新型干煤粉氣化爐數值模擬研究

第45卷第4期吊爐技術(shù)Vol. 45, No.42014年7月BOILER TECHNOLOGYJuly.，2014新型干煤粉氣化爐數值模擬研究倪建軍'，崔潔'(1. 上海鍋爐廠(chǎng)有限公司，上海200245; 2. 中國船舶重工集團公司第七一-研究所，上海201108)摘要:針對一種新型氣渣分流式干煤粉氣化爐進(jìn)行數值模擬研究,利用數值模擬方法對新型氣化爐進(jìn)行三維建模,采用Relizablek-e模型封閉湍流方程,應用隨機軌道模型計算煤粉顆粒流流動(dòng),利用未反應核縮芯模型和渦擴散模型(Eddy-isipation concept, EDC)分別模擬顆粒表面的化學(xué)反應和均相反應過(guò)程,采用P1輻射模型考慮了熱輻射氣體的輻射傳熱作用。研究結果表明:新型氣化爐采用中上部多噴嘴干煤粉切向進(jìn)料，爐內渦旋流動(dòng)明顯,流場(chǎng)十分復雜,顆粒在氣流夾帶和離心力作用下甩向壁面沉積形成液態(tài)渣膜，干煤粉氣化反應在高溫、高壓下幾乎瞬間完成,爐內溫度分布和氣體組分分布吻合。關(guān)鍵詞:新型氣化爐; 干煤粉氣化;數值模擬中圍分類(lèi)號:TK221文獻標識碼:A文章編號:1672-4763(2014)04-0018-05的測量十分的困難,因此采用數值模擬的方法0前言對爐內熱態(tài)情況進(jìn)行研究具有重要的指導意煤氣化技術(shù)最早誕生于19世紀末,從早期義中。本文將對上海鍋爐廠(chǎng)有限公司自主開(kāi)發(fā)的固定床常壓低溫氣化技術(shù)發(fā)展到現在已有一的新型干煤粉氣化爐進(jìn)行數值模擬研究,以期百多年歷史,按照反應器類(lèi)型可分為三類(lèi):固定為后續的設計放大提供技術(shù)支撐。床、流化床和氣流床。目前,氣流床氣化爐被認.1 物理模型.為是第三代氣化技術(shù)而廣泛應用,其主要具有高溫高壓操作,處理負荷高,運行指標優(yōu)和煤種適新型氣化爐的4個(gè)燒嘴沿氣化爐圓周同應性強等特點(diǎn)。氣流床氣化技術(shù)從燃料分類(lèi)又平面上均勻布置,故氣化爐滿(mǎn)足采用四分之一可分為干煤粉氣化和水煤漿氣化兩類(lèi)。周期性邊界計算條件。本文數值模擬方法采用Shell氣化技術(shù)是具有代表性的先進(jìn)干煤粉六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格相結合的方法,其中氣化技術(shù),采用千粉進(jìn)料,冷壁式氣化技術(shù),從六面體網(wǎng)格占比超過(guò)95% ,經(jīng)網(wǎng)格獨立性計算，理論上對煤種的適應性非常強,低灰熔點(diǎn)煤的最終確定的計算網(wǎng)格數量為388 815。為取得氣化通常采用水煤漿氣化技術(shù),而理論上在新氣化爐內精確流場(chǎng)特征,燒嘴結構完全按照工型氣化爐中的應用比水煤漿氣化更加高效，但業(yè)上使用的干煤粉氣化燒嘴,未進(jìn)行燒嘴通道實(shí)際卻出現了水冷壁無(wú)法正常掛渣、合成氣冷的簡(jiǎn)化處理,氣化爐壁面按照壁面熱損失2%計卻器結垢嚴重,以及干合成氣飛灰過(guò)濾器濾芯算。燒嘴進(jìn)料采用質(zhì)量人口,氣化爐出口采用頻繁斷裂、碳轉化率低、CO變換催化劑失活等壓力出口,對于離散相,煤粉顆粒跟蹤數目為問(wèn)題。從氣化爐形式角度分析,Shell氣化技術(shù)8550個(gè)。采用了氣渣分流的形式,渣主要靠重力作用向本文研究的新型氣化爐操作壓力4.0 MPa下流動(dòng),合成氣向上排出,存在渣的流動(dòng)動(dòng)力不(G),處理量為2 500 t/d,4個(gè)燒嘴均勻進(jìn)料,煤足形成堵渣等風(fēng)險。