氣流床煤氣化爐爐壁渣層流動(dòng)與傳熱模擬

第30卷第4期工程熱物理學(xué)報Vol.30, No.42009年4月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSApr., 2009氣流床煤氣化爐爐壁渣層流動(dòng)與傳熱模擬劉升郝英立(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096 )摘要本文對氣流床煤氣化爐內高 溫合成氣和渣層的流動(dòng)、換熱、相變過(guò)程進(jìn)行了分析,在合理簡(jiǎn)化和假設的基礎上建立了描述渣層流動(dòng)、熱質(zhì)傳遞和相變的流層數理模型.通過(guò)對氣化爐內氣固兩相流和化學(xué)反應的模擬，得到灰渣顆粒在氣化爐壁面的沉積率,進(jìn)而對所建立的模型應用SIMPLE算法進(jìn)行了求解，獲得了氣化爐壁面灰渣流動(dòng)、傳熱和相變過(guò)程的數值模擬結果，結果表明，壁面溫度對渣層厚度的影響較爐臆溫度要大得多:當璧面溫度不變時(shí)，爐膛溫度增加，盾態(tài)渣層厚度減少;爐膛溫度不變時(shí)，壁面溫度降低，固態(tài)渣層厚度增加.關(guān)鍵詞氣流床煤氣化爐; 熔渣;厚度;相變中圖分類(lèi)號: TK124文獻標識碼: A文章編號: 0253 -231X(2009)04 -0631- 04NUMERICAL SIMULATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER OFSLAG LAYER IN AN ENTRAINED-FLOW COAL GASIFIERLIU Sheng HAO Ying-Li(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract The flow and heat transfer of high temperature syngas and slag layer in entrained-Alow coalgasifier were analyzed, and a model for slag flow and heat transfer on the internal wall was proposed.The deposition rate of ash particle on the wall was obtained based on the simulation of gas-solid two-phase flow and gasification reaction in an entrained-flow coal gasifier. A series of simulations of theflow, heat transfer and phase change of slag layer on the wall in the gasifier were carried out basedon the proposed model with SIMPLE algorithm. The results indicated that the wall temperaturehas more signifcant effect on the solid slag layer thickness than the hearth temperature. The solidslag layer thickness decreases with the increase of hearth temperature when the wall temperature isstable. The solid slag layer thickness increases with the decrease of wall temperature when the hearthtemperature is stable.Key words entrained-Aow coal gasifier; melted slag; thickness; phase change0引言未考慮氣化爐不同位置煤灰渣顆粒沉積率和煤灰渣煤氣化技術(shù)是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)物性對渣層的影響.(IGCC)的核心部分，是IGCC大型化的關(guān)鍵技術(shù)本文對文獻[1]中的模型進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,之一。氣流床煤氣化技術(shù)以氣化強度高，碳轉化率改進(jìn)了渣層傳熱、相變和質(zhì)量流量的計算方法，建立高，煤氣中不含焦油和酚，對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)得了更為完善的數學(xué)模型，并引入了壁面沉積率分布到廣泛關(guān)注，成為大規模煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流方和煤灰渣黏溫特性的影響，以國內某工廠(chǎng)的Texaco煤氣化爐為對象進(jìn)行了數值模擬分析.近年來(lái)，國內外研究者對氣流床煤氣化爐壁面1渣層模型渣層開(kāi)展了一系列的研究工作[I~3] 。