流化床氣化爐內煤顆粒的升溫過(guò)程及影響

2009年3H燃料與化工第40卷第2期Fuel & Chemical Procesres15流化床氣化爐內煤顆粒的升溫過(guò)程及影響孔火良(南京農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京210095)摘要: 根據熱傳遞理論,對夾套高溫煙氣加熱的流化床氣化爐內煤顆粒的升溫過(guò)程進(jìn)行了分析與計算，結果表明，顆粒的總體升溫速率越高,顆粒升至床溫所需的時(shí)間就越少;提高流化速度,有利于顆粒的升溫,但是影響較小;顆粒粒徑對顆粒的升溫影響很大，隨著(zhù)顆粒粒徑的減小，煤顆粒達到床溫所需時(shí)間急劇下降。當粒徑小于1mm,床溫為700-1 100公時(shí)，顆粒內部能夠在1s左右達到等溫，3~5s 后顆粒溫度能升至99%床溫。關(guān)鍵詞:流化床氣化爐煤顆粒 升溫過(guò)程 傳熱分析中囝分類(lèi)號: TQ515.6文獻標識碼: ATemperature rise process of coal particlein a fluidized bed gasifer and its influenceKong Huoliang(ollge of Resource & Environmental Science, Nanjing Agiculural Univernity, Nanjing 210095, China)Abstract: Based on heat transfer theory, the analysis and calculation of the temperature rise process ofcoal particle in fluidized bed gasifier heated with high temperature flue gas from jacket was made in thispaper, the result showed that the higher the overall temperature rate of coal particle, the less the time re-quired for particle raised up to bed temperature; To increase fluidizing velocity is beneficial to temperaturerise of particle, but the inluence is les; While particle size diameter has great influence on temperaturerise of particle, with reduction of particle size diameler, the time required for coal particle temperature upto bed temperature is dramatically reduced. When the size diameter is less than 1mm and the bed tempera-ture is in the range of 700~1 100C, the particle intemal is capable of reaching to be isothermal withinabout Is. after 3~5s the particle temperature can be raised to 99% of bed temperature.Key words: Fluidized bed gasifier Coal paricle Temperalure rise process Heat transfer analysis流化床氣化爐作為- -種新- -代氣化爐, 具有傳在夾套高溫煙氣加熱方式的小型循環(huán)流化床氣熱、傳質(zhì)效率高，床層溫度均勻,煤種適應性強,化裝置內，內簡(jiǎn)中煤顆粒的溫升主要依靠夾套內高煤顆粒在短時(shí)間內完成干燥、升溫、反應以及顆粒溫煙氣的加熱。為了便于計算，提出以下幾點(diǎn)基本的大量循環(huán)提高顆粒在床內停留時(shí)間等。假設:在流化床煤氣化過(guò)程中，爐內煤顆粒溫度是影1)煤顆粒為球形，且表面同時(shí)存在熱傳導、響煤氣、半焦生成及成分的主要因素"。為明確床對流傳熱和輻射傳熱，而顆粒內部只存在熱傳導,溫、流化速度、煤顆粒的大小以及停留時(shí)間對煤顆且顆粒內溫度分布函數為T(mén)(r, t)(r, t分別為顆粒粒溫度分布的影響，本文針對內徑為100mm，夾內點(diǎn)到球心的距離和停留時(shí)間) ;套高溫煙氣加熱方式的小型循環(huán)流化床氣化裝置,2)顆粒被送人流化床時(shí)的時(shí)間t=0,初始溫根據熱傳遞理論，對煤顆粒的升溫過(guò)程以及床溫、度為T(mén)o;流化速度、煤顆粒的大小對煤顆粒溫度分布的影響3)流化床內各點(diǎn)溫度相同，均為T(mén);進(jìn)行了分析。