氣化爐內屬于高溫高壓的種工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1所示，煤灰流動(dòng)溫多相化學(xué)反應流動(dòng),對爐內的流動(dòng)與各種參數度1270C,中國煤化工MYHCNMHG收稿日期:2014-02- 20基金項目:上海市青年科技啟明星計劃(14QB1401700)作者簡(jiǎn)介:倪建軍(1983 -),男,工學(xué)博士,工程師，主要從事煤化工與電廠(chǎng)環(huán)保新技術(shù)的研發(fā)工作..第4期倪建軍,等:新型干煤粉氣化爐數值模擬研究19表1原煤分析數據工業(yè)分析元素分析: Qxv.e/(M].kg-")MaAu_VdFCtHOuSaga212. 531. 0556. 4560. 333.629.950.690.4122. 94煤裂解模型(8]，根據表1中煤粉元素分析數據，2數學(xué)模型用元素平衡方法進(jìn)行估算。2.1連續相與離散相控制方程2.3煤粉顆粒表面反應根據文獻報道和選用不同模型的計算比較，氣化爐內,熱解后的半焦與氧氣、CO2、H2O綜合考慮計算量與精度的關(guān)系,選用Realizable和H2發(fā)生非均相化學(xué)反應。由于焦炭與H2的k-e模型對雷諾平均后的N-S方程進(jìn)行封閉?；瘜W(xué)反應速率非常小，故本文只考慮焦炭與氧不同粒徑顆粒群在氣化爐內的運動(dòng)、分布情氣CO2和H2O的非均相反應。況采用隨機軌道模型在拉格朗日坐標系下考察，C+0.5O2→CO,-111 kJ/mol(R1)采用雙向耦合算法考慮顆粒相與連續相間的相C+CO2“→2CO, + 172 kJ/mol(R2)互作用。建立顆粒與連續相熱平衡計算方程,可C+H20- +CO+H,+ 131 kJ/mol (R3)解顆粒相溫度為:采用未反應核縮芯模型來(lái)模擬顆粒表面的=hAp(T,- Tp) +epApσ(昨- - T) (1)化學(xué)反應,化學(xué)反應速率受擴散與本征動(dòng)力學(xué)共t同控制。式中:m,-顆粒質(zhì)量,kg;C- 熱容,J/K;表2非均相化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)常數[4]- 溫度,C;反應_ A./[kg.m'/(Pa^s')~']E,/(kJ.mol-1) n ψ- 發(fā)射系數;C+O21.36X1060.68 14C+CO2178. 0.53 2.表面積,m2;C+ H2O2. 89X 10'2520.602氣相溫度,C;-對流換熱系數, W/(m2.K);2.4氣相化學(xué)反應0k一輻射溫度,C;氣相的化學(xué)反應主要有兩部分,一是爐內氣- Stefan-Boltzmann常數。體的燃燒反應;二是CH和CO與水的可逆反顆粒與氣體對流換熱系數h根據RanzMar-應,具體反應如下:shall關(guān)系式計算:CO+0.5O2-- +CO2,- 283 kJ/mol(R4)Nu= hde=2. 0+0. 6(Ref"Pr/3) (2)H2 +0.5Or-→H2O,-242 kJ/ mol(R5)k式中:d,顆粒直徑,m;CH,+0.5O2-- +C0+2H2,-35.7 kJ/mol (R6)-連續相導熱系數,W/(m*.K);CO+H2O-"→CO2 +H2,-41.1 kJ/mol (R7)Res --顆粒相對雷諾數;CH, +H2O-- +CO+3H2,+206 kJ/ mol (R8)Pr---連續相普朗特常數。