多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比

　第32卷第5期煤 炭 学 报Vol.32　No.5 2007年5月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY May　2007　

文章编号:0253-9993(2007)05-0526-05

多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比

于海龙1,刘建忠2,张　超1,岑可法2

(11中原工学院能源与环境学院,河南郑州　450007;21浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州　310027)

摘　要:为了考察新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉的对比,应用数值模拟的方法,对该新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化进行了热态数值模拟研究.结果表明,新型水煤浆气化炉在炉内气化流场的组织和产出的有效气成分上均优于多喷嘴对置式水煤浆气化炉,在相同容量的气化炉内,新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉对比,碳转化率高0175%,水解率高近2191%,干有效气成分高5134%,冷煤气效率高7109%,每产出1000m3有效气(CO+H2)可节省氧气20m3,节省煤36kg.

关键词:水煤浆;气化炉;气化;数值模拟

中图分类号:T Q53414 文献标识码:A

The ga si fy i n g co m par ison between the m ulti2nozzle oppositi on ga si f i er

and a new coa l wa ter slurry ga si f i er

Y U Hai2l ong1,L I U J ian2zhong2,ZHANG Chao1,CE N Ke2fa2

(11School of Energy&Environm ent,Zhongyuan U niversity of Technology,Zhengzhou　450007,China;21S tate Key L aboratory of C lean Energy U tili2 zation,Zhejiang U niversity,Hangzhou　310027,China)

Abstract:I n order t o compare the ne w gasifier and the multi2nozzle oppositi on gasifier,the numerical si m ulati on method at hot state was app lied t o study the gasifying p r ocess both of the ne w gasifier and the multi2nozzle opposi2 ti on gasifier.The si m ulated results show that compared with the multi2nozzle gasifier,the gasifying fl ow field and the effective gases in the ne w gasifier is superi or.I n the gasifier of sa me capacity,the efficiency of carbon conver2 si on of the ne w gasifier is more about0175%,and percent hydr olysis is more about2191%,while dry effective ga2 ses components are more about5134%,and cold gas efficiency is more about7109%,compared with the multi2 nozzle oppositi on gasifier.20m3oxygen and36kg coal can be saved while1000m3effective gases are p r oduced. Key words:coal water slurry(C W S);gasifier;gasificati on;nu merical si m ulati on

为说明新型水煤浆气化炉的优越性所在,对额定工况下的多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉的气化过程进行了数值模拟计算,并将数值模拟计算结果进行了对比.从流场分布、温度分布、粗煤气组成、气化炉内平均温度、碳转化率、水解率、颗粒平均停留时间、单位产气氧耗等各个方面进行了详细的对比说明.数值模拟计算中多喷嘴对置式气化炉的运行工况为:气化炉容量600kg/h,气化压力4MPa,煤浆浓度62%,氧碳原子比0198,单支喷嘴煤浆流量150kg/h(共4支),单支喷嘴氧气流量61174m3/h,气化炉内氧气总流量246196m3/h.数值模拟计算中新型水煤浆气化炉的运行工况为:气化炉容量600kg/h,气化压力4MPa,煤浆浓度62%,氧碳原子比01959,炉顶喷嘴煤浆流量240kg/h,炉

收稿日期:2006-07-28 责任编辑:柳玉柏

基金项目:国家重点基础研究发展计划基金资助项目(2004CB217701)

作者简介:于海龙(1975-),男,吉林镇赉人,博士,副教授.Tel:0371-********,E-mail:suningboy@s ohu1com

第5期于海龙等:多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比侧单支喷嘴煤浆流量90kg/h (炉侧共4支),炉顶喷嘴氧气流量145m 3/h,炉侧单支喷嘴氧气流量

24117m 3/h,气化炉内氧气总流量241168m 3/h .

1　数值模拟的控制

111　计算对象的描述

本文进行数值模拟计算的物理模型分别为600kg/h 的新型水煤浆气化炉和600kg/h 的多喷嘴对置式图1　气化炉数值模拟计算的物理模型

Fig 11　Gasifier physical model of nu merical si m ulati on calculati on 水煤浆气化炉炉内三维空间.新

型水煤浆气化炉内径为015m ,

净高115m ,高径比为3(图1).

