当前,我国多数中小型化工厂气化的主力炉型是固定床和流化床,对煤质要求高,且污染严重,面临转型。加压气流床气化装置尽管性能优越,但投资及维护费用昂贵,短时间内难以在行业中普及。开发出合适的技术满足这部分市场需求是一个需要解决的现实问题。在对相关技术深入了解的基础上,本文提出了粉煤常压旋风气化原理,得出了首台545t/d气化炉设计参数。通过545t/d气化炉物料平衡计算,获得各入口参数;通过炉膛传热计算,验证了液态排渣的可行性;通过炉衬热工况计算,验证了以渣抗渣的可行性。继而采用Aspen plus建立了基于Gibbs自由能最小化的气化炉热力学平衡模型,研究了氧煤比、热损失、蒸汽煤比、碳转化率对合成气质量的影响。得出如下结论:碳转化率的降低会使操作温度升高、气化相关指标下降;热损失的增加会使操作温度降低;氧煤比对操作温度的影响远大于蒸汽煤比,蒸汽煤比对合成气成分具有一定的调节作用。经分析,关键参数选用推荐采用氧煤比0.9kg/kg、蒸汽煤比0.09kg/kg。建立1:19.3的试验台进行冷态单相模化试验,利用飘带示踪和水膜示踪的方法对炉内流场进行了研究,得出了顶置喷嘴相对大小和一次风率对炉内单相流场结构的影响规律。研究发现,各工况下,炉内各截面均产生了稳定的回流区,自底向上,呈“S”形,一定程度弯曲,采用顶置喷嘴相对大小D1/D=0.45的工况,在筒体顶部形成的回流区范围更大;随着一次风率增加,回流区向筒体中心靠近,但贴壁主流的刚性减弱。综合考虑,推荐采用D1/D=0.45和一次风率20%的工况。采用数值模拟方法对旋风炉内气固两相流动特性进行研究,得出了顶置喷嘴相对大小和一次风率对炉内两相流动特性的影响规律。研究表明:各工况下炉内均产生强旋流场,炉内顶置喷嘴相对大小D1/D=0.45的工况相比于D1/D=0.25,在各截面上产生的最大回流速度和回流量较大,且煤粉颗粒具有较长的停留时间;随一次风率增加,各位置处回流区逐渐减弱,且射流刚性减弱,但回流更靠近筒体中心。综合考虑,推荐采用D1/D=0.45和一次风率20%的工况。论文结果已应用于首台545t/d粉煤常压旋风气化炉设计,现已加工制造,预计2015年10月投运。