水冷壁氣化爐熔渣流動(dòng)的實(shí)驗研究

第40卷第3期化學(xué)T、程Vol. 40 No. 32012年3月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Mar. 2012水冷壁氣化爐熔渣流動(dòng)的實(shí)驗研究程相宣，侯國君，梁欽鋒，許建良，劉海峰(華東理T.大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200237)摘要:水冷壁氣流床氣化爐的核心思想是“以渣抗渣”,因此對熔渣沉積形態(tài)與流動(dòng)規律的研究尤為重要。文中在實(shí)驗室小型水冷壁氣化爐熱模裝置上,以神府煤氣化灰渣柴油和純氧氣為原料模擬氣流床水冷璧氣化實(shí)驗，采用高溫內窺鏡并結合數字圖像處理技術(shù)研究了熔渣的沉積.流動(dòng)過(guò)程。實(shí)驗結果表明:氣化爐操作溫度高于熔渣臨界黏度溫度時(shí),渣層表面灰渣處于熔融狀態(tài);運動(dòng)到壁面處的灰渣顆粒主要被熔融渣層吸收;熔渣的流動(dòng)速度和渣層表面溫度有關(guān)系，渣層表面溫度越高,熔渣流動(dòng)速度越大。在實(shí)驗條件下,熔渣層表面速度約為0.002 6- -0.003 m/s。關(guān)鍵詞:氣化爐;水冷壁;熔渣流動(dòng);熔渣沉積;內窺鏡中圖分類(lèi)號:TQ 54文獻標識碼:A文章編號:1005-9954(2012)03-0058-05Experimental study of slag flow on membrane wall in entrained-flow gasiferCHENG Xiang-xuan, HOU Guo-jun, LIANG Qin-feng, XU Jian-liang, LIU Hai-feng( Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education, East China University ofScience and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract:The core idea of membrane wall-lined gasifier is‘ using slag to protect the gasifier' , so the study on theslag deposition and flow law is especially important. With Shenfu slag, diesel oil and pure oxygen as raw materials,the slag deposition and flow were studied in a lab- scale membrane wall-lined entrained-flow gasifer via endoscopeand digital image processing technology. The results show that when the temperature of gasifier is higher than that atslag cnitical viscosity, the slag in the surface is in molten state; the char particles reached the reactor wall aremainly captured by the molten slag layer; the slag flow velocity is inluenced by the slag surface temperature, thatis, the higher the temperature, the faster the speed. The slag velocity is about 0. 002 6-0. 003 m/s under theexperimental conditions.Key words : gasifier; membrane wall; slag flow; slag deposition; endoscope氣流床煤氣化是煤炭潔凈利用的重要途徑,而有效地保護了水冷壁,使氣化裝置可以長(cháng)周期運轉。氣化爐又是煤氣化過(guò)程中的關(guān)鍵設備。水冷壁氣流因此,對熔渣流動(dòng)、渣層形態(tài)的研究尤為重要。國內床氣化技術(shù)以其煤種適應性強、生產(chǎn)能力大碳轉化外學(xué)者就氣化爐熔渣的沉積與附壁流動(dòng)進(jìn)行了大量率高和使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)得到廣泛關(guān)注,是大規模的研究,袁宏字等(4]以石蠟作為熔渣模擬介質(zhì)研究煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流方向。目前Shell, Prenflo和了不同條件下氣化爐內熔渣厚度的整體分布規律。Siemens等都采用了水冷壁技術(shù)[2]。