此模型对实际气化炉进行适

当的简化处理,将炉膛两端对流场影响较小的圆角部分去掉,而

将气化炉视为一个圆柱状,这样

就简化了模型网格划分的麻烦和限制,而对实际数值模拟又不致

产生较大的影响.物理模型决定以后,利用四面体和六面体对此模型进行了混合网格划分.

112　计算的数学模型

根据前人的研究成果[1～4]

,并总结其优缺点,数值模拟计算用的数学模型采用如下形式.

(1)二维流动的控制方程　在数值模拟中,流动由质量、动量、能量守恒方程描述.连续性方程

(质量守恒方程)的一般形式[5]为9ρ9t +9(ρu )9x +9(ρv )9y +9(ρw )9z

=0.黏性流体的运动方程(动量守恒方程)为N -S 方程,其一般形式[5]为ρd u i d t =ρf i -9ρ9x i +μeff 92u i 9x j 9x i +13μeff 99x i 9u j 9x j

. 模拟计算中湍流动能的控制采用κ-ε黏性湍流流动模型[6],其以张量表示的支配方程的一般形式为

99t (ρκ)+99x i (ρκu i )=99x j αk μeff 9κ9x j

+G κ-ρε,99t (ρε)+99x i (ρεu i )=99x j αημeff 9ε9x j

+C 1εεκG κ-C 2ερε2κ,式中,ρ为混合物的密度;u i 为i 方向的速度分量;t 为时间间隔;G κ为由平均速度梯度引起的湍流动能;C 1ε,C 2ε为经验常数,由文献[6]给出,分别为模型常数C 1ε=1142,C 2ε=1168;μeff 为有效黏性.

将以上方程加上边界定解条件,利用有限容积法可求得流场内流体运动的瞬时解,包括流体运动的速度分布、压力分布、湍流强度分布等.

(2)辐射模型　由于煤浆中存在煤粉颗粒,其与气相间的对内、对外辐射不容忽视,综合考虑选用

燃烧计算常用的P -1辐射模型[7,8].P -1辐射模型是P -N 模型的最简单情况,辐射流量为q r =- G [3(a +σs )-C σs ].(1)

其中,G 为入射辐射;a 为吸收系数;σs 为散射系数;C 为线性各向异性相函数系数(详见后面阐

述).如果引入参数Γ,则Γ=1[3(a +σs )-C

σs ],则式(1)可简化为q r =-Γ G .(2)

对于G 的传输平衡方程可表示为 (Γ G )-aG +4a

σT 4=S G ,(3)其中,σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数;S G 为用户定义的辐射源相,对于水煤浆气化过程的数值模拟,由于没有另外加入辐射源相,因此可取为0,P -1模型就是要求解这个方程来确定当地辐射强度.结合式(2),

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煤 炭 学 报

2007年第32卷(3),得- q r =aG -4a σT 4.(4)

则式(4)可以直接带入能量方程来计算热辐射.

(3)水分蒸发的处理　通常在进行水煤浆滴水分蒸发计算时,可以应用Spalding 的水滴蒸发理论来

建立蒸发过程的数学模型[9].对于水煤浆气化过程,由于炉温较高,水分蒸发迅速,其水分蒸发时间占

燃尽时间的比例很低,在1%的数量级[10],因此,在对水煤浆气化过程进行数值模拟计算时,可以认为

水分一进入气化炉就立刻蒸发完毕,但其蒸发所需汽化潜热应包括在整个计算过程中.