對于氣相化學(xué)反應,采用渦擴散EDC模2.2煤粉脫揮發(fā)分型[5]進(jìn)行處理,氣化爐內各反應參數的具體數值在氣化爐內,顆粒相與氣相發(fā)生復雜的物理見(jiàn)表3所示。與化學(xué)反應過(guò)程,包括煤漿顆粒的蒸發(fā)、脫揮發(fā)表3均相化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)常數[6-8]分、焦炭燃燒及均相氣體的燃燒與變換反應,其A/[kg.m2●(Pa-N.s)-'] E,/(J.kmol-1) p過(guò)程可表示如下:6. 8X 10151. 68X 10*揮發(fā)分(V)→a2CH,(or Cr Ho)+asCO+2. 2X 10121. 67X 10*a,CO2+ asH2 +an H2O+中國煤化工10*k,agN2+agH2S(3)ks.YHCNMH G10對于揮發(fā)分析出過(guò)程V1采用兩步競爭反應kjs2. 75X 10108. 38X 107模型,對于揮發(fā)分分解過(guò)程的具體含量按Davidke2. 65X10-23. 96X 10*鍋爐技術(shù)第45卷2.5輻射模型的火焰由于切向射流而相互抑制，與文獻[10]所干煤粉氣化爐內含有一定量的H2O和報道的對撞式撞擊火焰產(chǎn)生向上和向下撞擊火焰COr ,對輻射具有強烈的吸收作用。爐內的光學(xué)存在較大差別。由于切向旋轉,火焰單側被拉長(cháng)，厚度大于1,因此采用較為簡(jiǎn)單的P1模型計算爐旋流平面中心產(chǎn)生一低溫區,最低溫度約1 239內的輻射傳熱[9]。C。旋轉氣流沿氣化爐簡(jiǎn)體向上流動(dòng)過(guò)程中,溫度先升高再降低,出口溫度約1360C。3模型驗證本文對某化工廠(chǎng)新型氣化爐的設計進(jìn)行了模擬分析,其中操作條件見(jiàn)表4。由于該裝置處于設計階段,尚未有實(shí)際運行數據,因此采用過(guò)程模擬軟件模擬數據用于模型檢驗。表5給出2種方法模擬得到的出口氣體組成、溫度和碳轉化率,從表5中可以看出,2種方法模擬得到的數據吻合較好。*z表4氣化爐操作條件圖1氣化爐軸截面溫度場(chǎng)(單位:K)變量參數氣化壓力/MPa(G)4.0粉煤流量/(kg.h-)103 968輸送氮氣/(kg.h-1)9 936煤粉密度/(kg*m-°)1200氧氣流量/(kg.h-)68853.6.氧氣濃度0. 996水蒸氣量/(kg.h-1)5 198. 4表5新型氣化爐 出口氣體組成、圖2氣化爐軸截面顆粒濃度場(chǎng)(單位:kg/m*)溫度和碳轉化率項目數值圖3顯示了新型氣化爐軸截面上煤粉顆粒Aspen Plus本文模型濃度分布情況，從圖中可以發(fā)現,燒嘴上下側近61.1461. 81CO21.82 .1. 59壁面顆粒濃度較低,而顆粒在旋轉向上氣流的夾H228. 9129. 84帶和重力的雙重作用下,在氣化爐的中上部和底H2S0.430.32部錐形渣口近壁面富集。由于新型氣化爐采用H2O2.832.37合成氣與熔渣并流設計,熔渣在重力和氣流夾帶CH,0. 040. 03的雙重作用下向下流動(dòng)最終覆蓋整個(gè)氣化爐水4. 834.04CO+ H290. 0591. 65冷壁簡(jiǎn)體表面,與Shell氣化爐氣、渣分流式設計碳轉化率99.199.5.存在明顯差異["。T/C1 3531 3664結果分析新型氣化爐的4個(gè)燒嘴沿爐本體圓周均勻布置在氣化爐中下部,圖1顯示了新型氣化爐軸截面上的溫度分布?？梢园l(fā)現，氣化爐高溫區主要集中在燒嘴_上下部區域。從圖2的燒嘴噴射的火中國煤化工焰截面也可以看出,氣化火焰溫度最高超過(guò)3000CNMHG圖3噴嘴截面 溫度場(chǎng)(單位:K)°C,火焰呈擴散發(fā)射狀,最寬射流火焰圓周約350~400mm。