具有重要的战略意义。
在多喷嘴对置式水煤浆气化炉内，气化室与洗涤冷却室是合二为一的，洗涤冷却技术是新型水煤浆气化技术中的重要组成部分。新型洗涤冷却室技术采用了喷淋床与鼓泡床相结合的一种复合型液体降膜直接冷却技术，可分为气液并流区、鼓泡区、液固分离区和气液分离区，主要构件有洗涤冷却环、洗涤冷却管和分隔板等。与GE(Texaco)激冷室结构相比，结构更为简单，鼓泡区气液两相分布更加均匀，固体灰渣沉降效果更佳，床层波动更趋稳定。气体带灰带水问题上亦得到很好的解决。目前，该洗涤冷却室已在工业中的到成功应用。本文将对新型洗涤冷却技术的结构特征、实验研究和工业应用做简要分析。
1新型洗涤冷却室结构特征及技术优势
洗涤冷却室是由洗涤冷却管内的喷淋床与其外部的鼓泡床构成的复合床，协同完成煤气洗涤冷却过程。喷淋是由洗涤水分布环实现的，洗涤冷却水在洗涤冷却环的作用下，一方面在洗涤冷却管内壁形成降膜流动，另一方面在洗涤冷却管内产生喷淋效果，形成喷淋床。高温煤气进入洗涤冷却管内，首先经洗涤冷却水的喷淋作用，初步降温，同时喷淋水气化，产生增湿效果，更为重要的是，减轻了洗涤冷却管顶部液膜的热负荷。在洗涤冷却管的顶端处的液膜，最先与气化炉内的高温气体接触，如果由于洗涤冷却环的局部堵塞造成该区域的液膜变薄，或者由于受热极有可能使该处的液膜蒸干，从而烧蚀洗涤冷却管，而中心喷淋水的存在，使高温气体在与液膜换热前就进行了初步的降温，降低了水膜变薄或干壁的可能，保护了洗涤冷却管。经过洗涤冷却管的降温和增湿，气体和灰渣等进入鼓泡床，鼓泡床的作用是对气液固三相进行分离，气体经在鼓泡床内洗涤后进入下道工序，而固体则在水中沉降，经过锁斗排到洗涤冷却室外。由于碳黑粒度小，极易随气体夹带进入下道工序，为了减轻夹带作用，必须使固体在鼓泡床内高效的沉降。在新型洗涤冷却室的设计中，鼓泡床的气速降低，气体分布均匀，气泡破碎后直径小，气液相互湍流作用减轻，因而整个床层稳定，同时保证了气体与液体的传质与进一步降温的作用，为下游工序(煤气初步净化)的正常运行创造条件,其效果十分明显。
Texaco激冷室与新型洗涤冷却室主要结构特征比较如表1所示。
表1 主要结构特征比较
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Texaco激冷技术
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新型洗涤冷却技术
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下降管
上升管
无其他构件
气体折流挡板
存在二个环形流体流动空间
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洗涤冷却管
无上升管
有内部构件
无气体折流挡板
喷淋床＋鼓泡床型
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结构特点决定工艺特点。在实际工业运行过程中Texaco激冷室存在许多问题：出口气体带灰、带水严重，这是其最致命弱点，经常导致整个煤气化系统停车检修；由于存在脉冲式水循环，导致激冷室内液位难以控制；洗涤塔液泛及黑水处理系统堵渣、堵灰严重；热质传递空间较小，仅限在下降管内；反应气在激冷室内存在偏流问题；下降管与上升管环隙可能堵塞；激冷环堵塞、损坏、激冷水分配不均，甚至断裂；下降管容易受热应力而变形等。新型洗涤冷却室由于结构的改进，有效避免了上述问题，气体出口带水带灰问题得到了很好的解决，另外洗涤冷却环采用旋流进水使洗涤冷却管内壁液膜分布更为均匀，有效避免了洗涤冷却管因冷热不均所造成的破坏。
2新型洗涤冷却室实验研究
2.1洗涤冷却管热质传递研究