中國煤化工熱忽略不計,顆1理論分析粒導;fYHCNMHG收稿日期: 2008-11-17作者簡(jiǎn)介:孔火良(1971-), 男，講師燃料與化工Mar. 20096Fuel & Chemical ProcessesVoL.40 No.2根據以上假設和能量守恒定律，煤粒在流化床aT__入(三aT + PT內的傳熱過(guò)程可由式(1) 描述。吧=含(仁+fT)(1)其邊界條件為: .(2)式(1)推導取微元體(見(jiàn)圖1中陰影部分),設導人微元體的熱流量為Qna，導出微元體的熱流00FrImo=0(3)量為Q.,則:Q=A,行.4m2起始條件為:T (r,t=0) =T。(4)Q.x=ho，(T+工d).+4m(rdr其中，p, 為煤顆粒密度，kg/m'; ρ。 為空氣密dn度，kg/m'; Cp 為煤顆粒熱容，J(kg.K); 入p 為煤顆=λ,{ ?T +HT dr).4m[P+2rdr+{d鬥]粒導熱系數，W(m.K); a為換熱系數，W(m2.K);ε為黑度; σ為玻爾茲曼常數; F為輻射角系數;=λ 0L4m(P+2rdr+(dr)]+R為煤顆粒半徑，m; T為溫度，K?！?dr如果不考慮顆粒的輻射傳熱(偏于安全),即入T .4rd(P+2rdr+(d們]d假設式(2)等式右邊第二項為0,則可得出式(1)的Ap所解析解內: .T-T4R2 sin (C) +Ccos (C)T-T。r 。二2C--sin (2CJ)r+drQrsm(Ciep[管告(5)式中常數C。由下式得出:、_cR(6)tg(C)入p煤的導熱系數入可用下式阿表示:團1顥粒溫度分布分析簡(jiǎn)圄)=( 515.70(7)根據能量守恒定律，由于內部放熱忽略不計,那么，導入微元體的熱流量減去導出微元體熱流量換熱速率a可用下式4-表示:等于微元體內能的增量，故有:Nu= a:-=2+0.6Re3.p5(8)Qms-Q=p,Cp o _4m?dr其中，Re=dIPx(9)即:PT.λ,行.4m2rdr+(dj}+入, 2.4md[7+2rdr+(d們](10)=pCp 0 4mr2dr式中，λ為空氣導熱系數, W/(m.K); μ為空氣動(dòng)力學(xué)粘度，k/(m+s); d, 為煤顆粒粒徑, m; u忽略等式左邊(dr) 的2次項,整理得:為流化速度，m/s; D為流化床內簡(jiǎn)直徑，m; Nu為λ, T.2rtλ3T.tsp,C Tz努謝爾特準則; Re為雷諾準則; Pr為普朗特準則。0r”a2計算結果與分析p,C。oT=n,(C2r4TA)中國煤化工度為1 400kg7m2。)tFr為簡(jiǎn)HCNMHG取解析解的第1所以:項。分別對試驗中不同的床溫、溉化速度、顆粒粒2009年3月燃料與化工第40毯第2期Fuel & Chemicul Proceses17A)B)1.000.960.9850.880.94安1=0.5%0.84| +1.50.92-好1x2.0%0.800.90-0 0.2 0.40.6 0.8 1.0rr/R床溫T=800C,流化速度u=0.834m/s; A:粒 徑d_=lmm; B:粒 徑d_=0.5mm圈2煤顆粒的剖面溫 度分布徑在不同停留時(shí)間下的煤顆粒的升溫過(guò)程進(jìn)行計算率隨床溫的增大而增大，其最大升溫速率更是增大分析。明顯。例如當床溫由7009C. 上升至800C、900、2.1 煤顆粒的剖面溫度分布1000C和1 100C時(shí)，其顆粒表面的最大升溫速率在床溫T為8009C，流化速度u為0.834m/s,由268C/s依次上升為3709C/s、489C/s、 628C/s對粒徑為1mm及0.5mm的煤顆粒的剖面溫度進(jìn)行和8049C/s。顯然，顆粒表面的升溫速率嚴重地依了計算，結果見(jiàn)圖2。.賴(lài)于床層溫度，在較低的床溫下，顆粒的總體升溫由圖2可見(jiàn)，煤粒升溫過(guò)程中，其表面溫度速率比較低，顆粒溫度升至床溫所需的時(shí)間就比較(r/R=1處)由于床層的對流及輻射升高非常迅速,長(cháng)。圖4給出了顆粒中心溫度升至99%床溫所需時(shí)而顆粒內部溫度的升高相對來(lái)說(shuō)要緩慢一些。在升間的計算結果。由圖4可知，對于粒徑為1mm的溫過(guò)程的初始階段，煤粒表面與中心溫度差異最顆粒，當床溫為700C時(shí)，顆粒溫度升至99%床溫大,而隨受熱時(shí)間的延長(cháng)此溫度差逐漸減小，最后需4.6s;而當床溫為1 100C時(shí)，顆粒溫度升至達到床層溫度。99%床溫僅需3.2s。此外，比較圖2(A)與(B),對于粒徑為1mm的顆粒，當進(jìn)人床層內1s時(shí)，其表面溫度為床溫800F700的0.86倍，中心溫度為床溫的0.78倍,整個(gè)剖面溫00月度相差9.3%。而對于粒徑為0.5mm的顆粒，當進(jìn)00一 T=700C人床層內1s,其表面溫度已近似等于床溫，中心十E1000溫度為床溫的0.98倍，其剖面溫度相差僅為T(mén)=l 100C0o2.0%。因而，可以認為，隨著(zhù)顆粒粒徑的減小，100顆粒內部達到等溫的時(shí)間越小，對于粒徑小于1mm的顆粒，顆粒內部能夠在1s左右達到等溫。) 1.0 2.0 3.0.0 5.0時(shí)間/s2.2 床溫對煤顆粒升溫速率的影響流化速度u=0.834m/s;粒徑d,=lmm圖3為不同床溫下煤顆粒表面的升溫速率。