氧煤比對氣流床煤氣化過(guò)程的影響

第9卷第2期熱科學(xué)與技術(shù)Vol.9 No.22010年6月Journal of Thermal Science and TechnologyJun. 2010文章編號: 1671-8097(2010)02-0177-06DOI: 10.3969/j. issn. 1671-8097. 2010. 02. 015氧煤比對氣流床煤氣化過(guò)程的影響陶明春'，杜敏'，郝英立"1,2(1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096;2.東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，江蘇南京210096 )摘要:為研究氧煤比對氣流床煤氣化爐氣化過(guò)程的影響,對某廠(chǎng)運行的Texaco氣化爐進(jìn)行了數值模擬研究.利用所建立的數學(xué)模型,分析了Texaco 氣化爐內的氣化過(guò)程,以及氟煤比對爐內溫度、氣相咸分及爐膛出口合成氣成分的影響規律。結果表明:Texaco氣化爐內下行火焰的長(cháng)度約占氣化爐高度的1/3.爐膛上部火焰高度區城內氣相溫度及主要咸分濃度的變化梯度最大,而在爐膻下部氣相咸分及溫度的變化均不明顯;隨著(zhù)氧煤比的增大(0.95~1.10),氣化爐出口合成氣有效成分(H2+CO)濃度逐漸降低,CO2和H2O的濃度及氣化爐內氣相溫度逐漸升高;在保證順利排渣和合適的出口合成氣成分的條件下,存在一個(gè)最佳氧煤比。關(guān)鍵詞: Texaco氣化爐;氣化過(guò)程;數值模擬;氟煤比中圖分類(lèi)號: TK546文獻標識碼: Afunction,PDF)模型對Texaco氣化爐的氣化過(guò)程0引言進(jìn)行了數值模擬,并分析了煤漿濃度等操作參數煤氣化是煤高效清潔利用的重要途徑之一，對氣化過(guò)程的影響。文獻[6]則采用渦量-流函數特別是氣流床煤氣化技術(shù)以單爐容量大、煤種適方法和EBU模型對水煤漿試驗臺進(jìn)行了二維數應性好、碳轉化率高、變負荷能力強等特點(diǎn)而備受值模擬。關(guān)注?；剂系目焖傧?以及人們對環(huán)境要求文獻[7]針對Texaco水煤漿氣化爐發(fā)展了的日益嚴格,進(jìn)一步促進(jìn)了該技術(shù)的迅速發(fā)展.一套完整的數學(xué)模型,充分考慮了水煤漿液滴中Texaco氣化爐是-種應用比較多的氣流床水分的蒸發(fā)、揮發(fā)份的析出、氣體與焦炭顆粒間異煤氣化技術(shù),其以水煤漿為原料,純氧為氣化劑，相反應和氣相中均相反應等過(guò)程,以及氣化過(guò)程在爐內高溫、高壓、強烈湍流和混合條件下,進(jìn)行中顆粒粒徑變化的影響,并采用工業(yè)運行數據驗復雜而劇烈的煤氣化反應,進(jìn)而生成工程需要的證了模型的正確性。文獻[7]還對Texaco氣化合成氣。由于其苛刻的運行條件和復雜的反應過(guò)爐內的氣固兩相流,溫度和成分濃度分布,以及煤程,數值模擬已成為預測Texaco氣化爐氣化特性的有效手段.李政等[11在Wen和Chuang[C2)所建漿濃度對氣化性能的影響進(jìn)行了分析研究。本文模型的基礎上建立了完整的小室模型，能夠對在文獻工作基礎上,對Texaco氣化爐內氣化過(guò)Texaco氣化爐出口合成氣成分進(jìn)行有效預測,但程,及氧煤比對氣化過(guò)程的影響做進(jìn)-步研究,為該模型不能給出爐內的流動(dòng)過(guò)程.文獻[3-5]分別工業(yè)氣化爐的運行提供理論依據.采用簡(jiǎn)化概率密度函數(possibility density1研究對象及數學(xué)模型中國煤化工收稿日期: 2010-03-17;修回日期: 2010-04-20.