已有的模型中都采用質(zhì)量守恒的方法計算渣層厚度，假設溫度1.1渣層模型線(xiàn)性分布以計算熱流密度和固態(tài)渣層厚度,模型中尚中國煤化工漿為原料,以純氧CNMHG收稿日期: 2008-12-12; 修訂日期: 2009-03-09基金項目，國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃資助項目(No.2004CB217703)作者簡(jiǎn)介:劉升(1982- ),男，江蘇連云港人，博士研究生，主要從事多相流理論與應用、潔凈煤燃燒等方面研究.632工程熱物理學(xué)報30卷為氣化劑，在高溫、高壓條件下，進(jìn)行氣化反應,灰渣層相變采用焓法計算，通過(guò)在整個(gè)區域建立分形成熔融態(tài)灰渣顆粒，部分熔融態(tài)灰渣顆粒沉積統--的能量方程，求出熱焓分布進(jìn)而確定相界面,到爐膛壁面，形成穩定的渣層，如圖1所示.a(pH)、8(puF). 8(pvH),耐火磚一n-周態(tài)渣層)tOxOr金屬殼體7↓↓5液態(tài)渣層100T、θ .. aT、間(kr2)+的(2)+(8u 8u\2(品+;)(5)<》{(|)*+()}+(:熱量:其中，H為比焓，其與溫度的關(guān)系為，質(zhì)最:H/Cp,sHH氣化爐內渣層和合成氣相界面處的合成氣速度較低,氣化爐運行溫度下煤灰渣的黏度高于1 Pa.s,其中，T,和Ti分別為煤灰渣的凝固溫度和熔化溫渣層流動(dòng)平穩，表面幾乎沒(méi)有波動(dòng)網(wǎng)。將氣化爐壁度，T,和T之間的煤灰渣處于糊狀區; Cp.s 和Cp,面從上至下分成若千計算單元，假定每個(gè)計算單元分別為煤灰渣在固態(tài)和液態(tài)時(shí)的平均比熱容;L為的渣層厚度是相同的，在柱坐標系下對每個(gè)計算單煤灰渣的相變潛熱，H。和Hi分別為煤灰渣在凝固元分別建立控制方程.溫度和熔化溫度時(shí)的臨界比焓。氣化爐穩定運行時(shí)，第i計算單元的渣層厚度1.2計算流程(8.)可由第i-1計算單元流入第i計算單元的灰渣任一單元中的計算步驟為: (1) 以上一計算單量(mex.i-1)、流出第i計算單元的灰渣量(mex,) 和元渣層厚度為初始厚度劃分網(wǎng)格; (2) 以上一單元第i計算單元內灰渣的沉積量(min,)得到，出口處的速度分布和溫度分布為初始條件，(3)求min,i+ mex,i-1二mex,i(1)解控制方程(2)~(5)得到速度分布、溫度分布、渣層AsPi質(zhì)量流量; (4) 利用式(1)求出渣層厚度; (5) 根據其中，A; 為第i計算單元面向爐膛的表面積，p: 為渣層質(zhì)量流量判斷是否收斂，若收斂進(jìn)行下- -單元第i計算單元灰渣的平均密度.進(jìn)行計算，若沒(méi)有收斂則重新劃分網(wǎng)格，并返回到渣層流動(dòng)的連續性方程為,步驟(3)繼續計算,反復迭代直至收斂.從上而下依.ap + 2(ou)+13(rpv)=0(2)次對各個(gè)計算單元進(jìn)行計算.BtT 8xrc其中，u為軸向速度，v 為r向速度，下同.2模擬條件渣層流動(dòng)的動(dòng)量方程為,.1簡(jiǎn)化假設a(pu)_ 8(pu)」 8(pru)=由于目前還無(wú)法對煤灰渣的相關(guān)物性進(jìn)行準確Dt8x的測量，計算中關(guān)于煤灰渣物性采用如下假設: (1)8p.Ou+p9x+2品()+灰渣的相變溫度為黏度臨界溫度To，Tcu 以上的18)u,0u )灰渣為牛頓流體，Teu 以下的灰渣為固體同; (2)+rug(3)煤灰淹的密度、導熱系數、比熱容、輻射吸收系數等為常數,僅考慮黏度隨溫度的變化; (3) 不考慮煤灰a(pu).。8(puv)(0u)_渣液固相變時(shí)的相變潛熱.OtFr8p8(2.2中國煤化工-0+9+品(咖+0)+MHCNMHG其物性參數為:(4)ps=24yUkg/m~;入s=1.8Y w/(m.K) ; Cpa=1690號(喘)kJ/(kgK); ag=0.83; Tcu=1560 K，采用最小二4期劉升等。 氣流床煤氣化爐爐壁渣層流動(dòng)與傳熱模擬633乘法對表1中給出的華亭煤灰渣的黏溫特性進(jìn)行擬表3模擬工況.合得,Table 3 Conditions of casesμ= 1216.6843 - 1.42958T + 0.0004213T2(7)爐膛溫度/K壁面溫度/K1500其中，T為溫度，K; 相關(guān)性系數R=0.9999 .162015401640表1灰渣黏溫特性Table 1 Viscosity of coal ash slag61660溫度/K 1698 .1643_ 1593 1548 _1496 1443黏度/Pa-s2503模擬結果及討論2.3模擬對象及模擬工況本文以國內某工廠(chǎng)的Texaco煤氣化爐為對象，圖3給出了所有工況下總渣層厚度和固態(tài)渣層沿高度劃分14 個(gè)計算單元，見(jiàn)圖2.根據文獻[6]厚度曲線(xiàn).煤灰渣在沿氣化爐壁面自上而下流動(dòng)過(guò)所提方法對氣化爐內氣固兩相流和化學(xué)反應進(jìn)行了程中渣層厚度不斷增加。氣化爐上部簡(jiǎn)體部分，第1模擬，得到壁面沉積率，見(jiàn)表2.到第4個(gè)計算單元(4.5 m以上區域)沉積量較大，渣層迅速增厚;第4個(gè)計算單元以下的單元，灰渣也顆粒沉積量減少，渣層厚度增加緩慢,計算得到的氣化爐筒體段的液態(tài)渣層厚度在0.5~1 cm左右,固態(tài)渣層厚度在0.25~0.5 cm左右.下部錐體段,渣層與壁面接觸面積減少,渣層流向改變，在錐體段和簡(jiǎn)體段交界處渣層速度降低,上部流下來(lái)的接近相變溫度的灰渣在此區域堆積,使該區域固態(tài)渣層厚度增加，隨著(zhù)煤灰渣繼續向下流動(dòng)，煤灰渣溫度上升固態(tài)渣層厚度減少.9工況1的爐膛溫度和壁面溫度最低，固態(tài)渣層.101最厚;工況6的爐膛溫度和壁面溫度最高，固態(tài)渣層最薄。對工況1和工況2,工況3和工況4,工25052130況5和工況6三組對比發(fā)現，相同爐膛溫度下，壁面溫度降低40K固態(tài)渣層厚度增加100%左右;對圖2氣化爐結構示意圖(mm)工況1和工況3,工況2和工況6兩組對比發(fā)現,Fig.2 Schematic diagram of the gasifier(mm)在相同壁面溫度下，爐膛溫度降低40K固態(tài)渣層厚度增加50%。