從圖3中還可進(jìn)一-步發(fā)現,燒嘴噴射圖4顯示了新型氣化爐內軸截面三維流線(xiàn).第4期倪建軍,等:新型干煤粉氣化爐數值模擬研究情況。從圖4中可以看出，氣化爐內流場(chǎng)復雜，煤粉氣化明顯。干煤粉氣化的合成氣變化主要存在十余個(gè)旋流渦區,燒嘴的高速射流產(chǎn)生了燒集中在燒嘴氣化和燃燒的高溫區域附近,在旋流嘴上下側的卷吸回流渦,因4個(gè)燒嘴射流切向旋中心的合成氣有效氣組成濃度相對較高。隨著(zhù)轉射流,在氣化爐燒嘴截面中心形成了較大的負水煤氣變換反應和碳顆粒氣化反應的發(fā)生,氣化壓旋流渦(如圖5所示),以致使旋流渦上下側氣爐內合成氣組成沿氣化爐向上有一定的變化。流分別被卷吸進(jìn)人渦旋。在氣化爐底部，合成氣其中CO2和水蒸氣在燒嘴氣化火焰出濃度相對夾帶灰渣顆粒并流流出氣化爐;從圖5中還可以集中，煤粉中約2%的水蒸氣在瞬間被完全脫出，看出,在燒嘴切向角度為4°時(shí),燒嘴截面中心旋碳顆粒在揮發(fā)分析出后發(fā)生少量的燃燒反應。流渦直徑約為氣化爐直徑的1/3, 旋流渦中心流隨后碳顆粒與水蒸氣和CO2發(fā)生反應,CO2和水速接近于0,燒嘴與燒嘴之間的空隙區域流速比蒸氣作為氣化劑，濃度逐漸降低。量的燃燒反較均勻,形成平均速度約4.8 m/s的旋轉流場(chǎng)，應,隨后碳顆粒與水蒸氣和CO2發(fā)生反應,CO2和且從圖中可以發(fā)現，旋轉流速的線(xiàn)速度逐漸降水蒸氣作為氣化劑,濃度逐漸降低。低,旋轉直徑隨之減小，研究還發(fā)現物流在氣化0206名爐內的最長(cháng)停留時(shí)間超過(guò)15 s,為氣化反應的進(jìn)0.303. 4行提供了足夠的反應時(shí)間,該指標超過(guò)了合成氣r 0.3069分流式設計的Shell 干粉氣化技術(shù)1],有利于碳轉化率的提高。0.303 40.302們(b) H2.圖4氣化爐軸截面速度場(chǎng)(單位:m/s)口(e)CO2為，(d)H20圖6氣化爐軸截面氣體組成濃度分布圖5噴嘴截面速度分布(單位:m/s)5結語(yǔ)圖6顯示了新型氣化爐內的主要氣體組成通過(guò)數值模擬方法對工業(yè)規模新型氣化爐CO、H2、CO2和H2O的摩爾濃度分布情況。從進(jìn)行了模擬研究,給出了新型氣化爐的流場(chǎng)、溫圖中可以看出,新型干煤粉氣化與文獻[4]報道度場(chǎng)、合成氣濃度分布等相關(guān)信息,主要得出如.的水煤漿氣化存在一定差別,主要體現為反應速下結論:度和合成氣組成。由于水煤漿氣化過(guò)程中有脫(1)新中國煤化工中在燒嘴平水環(huán)節,且內部反，應動(dòng)力學(xué)特征與干粉氣化存在面上下區域:YHCNMHG達到約3000差異,故反應速率和反應結果與干粉氣化不同，C,火焰穩定,且不會(huì )直接射向爐壁。水煤漿氣化爐的合成氣組成濃度分布階梯較干(2)多股切向射流燃燒流股在燒嘴平面形成.22鍋爐技術(shù)第45卷強力漩渦,帶動(dòng)了氣化爐內空間的旋流流動(dòng)，整Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51:個(gè)氣化爐內旋流流場(chǎng)明顯,顆粒旋流使顆粒在離2560- 2569.心力和慣性力的作用下向壁面流動(dòng),氣渣并流可[5] Magnussen, B. F.; Hjertager, B. H. On MathematiealModels of Turbulent Combustion with Special Emphasis on使氣化爐內溫度分布和熔渣貼壁分布更加合理Soot Formation and Combustion[C]. 16th Symp. (Int.)