氣流床氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布

第59卷第1期L學(xué)報Vol.59 No. 12008年1月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)January 2008geeccccccccs研究簡(jiǎn)報資氣流床氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布許建良，代正華，李巧紅，李偉鋒，劉海峰，王輔臣，于遵宏(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200237)關(guān)鍵詞:撞擊流;多噴嘴氣化爐; Texaco 氣化爐;停留時(shí)間分布中圖分類(lèi)號: TK 229.6; TQ 021. 4文獻標識碼: !文章編號: 0438-1157 (2008) 01 -0053-05Particle residence time distributions in entrained-flow gasifierXU Jianliang, DAI Zhenghua , LI Qiaohong, LI Weifeng, LIU Haifeng, WANG Fuchen, YU Zunhong(Key Laboratory of Coal Gasification, Ministry of Education, East China Universityof Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: The particle residence time distributions in the entrained-flow gasifier as the importantparameters in the gasification process were studied by using a new stimulus response method. Thedifferences of the particle residence time distributions in the opposed multi- burner entrained-flow(OMBEF) and Texaco gasifier were compared. The influence of gas velocity and particle diameter onparticle residence time distributions was discussed. The experimental results showed that the new stimulusresponse method was reliable and could be used to measure the particle residence time distributions in theentrained-low gasifier and the particle residence time in the OMBEF gasifier was more favorable than inthe Texaco gasifier. The results also showed that with increasing gas velocity and decreasing particlediameter, the mean and variance of particle residence time increased in both kinds of entrained-flowgasifier.Key words: impinging streams; multi- burner entrained-flow gasifier; Texaco gasifier; residencetime distributions離開(kāi)床層。典型的氣流床氣化技術(shù)有Texaco水煤引言漿氣化技術(shù)、Shell 粉煤氣化技術(shù)和華東理工大學(xué)氣流床氣化技術(shù)因具有煤種和粒度適應性強、開(kāi)發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)。操作壓力和溫度高、碳轉化率高、生產(chǎn)強度大等特目前對氣固兩相流停留時(shí)間的研究主要集中于點(diǎn)，而廣泛應用于煤氣化領(lǐng)域。氣流床內物料運動(dòng) 循環(huán)流化床和固定床內顆粒停留時(shí)間分布。如特點(diǎn)是煤粉顆粒與氣化劑同時(shí)進(jìn)入氣化爐，顆粒在Harris等[-]采用磷光示蹤法系統研究了循環(huán)流化氣流的曳力作用下彌散于整個(gè)床層內并最終被夾帶床內顆粒停留時(shí)間分布，Barysheva 等(1] 采用光學(xué)2007-06-21收到初稿，2007- 08 - 16收到修改稿。Received date: 2007-06-21.聯(lián)系人:劉海峰。第一作者:許建良(1981-), 男，博士研中國煤化Iifeng. E- mail; hliu@究生?；痦椖?國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目:HCNM H G、National Beasic Research(2004CB217703);教育部新世紀人才支持計劃項目(NCET 05-Program of China (2004CB217703).0413);長(cháng)江學(xué)者和創(chuàng )新團隊發(fā)展計劃項目(IRT0620)?