基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃資助項月(2010C227002).MHCNMHG作者簡(jiǎn)介:青明春(1982-),男,碩士生，主要從事煤的潔凈燃燒與氣化研究郝英立(1963-),男 ，遼寧沈用人，博士，救授，博士生導師，主要從事多相流理論與應用、煤的潔凈燃燒與氣化、微尺度流動(dòng)與傳熱研究. E-mail: haoy@seu. edu. cn178熱科學(xué)與技術(shù)第9卷1.1研究對象運動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生氣化還原反應,同時(shí),氣相與氣Texaco氣化爐是典型的氣流床煤氣化爐。相之間存在著(zhù)同相反應,最終生成合成氣。爐內本文的模擬對象是某廠(chǎng)運行的1臺8.5 MPa.日主要反應見(jiàn)表1,這些反應與氣相湍流間存在著(zhù)消耗煤約1000t的高壓Texaco水煤漿氣化劇烈的相互作用,本文采用有限速率模型對爐內爐[間,其主要結構和尺寸見(jiàn)圖1.該氣化爐高度化學(xué)反應過(guò)程進(jìn)行模擬。水煤漿氣化過(guò)程的詳細約為7.3 m,內徑約為2.1 m.水煤漿及純氧(氣描述見(jiàn)文獻[7].化劑)經(jīng)爐膛頂部外混式三通道噴嘴高速?lài)娙藲鈚 1水煤漿氣化反應模型化爐內。其中,在標準大氣壓下純氧體積流量為.Tab.1 Chemical reactions for slurry gasification23 231 m2/h,煤漿體積流量為50. 78 m2/h,煤漿主要反應.質(zhì)量分數為60%。在噴嘴處,水煤漿在純氧的高水分燕發(fā)(MJ●kmol-)速沖擊下被霧化成幾十微米的煤漿液滴,經(jīng)過(guò)復Slurry一+Coal+H2O (g)吸熱雜的氣化反應生成的合成氣,由爐膛底部出口排脫揮發(fā)份Coal-→揮發(fā)份十焦炭出。煤漿液滴反應后剩余的灰分則在爐內高溫條異相反應件下以熔融態(tài)存在,并在爐內復雜湍流運動(dòng)和顆C(s)+1/20%- +CO(R1) -111C(s)+O2-→+CO(R2)- 394粒慣性的作用下附著(zhù)于爐膛壁面,形成的液態(tài)渣C(s)+CO2-→2CO(R3)+172C(s)+ H2O (g)- +CO+H2(R4) +131層在重力的作用下沿壁面向下流動(dòng),由爐膛底部同相反應出口液態(tài)排渣.揮發(fā)份* +Or一→aCO2 +bH2O0+cC0+dHz +eCH,(不完全燃繞)(R5)放熱水煤漿+氧氣揮發(fā)份+O2 - +CO2+H2O(R6)Co+ H2O一CO2+H2(R7)-41*注:本模型中假設揮發(fā)份由可燃氣體CO、Hz和CH,等組成。采用Eulerian-Lagrangian 方法模擬Texaco氣化爐內復雜的氣固兩相流運動(dòng)。其中,氣相為有反應的連續介質(zhì),且為具有強烈回流的湍流流動(dòng),在Eulerian坐標系中采用帶旋流修正的Real-izable kε湍流模型[°0]進(jìn)行計算;霧化得到的水煤漿顆粒為離散相,在Lagrangian坐標系中采用牛頓第二定律計算其在氣相中的運動(dòng)軌跡。水煤漿出口顆粒在運動(dòng)過(guò)程中發(fā)生所含水分蒸發(fā)、揮發(fā)份析(渣+合成氣)出和化學(xué)反應,其粒徑隨之發(fā)生變化,粒徑變化過(guò)圖1Texaco氣化爐結構示意圖(單位:m)程的計算詳見(jiàn)文獻[7].另外,爐膛中的輻射傳熱Fig.1 Schematic structure of Texaco gasifier (unit:m)由P-1輻射模型計算。將這幾種模型聯(lián)立即可得1.2 數學(xué)模型到描述Texaco氣化爐爐膛內部氣固兩相運動(dòng)與在Texaco氣化爐中,經(jīng)噴嘴充分霧化而成氣化反應過(guò)程的熱態(tài)模型。的水煤漿液滴,被爐膛內的高溫回流氣體迅速加1.3邊界 條件和計算方法熱,煤漿液滴中的水分迅速蒸發(fā),進(jìn)而發(fā)生揮發(fā)份中國煤化工進(jìn)口邊界條件，的析出、揮發(fā)份與焦炭顆粒的燃燒等過(guò)程,同時(shí)氧并指YHCNMHG;出口采用壓力氣被迅速耗盡,在噴嘴下方形成一下行火焰。燃出口邊界條件;壁面為無(wú)滑移和定溫邊界條件.燒生成的高溫氣體及未燃燼的焦炭顆粒在向下游對于顆粒相,噴嘴出口處水煤漿已被充分霧化成.