洗涤冷却管上接洗涤冷却环，气化炉内产生的高温合成气体和灰渣沿洗涤冷却管内壁下行进入鼓泡床层。洗涤冷却水在洗涤冷却环的作用下，均布在洗涤冷却管内壁形成降膜流动，同时与高温气体一道并流向下完成大部分的降温和增湿。对于洗涤冷却管的研究主要集中在管内温度场的分布及管内壁液膜厚度的分布两方面，为此对该过程建立了热模实验装置，并用fluent商业软件对相关过程进行了模拟计算]。
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数学模型的建立对于工程设计具有极大意义。图2-a为所建立的数学模型计算结果与实验结果的比较，可见两者吻合较好。该模型已经成功用于煤气化炉的设计，为工业放大提供了大量有用数据。图2-b即为工业条件下计算结果，表明洗涤冷却管上半段热质传递十分剧烈，下半段较为平缓；气化温度为1300℃时，洗涤冷却管出口处的温度降为约240℃（4.0MPa）。
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图3壁面水体积分率
由图3可知，洗涤冷却管进口前20cm段，洗涤冷却水的体积分率从1下降到了0.83左右，这一段气化非常剧烈，生成的水蒸气进入合成气主体，使高温气体增湿并降温。而洗涤冷却管后段，随着合成气温度的降低，冷却水蒸发量基本趋缓，但仍有相当厚度水膜存在，从而保证了不会出现“干壁”现象。
2.3分隔板研究
分隔板是新型洗涤冷却室内部构件重要组成部分，它起着破碎气泡，分散气相，促进形成气液均相以及减轻气体带液问题等重要作用。
图4为有、无分隔板及支管时相含率分布对比，结果表明，气体从支管和洗涤冷却管下端流出后，经过第一、二层分隔板破碎和分散后，在环隙鼓泡床区域较均匀分布，克服了无分隔板时局部气含率高，分布不均匀的缺点，可见内部构件主要起破碎和扩散气泡的作用，促进形成气液均相。在环隙鼓泡床的上部，气相分布更加均匀，有效降低了床层压力波动，液位操作稳定，有利于后续工段的稳定运行。
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图5为两种不同气速下，环隙鼓泡床内气泡尺寸大小沿轴向的分布情况。测量方法为双头电导探针系统，测量点在环隙鼓泡床的径向中心位置。从图中可以看出，随着轴向位置的升高，有内部构件时比无内部构件时的气泡直径明显变小，气速越大，其气泡尺寸大小差距也越大。有内部构件时，在支管附近，即z＝0.7m处气泡尺寸最大，随着轴向位置的升高，气泡尺寸减少，并达到稳定值，其Sauter直径约为5mm。而无内部构件时，随着轴向位置的升高，气体尺寸开始减小，大约在z=0.82m处，气泡尺寸又开始变大，可见没有内部构件时，气泡有破裂和聚并的双重作用，并且在轴向位置较高处聚并占主导作用，使气泡尺寸变大，这种情况对气液传质和床层的稳定都极为不利。因此，内部构件在新型洗涤冷却室中发挥着很大的作用。
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3新型洗涤冷却室的工业运行
目前，新型洗涤冷却室技术已经应用于兖矿国泰（日处理1150吨煤的商业化示范装置）、山东华鲁恒升（日处理750吨煤的工业装置）、凤凰化肥有限公司（日处理1380吨煤水煤浆气化炉）、兖矿鲁南化肥厂（日处理1150吨煤水煤浆气化炉）、江苏灵谷化工（日处理1800吨煤水煤浆气化炉）等多套煤气化装置中，运行效果良好。
4结论
(1) 新型洗涤冷却室由于结构的改进，有效避免了激冷室所产生的问题，气体出口带水带灰问题得到了很好的解决，洗涤冷却管内壁液膜分布更为均匀，避免洗涤冷却管的烧结破坏。
(2) 对洗涤冷却室的实验研究表明洗涤冷却管上半段热质传递十分剧烈，下半段较为平缓，气化温度为1300℃时，洗涤冷却管出口处的温度降为约240℃（4.0MPa）；分隔板能有效破碎气泡，分散气相，促进形成气液均相以及减轻气体带液问题。
(3)工业运行结果表明，新型洗涤冷却室能承受更大负荷，激冷水用量更少，液位更高，运行也更加稳定。