；W(xué)報第59卷法研究了固定床內顆粒運動(dòng)軌跡和逗留時(shí)間。對氣流床內顆粒停留時(shí)間分布的研究開(kāi)展得很少，目前的研究主要集中于氣相系統，如于遵宏等[56]研究.了Texaco氣化爐內氣相停留時(shí)間分布，趙鐵均[]采用氫氣脈沖法研究了多噴嘴氣化爐內氣體停留時(shí)間分布，許壽澤等[89]采用馬爾可夫鏈模擬了多噴嘴對置式氣化爐中氣體停留時(shí)間分布。由于爐內流體屬氣固多相流體系，氣相的停留時(shí)間分布和混合φ280|爹行為不能反映顆粒在氣化爐內的停留時(shí)間分布及其混合行為。而在工業(yè)運用中，煤粉顆粒的停留時(shí)間.對碳轉化率和合成氣組成具有十分重要的意義(0]。為此，本文采用一種合適的實(shí)驗方法，對氣流床氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布進(jìn)行研究。1實(shí)驗部分圖1氣化爐結構圖實(shí)驗采用高度為1000 mm、直徑為280 mm的Fig. 1 Gasifier configuration有機玻璃氣化爐模型，其結構如圖1所示。該裝置.的爐壁側面和頂部分別設有安裝多噴嘴氣化爐噴嘴查直查查和Texaco氣化爐噴嘴的噴嘴室。噴嘴直徑分別為點(diǎn)d8、16 mm。實(shí)驗用固相顆粒為經(jīng)去離子水洗滌后的玻璃微珠，其質(zhì)量流量為105 kg●h~,顆粒密度為2490 kg.* m-',其粒徑范圍分為46. 9~94.8A|7T7μm和150~250μm，采用Beckman激光測粒儀測量顆粒粒徑，用Rosin-Rammler分布計算平均粒8業(yè)g徑為75、199 μm。顆粒示蹤劑為KCl溶液浸泡后10的玻璃微珠(經(jīng)過(guò)濾，干燥處理)。實(shí)驗流程如圖[]2所示:高壓鋼瓶氣體經(jīng)減壓閥后分別壓迫4個(gè)加B 1213 14料罐內的玻璃微珠和鼓風(fēng)機產(chǎn)生的高速氣流在三通圖2實(shí)驗流程圖處混合，經(jīng)氣化爐的4個(gè)噴嘴噴出進(jìn)入氣化爐;示Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus蹤劑在電磁閥和氣動(dòng)閥組合控制下瞬間進(jìn)入噴嘴1- steel bottle; 2- valve; 3--pressure gauge;(當用于測量Texaco氣化爐內顆粒停留時(shí)間時(shí),4- Venturi tube; 5- particle feed tank; 6- -computer;顆粒和示蹤劑的加料位置置于氣化爐頂部)。在氣.7- conductivity detector; 8- gasifier; 9- flow meter;10-- air compressor; 11- -particle rover tank;化爐出口有一股連續流動(dòng)的去離子水用于溶解黏附12- - measure systemn; 13- - water pump;在示蹤劑顆粒表面的氯化鉀粉末。采用電導率儀連14- deionized water tank續測量溶解在去離子水中的氯化鉀離子濃度來(lái)測量氣化爐內的顆粒停留時(shí)間分布曲線(xiàn)，測量信號經(jīng)計化學(xué)示蹤法、放射物質(zhì)示蹤法[1]、顆粒提取.算機處理后輸出，其中采用頻率為100 Hz。法[18)、熒光法[4]和著(zhù)色示蹤法[5]等。本實(shí)驗采用化學(xué)示蹤法對氣化爐內顆粒停留時(shí)間進(jìn)行研究。2結果與討論顆粒停留時(shí)間測量的準確性主要受示蹤劑種2.1實(shí)驗方法 可行性研究類(lèi)、中國煤化工三方面的影響。本氣固兩相流中固體顆粒停留時(shí)間的測量是-.個(gè)實(shí)驗MHCNMHG化鉀溶液充分浸泡比較困難的問(wèn)題，特別是對于顆粒逗留時(shí)間短的氣(經(jīng)過(guò)濾和干燥處理)的玻璃微珠顆粒，因此示蹤流床氣化爐系統。目前顆粒停留時(shí)間的測量方法有劑和實(shí)驗顆粒具有相同的物理性質(zhì);采用精密的電第1期許建良等:氣流床氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布55磁閥和氣動(dòng)閥組合控制示蹤劑在瞬間加入到噴嘴2.2最短停 留時(shí)間的定義內。在溶解測量系統中(圖 2B)，去離子水流中顆最短停留時(shí)間是指顆粒從進(jìn)入氣化爐到開(kāi)始有粒體積分數約為0.07,顆粒在連續流動(dòng)的去離子顆粒出氣化爐的時(shí)間，是影響碳轉化率的重要參水中呈懸浮狀態(tài)。由于示蹤劑的量很少，而且其表數，其定義如圖5所示。面的KCl極易溶于水，因此示蹤劑表面的KCl的.8+溶解速率很快，通過(guò)實(shí)驗測得當經(jīng)歷0.1s時(shí)約有91%的KCl溶解到去離子水中。為了驗證實(shí)驗方.6-法的可行性，分別測量了顆粒在整個(gè)系統和示蹤劑加入與溶解測量系統中(圖2A、B)的逗留時(shí)間4-言‘分布。圖3給出了顆粒在整個(gè)系統及示蹤劑加入與.2-溶解測量系統中的停留時(shí)間分布(RTD)。從圖中可以看出，顆粒在系統A+B中的逗留時(shí)間是很短的，而且基本處于平推流運動(dòng)。