(4)挥发分析出模型　由H.Kobayashi 等人[11]提出的用2个平行的、互相竞争的一级反应来描述挥

发分的析出过程比较合适.即2个平行的反应同时将煤的一部分(α1,α2)热解成挥发分V 1和V 2,另一部分则变成炭R 1和R 2.这个模型的特点认为存在着2个不同活化能:E 1和E 2,以及2个不同的频率因子K 01和K 02的热解反应,且认为E 2>E 1,K 02>K 01.根据文献[11],对于烟煤,当取E 1=74kJ /mol,E 2=

250kJ /mol,K 01=317×105/s,K 02=1146×1013/s,α1=0138,α2=018,则能取得比较好的结果.其析出

挥发分的质量m v (t )可由下式求得(各量全部为分析基数据)

m v (t )(1-f w,0)m p,0-m a =∫t 0{(α1k 1+α2k 2)exp [-∫t 0(k 1+k 2)d t ]}d t,(5)

式中,m v (t )为t 时刻已析出的挥发分质量;f w,0为水煤浆中水分和挥发分总的质量分数;m p,0为喷射源

的初始颗粒质量;m a 为颗粒的含灰量;k 1,k 2为2个反应的反应速率,其中k 1=317×105exp (-17700/

R T );k 2=1146×1013

exp (-59800/R T );R 为气体常数;T 为反应温度.(5)焦炭燃烧模型　焦炭燃烧反应不仅在炭的表面进行,也可以在炭的内部孔隙中进行,高温时,受到氧气向颗粒内部扩散和燃烧产物向颗粒外部扩散的双重控制,此时扩散控制占主要地位,因此动力-

扩散控制的燃烧反应模型更接近于实际情况[12,13].焦炭燃烧后生成的气相物质一部分扩散到空间中,与

其他气相物质发生均相反应,一部分向焦炭内部扩散,与焦炭发生还原反应.

113　边界条件和计算方法

在数值计算中,氧化剂的入口边界条件选择速度入口,此时在进行氧化剂入口速度的计算时应注意压力和密度、体积的关系;在确切知道入口尺寸的情况下,应指定入口湍流强度和水利直径.出口边界条件可以选择压力出口边界条件,压力出口需要指定出口处的测量压力和返流温度等边界条件,在确切知道出口尺寸的情况下,应指定出口湍流强度和水利直径.壁面采用无滑移边界条件,热流密度为0.采用结构

化网格,在计算过程中收敛条件规定各支配方程迭代计算的余量至少小于10-3,而对于能量方程和P -1

辐射模型迭代计算的余量至少小于10-6

.2　数值模拟计算的结果

图2　气化炉内的速度分布Fig 12　Vel ocity distributi on in the gasifier

211　流场分布

图2为多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉内的速度分布等高线和速度矢量.从图2多喷嘴对置式气化炉中可以看出,热态情况下多喷嘴对置式气化

炉内流场分布与冷态流场数值模拟计算相似,互相对

置的两对喷嘴射流在相互撞击后形成了向上和向下的

两股撞击流股,向上的撞击流股直接冲向其化炉拱顶,

与拱顶撞击后沿气化炉炉顶边壁折返,向下的撞击流

股沿气化炉中心轴线向下推进,速度逐渐衰减,直至

气化炉底部出口上方.向上的撞击流股对气化炉拱顶

产生一定的冲刷作用,高温的气流对气化炉拱顶耐火

砖的直接冲刷将对气化炉拱顶耐火砖产生直接的冲蚀,825

第5期于海龙等:多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比对耐火砖的使用寿命产生一定的影响,折返回流的高温气体对气化炉上部耐火砖也产生了一定的冲蚀作用,因此也势必影响耐火砖的使用寿命,进而影响气化炉的安全运行,向下的撞击流股有可能部分直接冲向气化炉底部出口,增加了气化炉内反应物质“短路”现象发生的可能性.而这种情况在新型水煤浆气化炉中未曾发现,而且新型水煤浆气化炉在炉侧喷嘴射流下方形成了明显的折返流区,折返流区体积较大,这对炉侧喷嘴射流卷吸周围高温烟气起到了良好的作用,折返气流加入到撞击区内,增加了撞击区内的湍流混合效果,其携带的热量为撞击区内的着火燃烧提供了稳定的热源,使气化炉的着火更加稳定.因此从热态流场分布来看,新型水煤浆气化炉在保护炉内耐火砖、抑制“短路”现象、着火燃烧等方面均在一定程度上优于多喷嘴对置式气化炉

.

