油水煤漿在新型氣化爐內氣化過(guò)程的數值模擬

第22卷第5期熱能動(dòng)力工程Vol.22,No.52007年9月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERCY AND POWERSep. ,2007新能源動(dòng)力技術(shù) 子文章編號:1001 - 20200)050 -0560-04油水煤漿在新型氣化爐內氣化過(guò)程的數值模擬于海龍' ,劉建忠2(1.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450007;2.浙江大學(xué)能源潔凈利用與環(huán)境工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027)摘要:在多噴嘴入口新型水煤漿氣化爐內對油水煤漿燃料是一種加入不同量的水和少量分散劑、乳化劑(COW)的氣化過(guò)程進(jìn)行了數值模擬計算研究,分析了氣化爐的分散在燃料油中的煤的濃漿。與現行的取代燃內的溫度分布、各種氣化產(chǎn)物濃度分布規律。數值模擬計算料,如油煤漿和水煤漿相比,油水煤漿的使用有以下結果證明,同濃度的油水謀漿氣化與普通水煤漿氣化相比，優(yōu)點(diǎn):(1)具有良好的燃燒效率,且對于鍋爐和噴嘴氣化爐內平均溫度略有上升,碳轉化率提高1.81%.氣化爐都有較低的粘度;(2)作為工業(yè)燃料,燃燒效率高，出口粗煤氣中有效氣(C0+ H)含量提高10. 58%,CO2和微粒煤煙少,環(huán)境污染小;(3)顆粒遠遠小于油煤漿H20濃度大幅下降，水分解率大大提高，氣化效果明顯優(yōu)于和水煤漿中煤的顆粒粒度，這--特性使油水煤漿不普通水煤漿。僅可以直接用于燃油鍋爐,而且能夠替代柴油機用關(guān)鍵詞:油水煤漿;氣化;氣化爐;數值模擬柴油;(4)是適用于通過(guò)噴嘴霧化的懸浮液一乳化中圖分類(lèi)號:TQ534文獻標識碼:A混合物,在燃燒過(guò)程中能產(chǎn)生微爆炸和水-汽,這些效應結合在一起使油水煤漿成為高熱值燃料;(5)引言可擴大煙煤種使用范圍,采用揮發(fā)分較低的無(wú)煙煤由于受到德士古水煤漿氣化技術(shù)專(zhuān)利的制約,等;(6)由于燃料油的加入,比水煤漿具有較低的燃國內如采用水煤漿為原料利用德士古爐進(jìn)行氣化，點(diǎn)。都要為德士古公司支付昂貴的專(zhuān)利費。要改變這一狀況,解決問(wèn)題的良好途徑就是利用現有的氣化技2目前國內油水煤漿開(kāi)發(fā) 現狀及特點(diǎn)術(shù)尋求不同原料的氣化。筆者對有關(guān)這方面技術(shù)的國內外資料和文獻進(jìn)行了研究和分析后認為，油水CoW由油、水、煤3種成分和少量添加劑經(jīng)過(guò)煤漿氣化技術(shù)是目前非常有發(fā)展前景的技術(shù)之一。物理加工處理而成。根據煤漿外相成分,可將油水因此，油水煤漿的氣化技術(shù)在社會(huì )生產(chǎn)中具有一定煤漿分為油基油水煤漿與水基油水煤漿兩種,兩者的現實(shí)意義。的煤含量一般都在35% ~ 50%,水的含量不低于15%。目前,有資料顯示,油水煤漿與油煤漿以及水1油水煤漿的性能煤漿相比,具有易點(diǎn)燃、熱值高、節省用油、粘度低等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。而且由于其內相為煤和另-一種液體,其近年來(lái),人們又開(kāi)始著(zhù)眼于一種新型煤漿一穩定性機理有所變化,穩定因素也有所增加。由于油水煤漿技術(shù)(COW)的研究，因為它能在- -定程度受技術(shù)水平的限制,我國在油水煤漿技術(shù)方面的研上改善煤炭的品質(zhì)。這種油、煤、水三元混合燃料是究現大多集中在油基油水煤漿上,其特點(diǎn)如下:加拿大人0. Trass 和G. Papach ristodou lou提出的，(1)油基CoW燃料為屈服假塑性流體,對于鍋國內對這方面的研究是近幾年來(lái)才開(kāi)始的"。爐和噴嘴都有較低的粘度;這種煤漿燃料同樣具有用燃料油、細磨煤粉和水組成的新型三元混合剪切降粘性質(zhì),此外這種漿體的粘度明顯地低于水燃料作為未來(lái)的一種潔凈燃料前景看好。