第2期陶明春等:氧煤比對氣流床煤氣化過(guò)程的影響179細小顆粒,并以一定的速度和質(zhì)量流量進(jìn)入爐膛;該區域逐漸變?yōu)檫€原環(huán)境,高溫燃燒氣驅動(dòng)部分當顆粒到達爐膛壁面時(shí),則被爐膛壁面上的液態(tài)還原反應(R3-R4)向右進(jìn)行,使得該區域CO和渣層所捕獲,當顆粒到達爐膛出口時(shí)則離開(kāi)氣化H2的濃度迅速增加。隨著(zhù)氧氣的進(jìn)- -步消耗,氣爐,終止該顆粒的跟蹤計算。相溫度及各主要成分濃度的變化趨勢變緩。當離.計算中,采用SIMPLEC算法計算氣相壓力噴嘴的距離約2.3 m時(shí),氧氣被全部耗盡,氣相速度耦合方程,采用--階迎風(fēng)格式離散控制方程溫度達到最大值?？梢?jiàn),爐內下行火焰的長(cháng)度約中的對流項,并采用氣化爐進(jìn)出口質(zhì)量差和爐內占氣化爐高度的1/3.隨著(zhù)離噴嘴距離的進(jìn)一步固定點(diǎn)溫度的穩定性作為判斷計算是否收斂的標增大,高溫燃燒氣驅動(dòng)吸熱的還原反應(R3-R4)準.向右進(jìn)行，使得爐內氣相中CO和H2的濃度有所增加,CO2和H2O的濃度有所減小，氣相溫度2結果與分析也相應降低。當離噴嘴的距離大于3 m時(shí),爐內2.1氣化過(guò)程分析 :各氣相成分濃度通過(guò)可逆反應(R7)達到平衡,又首先以文獻[8]提供的運行工況作為典型工由于氣相回流的存在[1]促進(jìn)了組分之間的混合,況對氣化反應過(guò)程進(jìn)行分析。圖2為模擬計算該使得爐膛下部氣相濃度及溫度的變化均不明顯。工況得到的氣化爐內橫截面上的氣相溫度和主要噴嘴附近區域的氣相溫度及主要成分濃度變成分濃度(本文所涉及的濃度均指氣體摩爾分數)化最為劇烈,且合成氣中的有效成分(CO+ H2)的平均值隨距噴嘴距離的變化。主要在這個(gè)區域產(chǎn)生,所以,該區域流場(chǎng)及化學(xué)反.0.45-應過(guò)程的良好組織對于整個(gè)氣化過(guò)程的效率及合成中有效成分的提高起到至關(guān)重要的作用.400Co2.2氧煤比對氣化 過(guò)程的影響:O20.15)0氧煤比是影響水煤漿氣化的重要因素之一，l20本文分別對氧煤比為0. 95.1. 00.1. 03.1. 05和0.001.10的5個(gè)工況進(jìn)行了模擬計算,其中氧煤比為H/m1. 00時(shí)的工況與實(shí)際運行工況- -致。圖2氣相成分濃度及溫度沿高度方向 上的圖3給出了不同氧煤比工況下氣相成分濃度變化規律及溫度沿爐膛高度方向的變化?？梢?jiàn),氧煤比對Fig.2 Variations of gas mole fractions and tempera-爐內成分濃度和溫度,以及出口合成氣有效成分ture along gasifier height(CO+ H2)含量的影響很大。隨著(zhù)氧煤比的提由圖2可見(jiàn),在噴嘴附近爐內平均溫度及主高,促進(jìn)了爐內燃燒反應(R1-R2 ,R5-R6) ,特別是要成分濃度的變化最為劇烈。在噴嘴附近,水煤完全燃燒反應(R2,R6)的進(jìn)行,使得爐內CO和漿液滴中的水分蒸發(fā)完畢后,析出的揮發(fā)份以及H2濃度的整體水平逐漸減小，而COz和H2O的.形成的焦炭顆粒與氧氣發(fā)生劇烈的燃燒反應濃度及爐內氣相溫度逐漸增加。隨著(zhù)更多氧氣的(R1-R2 ,R5-R6) ,形成一下行火焰,放出大量的熱加入,也使得爐內可燃氣體CO和H2等進(jìn)一步量,導致該區域內氧氣濃度急速減小,氣相溫度迅轉化為CO2和H2O,使得出口合成氣有效成分速升高,燃燒反應產(chǎn)物CO2和H2O的濃度增加。中國煤化工氣品質(zhì)變差。隨隨著(zhù)氧氣的迅速消耗,焦炭與揮發(fā)份的燃燒反應MHCN M H G溫度升高,爐膛出逐漸變?yōu)椴煌耆紵磻?R1,R5),使得該區域口合成氣CO2和H2O的濃度升高，而有效氣體CO和H2的濃度增加。另外,由于氧氣的消耗，成分(H2 +CO)含量逐漸降低(見(jiàn)圖4).所以在180熱科學(xué)與技術(shù)第9卷0.42-0.36-0.38-.34-1.05--.