國內西安熱工貢文政等[5]在小型熱模裝置上進(jìn)行了熔渣沉積形研究院開(kāi)發(fā)的二段式粉煤加壓氣化技術(shù)和華東理工態(tài)研究,研究了熔渣在氣化爐內的沉積特性。張建大學(xué)開(kāi)發(fā)的水冷壁粉煤加壓氣化爐也正在進(jìn)行工業(yè)法等[°以糖漿為模擬介質(zhì)研究了氣化爐渣口熔渣示范')]。水冷壁氣流床氣化爐的核心思想是“以渣的流動(dòng)特性。Seggani(7] 提出了描述渣層生成模型,抗渣" ,即利用煤在氣化過(guò)程中產(chǎn)生的大量熔渣,附通過(guò)建立質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒,然后運用有限差分著(zhù)在氣化爐內壁上形成具有較大熱阻的渣層,從而法進(jìn)行離散求解,研究了氣化爐內渣層溫度以及厚收稿日期:201109-22基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃"973"項目(2010C227005);國家自然科學(xué)基金資助中國煤化工作者簡(jiǎn)介:程相宜( 1983- -).男 ,碩士研究生,研究方向為氣流床氣化爐熔渣流動(dòng)，E-mail:cher:YHCNMHC數授.通信聯(lián)系人,E- mail:hfiu@ ecust. edu. cn。程相宣等水冷壁氣化爐熔渣流動(dòng)的實(shí)驗研究●59●度分布規律。Bingzhi等[8]基于Seggiani模型研究了氣保護通道,防止柴油潤濕灰渣導致噴嘴堵塞。鍋爐熔渣沿渣層方向的速度分布。劉升等191利用CFD商業(yè)軟件計算了Texaco氣化爐內分層流動(dòng)特性。Michael等[10]研究了渣層厚度沿爐膛高度的變化規律。Ni等["]研究了不同操作溫度下氣化爐內渣層內部的速度分布。但目前關(guān)于氣流床水冷壁氣化爐內壁面熔渣流動(dòng)與沉積的實(shí)驗結果仍極為缺乏,也限制了模型研究的進(jìn)-一步發(fā)展。本文基于實(shí)驗室小型氣流床水冷壁熱模平臺，以神府煤氣化灰渣、柴油和純氧為原料模擬氣流床水冷壁氣化實(shí)驗,采用高溫內窺鏡在線(xiàn)拍攝，圖2四通道 噴嘴結構示意圖成功觀(guān)測到了熔渣在氣化爐壁面的流動(dòng)與沉積現Fig.2 Schematie diagram of sructure of four -channel burmer象,得到了熔渣表面的流動(dòng)速度與爐壁溫度對應關(guān)系。為了縮短實(shí)驗周期,增強結渣效果,采用氣化灰渣代替粉煤進(jìn)料,輔以柴油伴燒,模擬氣流床水冷壁1實(shí)驗氣化過(guò)程中氣化殘渣在爐璧上的結渣行為。首先利1.1實(shí)驗裝 置及原料用柴油和氧氣預熱氣化爐,待熱電偶2處溫度達到圖1是實(shí)驗室小型水冷壁氣化熱模實(shí)驗流程，1150后,開(kāi)啟下料裝置,通過(guò)改變氧油比控制熱主要包括水冷壁氣化爐.數據采集系統和供料系統。電偶2處溫度。穩定下料1h后,爐壁掛渣達到平氣化爐采用單噴嘴頂置,高溫合成氣與熔渣由氣化衡。裝入內窺鏡,用攝像機拍攝水冷壁表面熔渣的爐下部排出,熔渣在爐膛水冷壁表面沉積,采用高溫流動(dòng)狀況。所選原料為神府煤氣化灰渣,灰熔點(diǎn)儀內窺鏡在線(xiàn)獲取熔渣流動(dòng)狀態(tài)。爐壁內設有熱電偶測得灰渣熔點(diǎn)見(jiàn)表1,黏度特性曲線(xiàn)由高溫黏度儀測量水冷壁表面爐膛溫度,熱電偶測得信號經(jīng)測得，見(jiàn)圖3。ADAM4018和ADAM4018+模塊轉化后,由T.控組態(tài)軟件MCGS顯示并存儲。復1 灰渣熔融溫度'Table 1 Fusion temperature of slag9下村裝界DYSTHT1 0681 1161125.1 130* DT為變形溫度;ST為軟化溫度;HT為半球溫度;FT為流動(dòng)溫度。冷印水、擬像機熱電偶1100r熱電偶2內窺鏡80熱電偶3可60'(化爐測溫模塊主40-“背介成(開(kāi)200,=1216C電腦圈1實(shí)驗室氣化爐.1200 1250 1300 _ 1350 1400 1450Fig.I lab-ecale gasifer圈3貼度特性曲線(xiàn)Fig.3 Vi中國煤化工"在氣化實(shí)驗過(guò)程中為實(shí)現灰渣的穩定進(jìn)料,采用四通道噴嘴,噴嘴結構如圖2所示。噴嘴設置氬由表1和圖;MYH用州六百較低的熔CN MHG.●60●化學(xué)工程2012 年第40卷第3期融溫度,其流動(dòng)溫度僅為1130C,臨界黏度溫度2.3氣化爐內熔渣的形態(tài)和熔渣沉積過(guò)程0。為1216C。高于臨界黏度溫度的熔渣黏溫曲2.3.1氣化爐內熔渣的形 態(tài)線(xiàn)為由于氣化爐苛刻的環(huán)境,對熔渣形態(tài)的研究μ(θ) =Ae"o .1)大多都是在冷態(tài)下進(jìn)行1213]。本文通過(guò)內窺鏡在式中:μ為黏度,0為溫度,A,B為常數。A=1. 096 x熱態(tài)下研究熔渣形態(tài),如圖5所示。由圖可明顯10-6 ,B=19694?？闯?高于臨界黏度溫度的灰渣處于熔融狀態(tài)。1.2 圖像采集與處理實(shí)驗結果直觀(guān)地證明氣流床氣化爐是以液態(tài)方式圖像采集使用的是CESYCO高溫內窺鏡(法國排渣。