這合成煤漿和油煤漿;收稿日期:2006-12-30;修訂日期:2007-03-30基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃基金資助項目20021770)作者簡(jiǎn)介:于海龍(1975- ),男,吉林人,中原工學(xué)院副教授,博士.第5期于海龍,等:油水煤漿在新型氣化爐內氣化過(guò)程的數值模擬●561●(2)油基油水煤漿的燃點(diǎn)較水煤漿低,實(shí)驗所煤漿氣化爐爐內三維空間。氣化爐內徑為0.5 m, .得的漿體稍經(jīng)加熱即能直接點(diǎn)燃,且其燃燒熱值也凈高1.5 m,高徑比為3,氣化爐爐頂設置有一個(gè)水較高,一般均能接近甚至超過(guò)動(dòng)力用煤熱值標準,水煤漿噴口,在氣化爐側距氣化爐頂部0.9 m處有4煤漿則達不到這樣的熱值標準。個(gè)對稱(chēng)布置的傾角為459的噴嘴,其具體模型如圖1(3)油水煤漿的煤種適應性較廣。本文所述實(shí)所示;計算用數學(xué)模型見(jiàn)文獻[6~9]。制油水煤漿驗中已經(jīng)成功地利用無(wú)煙煤、煙煤、褐煤等多種煤種用油可以為渣油、重油、原油，也可以是輕質(zhì)柴油或制得了油基油水煤漿,其各種性能較好。汽油;計算采用的油水煤漿中油含量35%,采用渣(4)油基油水煤漿在流變性質(zhì)上,完全不同于油,煤含量45%,水含量20%;制漿用原煤成分分析水煤漿,這表明其內部結構與水煤漿也有較大的差結果如表1所示。在進(jìn)行數值模擬計算時(shí)氣化爐的異。實(shí)驗證明,這種內部結構使體系的穩定性大大運行工況為:油水煤漿流量600 kg/h.氣化壓力4.0增加。MPa、氧碳原子比0.94、爐頂噴嘴氧氣流量118 m'/h、(5)與普通水煤漿相比，燃燒效率有所提高,潔爐側單 只噴嘴氧氣流量36 m/h。凈程度也進(jìn)一步增加。妒膛爐側噴嘴人口3油水煤漿氣化過(guò)程數值模擬爐頂噴s出口嘴人口利用水煤漿氣化的數值模擬計算方法對油水煤漿在新型水煤漿氣化爐內的氣化過(guò)程進(jìn)行了數值模爐倒噴嘴人口位置.爐側唆嘴入口角擬，數值模擬計算的物理模型為600 kg/h 的新型水圖1數值模擬計 算的物理模型表1制漿用煤粉成分分析數據工業(yè)分析/%元素分析/%AFCu Q.on/kJ.kg CSu3.4027.057.7361.8224 26875.903.507.421.210.843.1氣化爐內溫度分布區、折返流區和管流區的位置及形成進(jìn)行了詳細的說(shuō)明,歸納氣化爐內流場(chǎng)分布規律。圖2是油水煤漿氣化時(shí)氣化爐內溫度分布的等高線(xiàn)圖。從圖中可20+032.9e-03以看出,與普通水煤漿氣化相比,油水煤漿氣化時(shí)噴嘴射流入口附近局部高溫區明顯增加，而且火焰黑2.4e+03區拉得更長(cháng),除噴嘴射流流場(chǎng)內溫度分布變化較大22+03外，回流區管流區、折返流區內溫度分布都非常均2.1e+032.0e+03勻。分析其原因,這是由于在油水煤漿中加入大量1.7e+03的油，油水煤漿的著(zhù)火溫度明顯降低，著(zhù)火提前，同1.5e+03時(shí)油又是高揮發(fā)性物質(zhì),遇熱后很快揮發(fā),這更加劇1.4e+03了油水煤漿的燃燒著(zhù)火進(jìn)程,而且由于油水煤漿粘1.1e+03Q.eto2度很低,霧化效果非常好,也使得油水煤漿在- -進(jìn)入7.9e+02氣化爐后很快著(zhù)火燃燒,而油燃燒時(shí)火焰黑區相對煤要長(cháng),這也是油水煤漿燃燒火焰黑區較長(cháng)的一個(gè)主要原因。油水煤漿中固體物質(zhì)- -煤的含量相對焦圖2氣化爐 內溫度分布等高線(xiàn)圖水煤漿和普通水煤漿要低,因此揮發(fā)性物質(zhì)燃燒完畢剩余的焦炭量也大幅度降低,易于揮發(fā)的物質(zhì)很文獻[10]中對氣化爐內射流區、撞擊區、回流快在射流區和撞擊區內燃燒完畢,氧氣也消耗殆盡,大部分沒(méi)有燃燒掉的焦炭即進(jìn)人還原性氣氛當中，●562.熱能動(dòng)力工程2007年進(jìn)行的是還原性反應而不能燃燒,因此使得除射流計算結果。從圖中可以看出，各種物質(zhì)在氣化爐內區和撞擊區外其它區域溫度分布非常均勻,均勻的的濃度分布規律與水煤漿相比并無(wú)大的差別,只是溫度分布不僅大大增加氣化爐內耐火磚的使用壽在量上有所不同。