因此在實(shí)驗中，采0.1.1.5.0 25 3.0用直接方法去除該段時(shí)間。圖5最短停 留時(shí)間的定義本文對同一工況進(jìn)行了8組以上平行實(shí)驗，圖Fig. 5 Definition of lag time τ for paricle RTD4給出了某一工況下測量得到的8組電壓信號，從圖中可以得出該實(shí)驗具有良好的重復性。2.3氣化爐 內顆粒停留時(shí)間分布圖6是顆粒直徑為75 pm,氣速分別為25、.---RTD in injection and detection system,100 m.s-'下Texaco氣化爐和多噴嘴氣化爐內顆m=0.36s, σ=0.042s2-粒停留時(shí)間分布函數圖。從圖中可以看出顆粒在兩RTD in whole system,0-m 2.62s, σ=1.38s種氣化爐內的分布是不同的。相比而言，多噴嘴氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布要窄，而且在2s前，流瓷出的Texaco氣化爐的顆粒質(zhì)量分數要遠大于多噴4嘴氣化爐(見(jiàn)表1)。圖7~圖9分別給出了不同氣速下顆粒在兩種氣化爐內的平均停留時(shí)間、方差和最短停留時(shí)間。從圖中可以看出，多噴嘴氣化爐內20 12/s的顆粒平均停留時(shí)間與Texaco氣化爐基本相等，圖3顆粒在整個(gè)系統及加入 與.但方差要小，而顆粒最短停留時(shí)間卻要大很多。造檢測系統中的停留時(shí)間分布成如此大差別的原因可能是Texaco氣化爐內，屬Fig. 3 Particle RTD in whole system and受限射流的流場(chǎng)，部分流體和顆粒因短路而直接出injection and detection system氣化爐，造成顆粒的最短逗留時(shí)間較小;同時(shí)射流|2流股因卷吸和壁面的束縛作用而形成一個(gè)大的回流區，顆粒在氣化爐內的返混增大，導致顆粒具有較10大方差。而在多噴嘴氣化爐內，由于4個(gè)噴嘴的軸線(xiàn)與氣化爐軸線(xiàn)垂直，出噴嘴后的顆粒在慣性和相向運動(dòng)的氣流作用下來(lái)回振蕩運動(dòng)，最后在徑向加速和重力作用下離開(kāi)撞擊流股和撞擊區。撞擊的作用導致顆粒在撞擊區內的停留時(shí)間延遲，避免了Texaco氣化爐中的短路現象。另外由于4股流體.81的撞中國煤化工約流體和顆粒速度減小，|YHCNMHG昆合更為均勻，因圖4實(shí)驗數 據的重復性此多噴嘴氣化爐內顆粒的返混和死區比Texaco氣Fig. 4 Reproducibility of RTD measurement化爐要小。.56●學(xué)報第59卷表1不同時(shí)刻離開(kāi) 氣化爐的顆粒質(zhì)量分數Table 1 Mass fraction of particles leaving gasifier with different time intervalsF(I)Gasifierua(/m.g-1 一t=0.2st=0.6st=1.0st=1.4 st=1.8st=2.0sOMBEF250. 000. 100. 390.570.64.000.00.0.000.160.330. 40Texaco0. 130. 350. 520. 630. 680.090.210. 340.44.0.48Note: dp = 75 pm.1.0F4, d:=75μm, Texaco gasifier口dp=75μm, OMBEF gasifier0.8▲d=199um, Texaco gasifir30 d;=199μm, OMBEF gasificr25 m●s- OMBEF gasiier. 0.- 100 m. sI OMBEF gasifier一- 25 m. s " Texaco gasifier0.4----- 100m* s' Texaco gasifier20.2601280100tisug/m.s'圖6多噴嘴 氣化爐與Texaco氣化爐內顆粒圖8多噴嘴氣化爐與 Texaco 氣化爐內顆粒停留時(shí)間方差停留時(shí)間分布Fig. 8 Particle variance residence time in opposedFig.6 Particle RTD in opposed multi burnermuli-burner entrained flow and Texaco gasifierentrained-flow and Texaco gasifier (d, =75 pum)■dp=75yum, Texaco gasifier= dp=75um, Texaco gasifier。d;=75μm, OMBEF gasifer。d;=75μm, OMBEF gasifier▲dp=199μm, Texaco gasifier▲dp=199um, Texaco gasifier0 dp=199um, OMBEF gasifier0 dp=199μm, OMBEF gasifier告合:%2060u/m.s'ug/m.st圖7多噴嘴氣化爐與Texaco氣化爐內顆粒平均停留時(shí)間圖9多噴嘴氣化爐 與Texaco氣化爐內顆粒最短停留時(shí)間Fig.9 Particle lag time in opposed multi- burnerFig. 