西諾光學(xué)貿易有限公司)及BB-500CL攝像機(丹麥JAI公司)。攝像機所用快門(mén)速度為15幀/s,曝光時(shí)間為1/4 000 s,拍攝所得最大分辨率為2562 x2 048像素。圖像處理和計算所使用的軟件為美國國家衛生所開(kāi)發(fā)的ImageJ 圖像處理軟件。首先將圖像轉化成8位灰度圖，然后測量某- -質(zhì)點(diǎn)在一定時(shí)間內通過(guò)的距離,即可算出熔渣流速。(a)2結果與討論2.1 渣層表面及冷卻水進(jìn)出口溫度實(shí)驗過(guò)程中，爐膛溫度隨時(shí)間的典型變化情況如圖4所示。在預熱階段,采用柴油和氧氣混合進(jìn)料,爐膛溫度迅速上升。加入渣粉后,爐膛火焰變得十分明亮。沿爐膛軸向向下溫度逐漸降低。內窺鏡附近爐膛溫度高于熔渣的臨界黏度溫度。lb團5熔融熔渣1 400Fig.5 Molen slag1 20010002.3.2熔渣的沉積, 80(熔渣在氣化爐附壁沉積是水冷壁氣化爐安全D 60十熱電偶1穩定運行的關(guān)鍵。國內外學(xué)者就熔渣顆粒的附壁◆熱電鶴2400-←熱電偶3沉積做了大量研究工作(1415)。實(shí)驗中,用內窺鏡拍攝熔渣的附壁沉積發(fā)現,打在渣層表面的熔渣100 150 200 250顆粒主要被渣層吸收,沒(méi)有觀(guān)測到被反彈的熔渣顆粒。選取觀(guān)測到的最大的顆粒沉積過(guò)程如圖64渣層表面溫度-時(shí)間曲線(xiàn)所示。顆粒從到達壁面到被渣層吸收需要的時(shí)間Fig.4 Temperature-time curves of slag surface大約為0.60s。.2.2出口 氣體組成2.4爐膛溫度對液態(tài)渣表面速度的影響在氧氣流量為160- -200 L/min, 柴油流量為待熔渣沉積達到平衡后,用高溫內窺鏡觀(guān)測5 kg/h, 灰渣流量為15 kg/h實(shí)驗條件下,從渣口出壁面處渣層狀態(tài),為便于特征識別，將圖片轉換為來(lái)的合成氣經(jīng)干燥瓶和洗氣瓶干燥凈化后進(jìn)入氣相灰度模式,如圖7所示。爐膛溫度高于臨界黏度質(zhì)譜儀檢測分析,可知合成氣CO2,CO, CH,,H,Ar溫度后, 可以觀(guān)測到熔渣有明顯的流動(dòng)現象。跟組成。其中CO+H2體積分數為40%- -63% ,爐內蹤拍攝氣化爐墮盧甘中國煤化工功軌跡，可為還原性氣氛,實(shí)現氣化爐熔渣在還原性氣氛下的根據其在一定:YHCNM HG榕渣表面流動(dòng)環(huán)境。的流動(dòng)速度。程相宣等水冷 憶氣化爐熔渣流動(dòng)的實(shí)驗研究●61表面流動(dòng)速度為v(θ) =Pg cos(β)8u^[-)刮(2)式中:ax= -In" ,μ.為固態(tài)渣層表面黏度,μ為液態(tài)渣層表面黏度;0為液態(tài)渣層表面熔渣流動(dòng)速度;ρ為溶渣密度;δ為液態(tài)渣層厚度;β為傾斜角。把(a)1 0s式(1)在Sθ=θ-θv≤110處泰勒展開(kāi),為v(0) =ao +a,0+a2Qo' +0(00* ) (3)式中:ao,a,az為常數。結合式(1)可算得“=0.002 75 ,因在實(shí)驗范圍內,0θ=θ-θ≤110,故二次項和一次項相比可忽略,所以o(0) =b+c(θ-0.)(4)(b)r 0.33s式中:b,c為常數。圖8為熔渣表面流動(dòng)速度與溫度的關(guān)系,由圖可知熔渣表面流動(dòng)速度隨著(zhù)熔渣溫度升高而增大，基本成線(xiàn)性增加。神府煤臨界黏度溫度θ. =1216C,根據實(shí)驗數據擬合可得b=-4.87x10-3 ,c=2.84x10-* ,相關(guān)系數為0.989。2.95(c)1- 060s2 90---擬介值圖6熔渣沉積過(guò)程Fig.6 Slag deposition prorssE 2.80-2.752.701220 1240 1260 1280 I 3001320 I 340θ/C圄8溫度對熔渣表面速度的影響Fig. 8 Elfect of slag temperature on slag surface velocity(a)1 05(b1 0267s3結論本文基于實(shí)驗室氣流床水冷壁熱模實(shí)驗平臺，以神府煤氣化灰渣和柴油為原料模擬氣流床水冷壁氣化實(shí)驗,利用高溫內窺鏡在線(xiàn)拍攝熔渣的沉積與附壁流動(dòng)規律,實(shí)驗結果表明:灰渣顆粒和液態(tài)渣層碰撞時(shí),主要會(huì )被液態(tài)渣層吸收;渣層表面溫度高于臨界黏度溫度時(shí),渣層處于流動(dòng)狀態(tài);液態(tài)熔渣表面的流動(dòng)速度和溫度有關(guān),溫度越高,速度越大,基本(o1 0 467.(d)1 0800、成線(xiàn)性增加。圖7 熔渣流速的測量F'ig. 7 Measurerment of slayg vrlorily中國煤化工參考文獻:CNMHG由Seggiani模型可得渣層處于穩定狀態(tài)時(shí)熔渣[1] BREAULT Rv. 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