-- 0.95.32-1.10-- 1.032。8H/m68(a) CO濃度變化(b) H2濃度變化0.18-0.10-。0.160.0R 0.14..-.0.95--1.050.04-..0.950.12- 1.0-一1.101.030.10十士5τ56廣8HmHim(c) CO2濃度變化(d) H2O濃度變化0.801 900-0.7516000.70-.... 1.051 3001.00.- 1.10弄....0.95---1.050.65---1.10100十2↓↓古80.60士-一本6°g/m(e)溫度變化(f)有效成分濃度變化圖3不同氧煤比工況下氣相成分濃度及溫度沿爐膛高度方向的變化Fig.3 Variations of gas mole fractions and temperature along gasifier height for cases with different oxygen-coal ratios21 810.75FCO+Hz實(shí)際工業(yè)運行中,氧煤比的降低,既可降低氧耗，H1 7600.55又能提高合成氣中有效成分的含量。-1 710xTexaco氣化爐的排渣方式為液態(tài)排渣,工業(yè)0.3s-CO:+H2O1 660上通?？刂茪饣瘻囟雀哂诨胰埸c(diǎn)50C以上,防止0.1.95610出口處的結渣堵塞,以保證氣化爐的穩定運行,所瓦煤化以氧煤比中國煤花 工生的來(lái)說(shuō),在保白叢a制圖4氧煤比對出口合成氣成分及溫度影響證順YHCNMH(支分的條件下，Fig.4 Effect of oxygen-coal ratio on syngas compo-Texaco氣化爐運行甲存在一個(gè)最佳氧煤比。nent concentrations and temperature第2期陶明春等:氧煤比對氣流床煤氣化過(guò)程的影響[J]. ChemJ of Pow Eng, 2005, 25<2); 217-220.3結論(in Chinese)本文利用所建立的數學(xué)模型對某廠(chǎng)運行的[4] 賀阿特，馮胃，董紹平,等。德士古渣油氣化爐Texaco氣化爐進(jìn)行了數值模擬研究。通過(guò)對氣的數值模擬[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2001,15(6):化爐內氣化過(guò)程的模擬計算,發(fā)現該氣化爐運行526-531.中下行火焰的長(cháng)度約占氣化爐高度的1/3,且在HE A-te, FENG Xiao, DONG Shao-ping, et al.Comprehensive numerical model for residual oil火焰高度區域內氣相溫度及主要成分濃度的變化Texaco gasifier[J]. J of Chem Eng of Chinese最為劇烈;而在爐膛下部,氣相溫度及成分的變化Univ, 2001, 15(6) :526-531. (in Chinese)均不明顯。本文研究了氧煤比對氣化過(guò)程的影響規律,[5] 吳玉新，張建勝，王明敏，等.用筒化PDF模型對氣化爐運行特性的分析[J].中國電機工程學(xué)報，發(fā)現隨著(zhù)氧煤比的增大(0.95~1.10),氣化爐出2007, 27(32) :57-62.口合成氣有效成分(H2 +CO)濃度逐漸降低,而WU Yu-xin, ZHANG Jian-sheng, WANG Ming-CO2和H2O的濃度及氣化爐內氣相溫度逐漸升min, et al. Analysis of gasifcation performance of a高。在保證氣化爐順利排渣的前提下,實(shí)際工業(yè)Texaco gasifier based on presumed PDF Mode![J].運行中應該根據合成氣的不同用途設定合理的氧Proc of the CSEE, 2007 , 27(32):57-62. (in Chi-煤比,使工業(yè)運行效率最大化。nese)[6] LIU X J, ZHANG W R, PARK T J. Modeling參考文獻( References):coal gasification in an entrained flow gasifier[J].