图3　气化炉内的温度分布Fig 13　Te mperature distributing in the gasifier 212　温度分布

图3为多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉内的

温度分布等高线和温度分布灰度.多喷嘴对置式气化炉炉

内平均温度为164415K,而新型水煤浆气化炉内平均温

度为166312K,两者相比差别不大,但与GE 气化炉相比

增加了近100K,这可能对炉内耐火砖的性能要求有所增

加,存在一定不利因素.多喷嘴对置式气化炉内靠近喷嘴

出口附近和两股撞击流股内的温度较高,气化炉拱顶和气

化炉上部靠近边壁处温度也较气化炉内其他位置温度要

高.管流区内温度分布不够均匀,回流区内温度较低,因此这对燃烧着火不利,高速喷嘴射流不能卷吸周围高温烟气,进而推迟了着火.而新型水煤浆气化炉管流区、折返流区和回流区内温度分布比较均匀且温度较高,这对燃烧和气化反应均有利.

213　数值模拟

表1为GE 、多喷嘴对置和新型水煤浆气化炉出口粗煤气组成、气化炉内平均温度、碳转化率、颗粒平均停留时间的数值模拟计算结果对比,其中水解率、干有效气成分、单位有效产气氧耗和煤耗、单位有效产气节氧量和煤量是对数值模拟计算结果分析得到的.

表1　GE 、多喷嘴对置和新型水煤浆气化炉数值模拟计算结果对比

Table 1　The co m par ison of nu m er i ca l si m ul a ti on for the GE,the m ulti 2nozzles

oppositi on ga si f i er and a new coa l wa ter slurry ga si f i er

项 目

气化炉型(气化压力为410MPa )GE 气化炉多喷嘴对置式气化炉新型水煤浆气化炉φ(CO )3810143113

46184φ(H 2)1917421177

23143出口煤气组成/%φ(CO 2)1915915155

11146φ(H 2O )2215419150

18125φ(CH 4)01120104

0102φ(O 2)≈00101

≈0炉内平均温度/K 157210164415

166312碳转化率/%9511097114

97189颗粒平均停留时间/s 6104561251

61976水解率/%4715354161

57152干有效气组成/%7415580162

85196单位有效产气氧耗(每1000m 3的CO +H 2的耗氧)/m 3410380

360单位有效产气煤耗(每1000m 3的CO +H 2的耗煤)/kg 618550

514单位有效产气节省氧气量/%07132

12120单位有效产气节省煤量/%01110016183

925

煤 炭 学 报2007年第32卷035

由表1可以明显看出,多喷嘴对置式气化炉与GE气化炉相比存在较大的优越性,而新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式气化炉相比,在水解率、干有效气组成、单位有效产气氧耗和煤耗等方面也存在较大优势.因此通过数值模拟计算的结果表明,新型水煤浆气化炉与其他2种形式的水煤浆气化炉相比,其优越性非常明显.

3　结 论

(1)水煤浆气化过程可以很好地利用非预混燃烧方法进行数值模拟计算研究.

(2)通过对GE气化炉、多喷嘴对置式水煤浆气化炉的数值模拟计算结果的对比表明,多喷嘴对置式气化炉较GE气化炉干有效气成分提高5107%,碳转化率提高2104%,水解率提高7108%,单位有效产气氧耗节省约7132%,单位有效产气煤耗节省约11100%.

(3)新型水煤浆气化炉较多喷嘴对置式气化炉干有效气成分提高5134%,碳转化率提高0175%,水解率提高2191%,单位有效产气氧耗节省约5126%,单位有效产气煤耗节省约6155%.

(4)从热态数值模拟计算结果来看,新型水煤浆气化炉的优势不言而喻,且新型水煤浆气化炉若采用笔者自行研制的新型水煤浆气化喷嘴[14,15],其成本将会大幅降低.

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