气流床煤气化技术是现代煤化工核心技术之一。干煤粉气化技术因其煤种适应性广、运行周期长、投资费用低、技术指标优等优点,在我国得到广泛利用。故对干煤粉气化装置主要操作参数的优化、对其关键部件气化喷嘴及水冷壁传热的研究,对气化炉的设计和长周期稳定运行具有十分重要的意义。以宁东某煤化工企业在用2000 t/d干煤粉气化炉为研究对象,建立工业规模的气化炉三维模型进行气化过程的数值模拟。煤粉脱挥发分过程采用两步竞争反应模型、均相湍流化学反应采用涡耗散概念模型(EDC)、焦炭非均相气化反应过程采用未反应缩合模型、辐射传热采用P1模型。通过设计三因素三水平正交实验对气化炉操作压力、煤/氧质量比(m(C)/m(O))和水蒸气/氧质量比(m(H20)/m(02))等主要工艺参数进行优化模拟。结果发现:(1)影响气化炉出口合成气含量的上述三个因素主次关系为:m(C)/m(O)>m(H2O)/m(02)>操作压力;(2)最佳工艺条件为:操作压力4.4 MPa,m(C)/m(O)=1.4,m(H2O)/m(O2)=0.1/0.9;(3)经验证,最佳条件下出口合成气含量可达到93.22%,出口温度1400℃,符合运行条件。气化喷嘴对气流床气化炉内流场分布、气化效率等具有重要影响。文中通过建立详细的气化喷嘴结构模型,对喷嘴的关键结构参数对气化炉内流场进行模拟分析。针对气化剂通道内旋流叶片安装角度α和煤粉通道旋转角度β,考察不同的α、β值对气化过程的影响。结果得到:当α=30°、β=60°时,气化室内温度场最佳,高温区域位置合理、主体温度和壁面温度符合实际生产情况,且合成气CO和H2总含量达到91.02%。该详细喷嘴结构的气化炉模型,对于考察气化过程的流场分布状况比采用简化后的对称模型更加详细、更加合理,对于设备的优化设计具有重要参考价值。另外,还对气化炉水冷壁局部结构的传热进行了模拟研究,研究得到:(1)气化室内渣层表面温度对水冷壁的温度影响很大,气化炉运行时应尽可能的避免炉内温度过高;(2)渣钉可以有效提高传热效率,及时带走气化炉内多余的热量;(3)采用夹角小、三角形排布的渣钉传热效率更好,温度分布更加均匀。