7 Particle mean residence time in opposedentrained flow and Texaco gasifiermulti- burner entrained-flow and Texaco gasifier隨氣速的增大，顆粒在兩種氣化爐內的平均停和回流速度增大，顆粒的返混和回流也增強，導致留時(shí)間和方差均增大。對于Texaco 氣化爐，隨氣顆粒平均停 留時(shí)間和方差增大。隨氣速增大，氣化速增大，爐內氣體的回流量和回流速度增大[16]，爐噴中國煤化_順粒最短停留時(shí)間顆粒的返混和回流也增強，導致顆粒平均停留時(shí)間臧小THCN MH.G流動(dòng)的一個(gè)重要因和方差增大。對于多噴嘴氣化爐，隨氣速增大，-方面氣固兩相的速度比增大，顆粒在撞擊區內的振素，對顆粒平均停留時(shí)間、方差和最短停留時(shí)間都蕩和逗留時(shí)間增大;另一方面，爐內氣體的回流量有影響。從圖7~圖9中可以得出，顆粒的直徑增第1期許建良等:氣流床氣化爐內穎粒停留時(shí)間分布大，兩種氣化爐內的顆粒平均停留時(shí)間、方差和最Chemical Engineering Journal, 2003, 91; 219-225短停留時(shí)間都減小，這與顆粒直徑對顆粒的跟隨性[5Yu Zunhong (于遵宏)，Gong Xin (龔欣)，Shen Caida(沈才大)，Yu Jianguo (于建國)，Wang Fuchen (王鋪的影響一致。臣)，Xiao Kejian (肖克儉). Mathematical model of3結論residence time distribution on gasifier. Joural of ChemicalEngineering of Chinese Univrsities (高?；瘜W(xué)工程學(xué)報)，采用一種新型脈沖示蹤法測量了多噴嘴氣化爐1993，7 (4): 322-329[6]Wang Fuchen (王輔臣)，Gong Xin (龔欣)，Wu Tao (吳和Texaco氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布，分析了氣韜)，Yu Guangsuo (于廣鎖)，Yu Zunhong (于遵宏).速對兩種氣化爐內顆粒停留時(shí)間分布的影響，得出Investigation of macro mixing process for jet entrained以下結論。gasifier ( I ): Clod model residence time distribution.(1)本實(shí)驗采用的脈沖化學(xué)示蹤法具有良好的Journal of Chernical Industry and Engineering (China) .(化工學(xué)報)，1997， 48 (2): 200-207重復性和可靠性，可以用于氣流床氣化爐內顆粒停[7Zhao Tiejun (趙鐵鈞). Jetting behavior and global mixed留時(shí)間的研究。behavior study of tetra-nozle impinging steam reactor(2)由于氣化爐結構的不同，顆粒停留時(shí)間分(TISR) [D]. Shanghai: East China University of Science布在Texaco氣化爐和多噴嘴氣化爐中有很大的差[8and Technology, 2000異。通過(guò)研究發(fā)現，顆粒在多噴嘴氣化爐內的停留Xu Shouze (許壽澤)，Yu Guangsuo (于廣鎖)，L.iangQinfeng (梁欽鋒)，Niu Maoren (牛苗任)，Yu Zunhong時(shí)間分布要比Texaco氣化爐更為合理。(于遵宏)。Applying Markov chain to simulate residence(3)隨氣速的增大，兩種氣流床氣化爐內的顆time distribution of gasifier. Chemical Reaction Engineering粒停留時(shí)間和方差都增大，而顆粒最短停留時(shí)間and Technology (化學(xué)反應工程與工藝)，2006, 22 (3):240-245減小。[9]Xu Shouze (許壽澤)，Yu Guangsuo (于廣鎖)，Liang(4)隨顆粒粒徑的增大，兩種氣流床氣化爐內Qinfeng (梁飲鋒), Niu Miaoren (牛苗任)，Yun 2unhong的顆粒停留時(shí)間、方差、最短停留時(shí)間都減小。(于遵宏). Stochastic model of residence time distribution inopposed ter burner gasifier. Journal of Fuel Chemistry符號說(shuō)明and Technology (燃料化學(xué)學(xué)報)，2006, 34 (1): 30-35Rabits M C. van den Houten G J, et al. Modelling ofE (t)-停留時(shí)間分布密度函數，s-1residence time distribution in entrained flow coal gasificationF (t)-停留時(shí)間分布函數reactor. Chemsa, 1983, 9 (11); 220-223m一平均停留時(shí)間，s[11]Rhodes MJ, ZhouS, et al. 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