[1] 李政，王天驕，韓志明，等. Texaco煤氣化爐數Combust Theory and Modelling, 2001, 5(4) : 595-學(xué)模型的研究一-建模部分[J]. 動(dòng)力工程，2001,21608.[7] DU M, Hao Y, LIU s. Numerical study on coal(2) :1161-1168.LI Zheng, WANG Tianjiao, HAN Zhi-ming, etgasification in texaco entrained-flow coal gasifieral. Study on mathematical model of Texaco gasifier[C]. APPEEC2009, Wuhan, 2009.modeling[J]. Pow Eng.2001, 21 (2); 1161-1168.[8] 汪澤強，陳兆元,朱寧，等。煤氣化試車(chē)總結.[J].大氮肥, 2007 ,30(6) :430-433.2] WEN C Y, CHUANG T Z. Entrainment coal gasi-WANG Ze-qiang, CHEN Zhao-yuan, ZHU Ning,fication modeling[J]. Ind Eng Chem Process Deset al. Summary on commissioning of coal gasifica-Dev, 1979,18(4) :684-695.tion plant[J]. Large Scale Nitrogenous Ferilizer3] 于海龍，趙翔，周志軍，等.煤漿濃度對水煤漿Ind，2007, 30(6) :430-433. 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And the effectsof oxygen-coal ratio on the gas temperature, composition concentrations in the gasifier and the productgas compositions were obtained. The results show that the length of the downward flame is about onethird of the height of the gasifier. The variation gradients of gas temperature and main compositionconcentrations are the biggest in the zone about the height of the flame in the Texaco gasifier, and thechanges of gas temperature and compositions are not obvious in the lower part of the gasifier. Withincreasing oxygen-coal ratio (0. 95~ 1. 10), the concentration of effective composition (CO+ H2) inproduct gas decreases gradually, and the concentration of CO2 and H2O and the temperature in thegasifier increases gradully. There exists a best oxygen-coal ratio for ensuring the discharge of themolten slag smoothly and gaining the most suitable product gas components.Key words: Texaco gasifier; gasification process; numerical simulation; oxygen-coal ratio中國煤化工MYHCNMHG