CO和CO2濃度分布規律依然相命,而且更加有利于后期焦炭還原反應的進(jìn)行,這是反,而H2和H20的濃度分布也呈相反狀態(tài)。各種油水煤漿氣化時(shí)的一個(gè)重要特點(diǎn)也是- -大優(yōu)點(diǎn)。物質(zhì)除在噴嘴射流區和撞擊區內濃度差別較大外，3.2氣化爐內各種物質(zhì)濃度分布在其它區域尤其是管流區內濃度分布非常均勻,均圖3中(a)、(b)、(c)、(d)依次為氣化爐內各種勻的物質(zhì)濃度分布給后期焦炭還原反應的進(jìn)行提供主要物質(zhì)CO、CO2、H2、H20的濃度分布的數值模擬了良好的條件。0.50.230.460.220.310.420.200.400.180.170.360.160.320.140.300.130.120.110.090.080.070.040.030.0770.020.039 .0.0090.0190.0050.00間co(0) CO, .(間) H, .(田)H0圖3氣化爐內各物質(zhì)濃度分布3.3氣化爐出口粗煤氣組成從表2中可以看出，油水煤漿氣化時(shí)出口粗煤表2是油水煤漿氣化時(shí)出口粗煤氣組成、氣化氣組 成和普通水煤漿氣化有較大的差別,尤其是H2爐內平均溫度碳轉化率、顆粒平均停留時(shí)間等的數和H20濃度差別較大。H2濃度明顯增加而H20濃值模擬計算結果與普通水煤漿的對比。度明顯降低，H2濃度從22%增加到36.21%,增幅達表2油水煤漿和普通水煤漿氣化時(shí)到64. 6% ,而H20濃度從18.71%下降到8.06%,降出口粗煤氣組成等的數值模擬計算結果對比低幅度達到56.9%,而CO和CO2濃度稍有降低，但油水煤漿普通水煤漿(65%幅度不大。分析其原因認為，由于人爐H20量就很C42.1445.77少,因此氣化產(chǎn)物中H20濃度大幅降低是必然的;H36.2122.00另外,由于在油水煤漿中加入了大量的渣油,而渣油CO211.7013.43中烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等的含量非常高,這些易揮H08.0618.71CH4).08發(fā)的烴類(lèi)大大提高了油水煤漿中H原子的含量,同O2∞00時(shí)這些烴類(lèi)在還原性氣氛下很容易發(fā)生C-C鍵的斷COS和H2S等1.860.裂,斷裂后的C-H在還原性氣氛下很容易分解出濕有效氣組成(CO+ H2)78.3567.7H2,因此大大增加了氣化爐內H2的濃度。在油水煤干有效氣組成(00+ H2)88.7379.33漿氣化時(shí)氣化產(chǎn)物中H2的來(lái)源與水煤漿氣化有所水分解率/%61.3553.08不同,除了來(lái)自水的分解和焦炭還原反應外，烴類(lèi)的爐內平均溫度/K1 657.41 594.分解也占很大- -部分。這對于那些對出口粗煤氣中顆粒平均停留時(shí)間/s6.3156.234氫氣濃度要求很高的企業(yè)來(lái)說(shuō)是存在很大優(yōu)勢的。碳轉化率/%99.3597.54同時(shí)也看到，出口煤氣中有效氣(C0+ H2)含量與水第5期于海龍,等:油水煤漿在新型氣化爐內氣化過(guò)程的數值模擬●563●煤漿氣化相比也大幅度提高,從67.77%增加到78.參考文獻:35% ,提高了10.58% ,達到了預期目標。從表2中也可以看出,與水煤漿氣化相比，油水[1]王俊玲 ,齊祥明,宗志敏，等.新型油水煤漿燃料的研究與探索煤漿氣化時(shí)氣化爐內平均溫度有所增加，這是因為[].礦業(yè)快報2002011):11-13.1油水煤漿的熱值高于普通水煤漿,它增加了氣化爐[2]朱紅.陳公倫.松全元.煤漿燃料的新進(jìn)展[J].選煤技術(shù)，2000(1):8-9.內的單位容積熱強度。因此,為了降低氣化爐內平[3]陳業(yè)泉,朱紅,孫正貴， 等.油基油水煤漿的流變性質(zhì)研究均溫度,增加氣化爐內耐火磚的使用壽命,應適當降[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001, 30(6):608 -612.低油水煤漿的入爐量,也即降低負荷,或者說(shuō)對于同[4] 朱紅,趙煒,閆學(xué)海.油水煤漿三元混合體系的制備及特性樣容積的氣化爐在作為油水煤漿氣化爐設計時(shí),氣研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報2002.31(6):579 - 582.