因而，當渣層兩邊溫差相同時(shí)，降低表2壁面灰渣沉積率Table 2 Deposition rates along the wall氣化爐壁面溫度比降低爐膛溫度可以得到更厚的固態(tài)渣層，即壁面溫度對固態(tài)渣層厚度的影響較爐膛分區沉積率/kgs-T rad-T0.042溫度對固態(tài)渣層厚度的影響更為劇烈。氣化爐運行0.128過(guò)程中，可以通過(guò)適當降低壁面溫度的方法，來(lái)得0.97到更高的爐膛溫度，進(jìn)而提高氣化效率和合成氣中0.0740.039有效氣體(H2+CO)的含量.0.022模型中沒(méi)有考慮爐內合成氣對渣層流動(dòng)、傳熱0.011傳質(zhì)和相變的影響，渣層被處理為單純的重力驅動(dòng)0.013.9~140.03流，得到的渣層表面平穩沒(méi)有波動(dòng)。從得到的渣層厚度和其他方法得到的研究結果4比較發(fā)現，采用氣化爐下部錐體段采用階梯型網(wǎng)格來(lái)逼近真實(shí)這種中國煤化工態(tài)渣層和固態(tài)渣層邊界，對每個(gè)計算單元采用加密網(wǎng)格減少采用近似的變CH僅在出口處略有差邊界引起的計算誤差.計算中根據該氣化爐的實(shí)際，衣明平義促山時(shí)醫生兵月秋ILCNMH陸的精度，用較低運行工況確定模擬工況，詳見(jiàn)表3.的計算代價(jià)得到了較為合理的計算結果.634工程熱物理學(xué)報30卷.工況11況2上況3總渣厚固態(tài)渣厚E制2) 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025~0 0.005 0.01 0.015 0.020 0.005 0.01 0.015 0.02渣層厚度/mT況4上.況5工況6. 總渣厚周態(tài)渣厚周態(tài)渣原一固態(tài)渣厚E 4E型:0 Eswuww1i4 w山uwwl”00.005 0.01 0.015 0.020.0050.01 0.015 0.02圖3不同工況條件下沿氣化爐高度上壁面渣層厚度Fig.3 Thickness of slag layer along the height of gasifier in diferent cases4結論eling and Simulation of Shell Gasifer. Journal TsinghuaUniversity (Sci. & Tech.), 1999, 39(3): 11-114本文在相關(guān)研究的基礎上建立了更為精確描述[3]周俊虎，匡建平,周志軍,等.粉煤氣化爐噴嘴受熱分析和渣層流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和相變的數學(xué)模型，并對國內渣層模型的數值模擬。中國機電工程學(xué)報，2007, 27(26):23- 29某工廠(chǎng)運行的Texaco氣化爐進(jìn)行了模擬。ZHOU Jun-Hu, KUANG Jian-Ping, ZHOU Zhi-Jun, et研究發(fā)現當壁面溫度不變時(shí)，爐膛溫度增加，al. Numerical Simulation for Pulverized Coal Gasifier'固態(tài)渣層厚度減少;爐膛溫度不變時(shí)，璧面溫度降Heating Nozle and Slag Building Model. Proceedings ofthe CSEE, 2007, 27(26): 23 -29低，固態(tài)渣層厚度增加。應用本模型計算得到的渣[4] LIUs, HAO Y, XU z. In: XU Xu-Chang, XU Ming-Hou.層厚度有較高的計算精度，可以滿(mǎn)足工程估算氣化Proceedings of the 6th International Symposium on Coal爐壁面渣層厚度的要求。Combustion. Wuhan: Huazhong University of Scienceand Technology Press, 2007. 547- 553參考文獻[5] Reid W T, Cohen P. The Flow Characteristics of CoalAsh Slags in the Solidification Range. J. Eng. Power,[1] Seggiani M. Modelling and Simulation of Time VaryingTrans. ASME Series A, 1944, 66: 83 97Slag Flow in a Prenfo Entrained-Flow Gasifier. Fuel,[6] DU Min, HAO Ying-Li, WANG Yan. Numerical Simula-1998, 77(14): 1611-1621tion of Coal Gasification in a 1 t/d Two-Stage Entrained[2] 韓志明，李政，倪維斗、Shell 氣化妒的動(dòng)態(tài)建模和仿真.Flow Gasifer. In: Proceedings of the ASME Interna-清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1999 39(3): 11-114tional Mechanical Engineering Congress and ExpositionHAN Zhi-Ming, LI Zheng, NI Wei-Dou. Dynamic Mod-2007. New York: ASME, 2007. 781-791中國煤化工MYHCNMHG