由圄3煤顆粒表 面的升溫速辜圖3可知，在加熱時(shí)間t=0時(shí)，顆粒表面的升溫速率為最大值。隨加熱時(shí)間的延長(cháng)，顙粒表面的升溫2.3流化 速度對煤顆粒升溫的影響速率迅速降低，例如當床溫為1 1009C, t=0時(shí),最為分析流化速度對顆粒升溫的影響，本文在床大升溫速率為804C/s;而當t=3s時(shí)，升溫速率僅溫Tg=1 000C，不同流化速度下，對粒徑d,=1mm為16.5C/s。這主要是因為t=0時(shí)，床溫與顆粒表的顆粒蟲(chóng)心溫府升至000安沮所需時(shí)間進(jìn)行了計中國煤化工面的溫差最大，傳熱推動(dòng)力也最大。此外，隨床溫真，的提高，床溫與顆粒溫度差也增大,從而導致推動(dòng)YHCNMHG增大,顆粒中心力的增大。所以，在同一時(shí)間下顆粒表面的升溫速溫度升至99%床溫所需時(shí)間逐漸減小，但影響不燃料與化工Mar. 200918Fuel & Chemicual ProcessesVol.40 No.2大。如當流化速度為0.99m/s時(shí)，所需時(shí)間為3.6s;有兩方面的原因:一是由于顆粒粒徑減小，在相同而當流化速度上升至1.65m/s 時(shí)，所需時(shí)間僅下降溫度差下，溫度梯度增大，傳熱速率增大,升溫至至3.38。其主要原因是因為當流化速度增加時(shí)床溫所需時(shí)間變小;二是由于顆粒粒徑減小而流化Re,增大，從而導致?lián)Q熱系數a的增大，傳熱速率速度不變時(shí)，Re, 增大，從而導致?lián)Q熱系數a的增增大，所需時(shí)間變小。然而，提供流化速度，并不大，傳熱速率增大，升溫至床溫所需時(shí)間變小。能減小顆粒內部的導熱阻力,因而對總傳熱速率的影響不大。.6:2500-= 3.8400).40123456時(shí)間/s700 800 900100001100 1200床溫心C床溫Tr=800C,流化速度u=0.834m/s;實(shí)線(xiàn):顆粒表面;虛線(xiàn):流化速度u=0.834m/s;粒徑d-1mm顆粒中心: 1-0.2mm; 2-0.4mm; 3. _0.6mm; 4-0.8mm; 5-1.0mm圉6顆粒表面及中心的溫度隨加熱時(shí)間的變化圖4顆粒中心溫度升至99%床溫所需時(shí)間3:3結論3.61)煤粒升溫過(guò)程中,表面溫度升高非常迅速,顆粒內部溫度的升高相對緩慢，但對于粒徑小于留3.1mm的顆粒,顆粒內部能夠在1s左右達到等溫。3.32)顆粒的升溫速率依賴(lài)于床層溫度，床溫越高，顆粒的總體升溫速率越高，顆粒溫度升至床溫3.20.91.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7所需的時(shí)間就越少。對于lmm的顆粒，在700~流化風(fēng)速/m.s"1100C床溫下，顆粒溫度升至99%床溫所需時(shí)間床溫T1000C; d=lmm為3~5s。圈5流化速度對顆粒中心溫度升至99%床溫所需時(shí)間的影響3)提高流化速度，有利于顆粒的升溫，但影響較小;顆粒粒徑對顆粒升溫影響很大，隨著(zhù)顆粒2.4顆粒粒徑對煤顆粒升溫 的影響粒徑的減小，煤顆粒達到床溫所需時(shí)間急劇下降。當床溫為800，流化速度為0.834m/s，顆粒參考文獻粒徑分別為0.2mm、0.4mm、 0.6mm、 0.8mm 及([1]葉俊嶺,劉生玉。呂水康.熱解溫度對半焦生成及元索組成的影1.0mm時(shí)，煤顆粒表面及中心溫度隨加熱時(shí)間的變響[辦煤炭轉化。2006, 29(1):37-40.化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。由圖6可知，同一時(shí)間下，相同粒[2] Abanades s, Flament G. Guhier D. Modeling of heary melalvaporisation from a mineral matrix[J]. Journal of hazurdous徑顆粒的表面溫度曲線(xiàn)位于顆粒中心溫度之上，即materials, 201.88:75- _94.表示表面溫度總是大于顆粒中心溫度，且隨著(zhù)時(shí)間3}吳文淵，楊動(dòng)丹,周定，等.煤在熱載體流化床中的熱解模型[J.的增大，兩者之差逐漸減小，直至兩者溫度升至床燃料化學(xué)學(xué)報, 1994, 22(4); 406-415.溫。此外，隨著(zhù)顆粒粒徑的增大，煤顆粒達到床溫[4] 李海濱,白秀鋼，胡振,等.煤在流化床中的熱解一- -實(shí)驗研究的時(shí)間也隨之增大。例如，當顆粒粒徑為0.2mm及數學(xué)模型[J]煤化T, 1998, 26(4);12-16.時(shí)，加熱時(shí)間為0.4s時(shí)，顆粒表面和中心溫度已升中國煤化，I etal behavior duringe Mangement,至床溫;而當顆粒粒徑為1.0mm 時(shí)，加熱時(shí)間為YHCNMHG6.6s時(shí)，顆粒表面和中心溫度才升至床溫。這主要劉曉明編輯