化爐額定負荷的設計值要低于普通水煤漿。油水煤[5]國學(xué)海 ,胡衛新,朱紅.油- 水-煤漿制備過(guò)程中規律性探索[J].江蘇煤炭200(1):28-30. .漿氣化時(shí)碳轉化率明顯增加,達到了99. 35% ,這可[6] 于海龍趙翔.周志軍，等.氧煤比和煤漿濃度對水媒漿氣化能是因為大量易燃、易揮發(fā)的烴類(lèi)的加人,使得氣化影響的數值模擬[J].燃料化學(xué)學(xué)報，20032(4):370 - 374. .爐內固體物質(zhì)濃度大幅下降,大大降低了氣相與固[7]于海龍,趙 翔,周志軍,等. 氧煤比對水煤漿氣化影響的數值相之間傳質(zhì)的難度,因此焦炭的還原反應進(jìn)行得更模擬[J].煤炭學(xué)報,2004.29(5):606 - 610.[8]于海龍,趙 翔 ,周志軍,等，煤漿濃度對水煤漿氣化影響的數徹底,這就大大提高了氣化爐的碳轉化率。值模擬[].動(dòng)力工程,005,25(2):212 - 220,238.對油水煤漿與普通水煤漿氣化相進(jìn)行比較,前[9]于海龍 ,劉建忠,張桂芳.等.噴嘴位置對新型水煤漿氣化爐內者的較大優(yōu)勢在于其可以獲得較多的H,而CO濃流場(chǎng)影響的數值模擬[J].動(dòng)力I程2006.26(1);135 140.度又不至于降低太多,氣化產(chǎn)物中總的有效氣含量[10]于海龍,劉建忠 ,張桂芳,等.水煤漿氣化爐的形式和新型氣化大幅度增加，同時(shí)所需02量也有所下降,氧碳原子爐的開(kāi)發(fā)[J].煤炭轉化,2007,30(1):21 -25.比可以在較低情況下運行。(編輯柴舒)4結論●書(shū) 訊.對油水煤漿目前國內外發(fā)展的概況進(jìn)行了分析,并且對油水煤漿的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了總結。從循環(huán)流化床鍋爐運行與檢修其特有的特點(diǎn)和目前發(fā)展的狀況來(lái)看,油水煤漿是未來(lái)比較有發(fā)展前景的新型燃燒和氣化原料。鑒于本書(shū)由多年從事循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的理此,作者利用數值模擬計算方法對油水煤漿的氣化論研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品設計、運行調試等第一過(guò)程進(jìn)行了數值模擬,數值模擬計算的結果顯示:線(xiàn)工作的技術(shù)人員編寫(xiě)。本書(shū)是有關(guān)循環(huán)流體(1)油水煤漿氣化時(shí)氣化產(chǎn)物和普通水煤漿氣床鍋爐原理、運行及維修方面的專(zhuān)著(zhù),總結了循化有較大的差別,尤其是H2和H20濃度差別較大，環(huán)流化床燃燒技術(shù)基本理論,糾正了目前流行H濃度明顯增加而H20濃度明顯降低，H2濃度從的一些錯誤的概念,介紹了循環(huán)流化床鍋爐的2%增加到36.21% ,增幅達到64.6%，而H20濃度典型結構、特點(diǎn)、安裝要求、運行技術(shù)和規程、調↓從18.71%下降到8.06% ,降低幅度達到56 9%;試經(jīng)驗、性能試驗方法.檢修與維護要點(diǎn)以及運(2)合成氣成分中co和CO2濃度稍有降低,但行事故的處理等。本書(shū)既有基礎理論,又有實(shí)幅度不大;踐經(jīng)驗,深入淺出,比較貼近實(shí)際,通俗易懂?！?3)在油水煤漿氣化時(shí)氣化產(chǎn)物中H2的來(lái)源本書(shū)適用于從事循環(huán)流化床鍋爐的設計、制造、與水煤漿氣化有所不同,除了來(lái)自水的分解和焦炭運行、安裝、調試、維修和設計院的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人還原反應外,烴類(lèi)的分解也占很大-部分;員及管理人員,也可供循環(huán)流化床鍋爐基本理(4)與水煤漿氣化相比，油水煤漿氣化時(shí)氣化論研究的科研人員和動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的師生學(xué)↑爐內平均溫度有所增加,碳轉化率則增加較大，達到習、參考。了99.35%。