內勻。Combust. , [Proc. ] 1976, 719-729.(3)干煤粉氣化與水煤漿氣化存在較大差[6] Choi YC, LiX Y, Park TJ, et al. Numerical study on the異,合成氣組成分布與溫度變化相對應,旋流中coal gasification characteristics in an entrained blow coal gas-ifier[J]. Fuel, 2001, 80:2193 - 2201心存在溫度最低點(diǎn)和有效氣成分濃度最高。[7] Jones, W. P. ;Lindstedt, R. P. Global Reaction Schemes綜上所述,通過(guò)數值模擬的方法可以準確for Hydrocarbon Combustion[J]. Combust. Flame, 1988,得出新型氣化爐在高溫高壓下運行時(shí)的爐內73, 233 - - 249.參數特征,為實(shí)際工業(yè)運行提供技術(shù)指導和參考。lyzed and Wall-Catalyzed Forward Water-Gas Shift ReactionKinetic[J]. AIChE J.2005, 51 <5)， 1440- 1454.[9] Chen C X, Horio M, Kojima T. Numerical simulation of en-參考文獻:trained flow coal gasifiers Part I: modeling of coal gasifica-[1]于海龍,劉建忠,張超,岑可法等.多噴嘴對置與新型水煤漿tion in an entrained flow gasifier [J]. Chemical Engineering氣化爐氣化的對比[J].煤炭學(xué)報,2007 ,32(5) :526 - 530.Science, 2000, 55: 3861 - 3874[2] Kobayashi H, Howard J B,Sarofim A F. Coal Devolailia-[10] Jianjun Ni, Qinfeng Liang, Zhiie Zhou, Zhenghua Dai,tion at High Temperatures. In 16th Symp. (Intl. ) on Com-Guangsuo Yu. Numerical and experimental investigationsbustion[C]. The Combustion Institute. 1976on gas-particle flow in the Opposed Multi-burner Gasifier[3] David M. Mathematical models of the thermal decomposition[J]. Energy Conversion and Management, 2009，50(12):of coal[J]. Fuel, 1983, 62: 534 -5393035- 3044.[4] Sun Zhonghua, Dai Zhenghua, Zhou Zhiie, Guo Qinghua,[11]倪建軍,崔潔,張建文,等. Shell 干煤粉氣流床氣化爐數值u Guangsuo. Numerical simulation of industrial opposed模擬研究[J].鍋爐技術(shù),2014,45(1); 47-53.multiburner coal-water slurry entrained flow gasifier [J].Numerical Study of New-Type Dry Pulverized Coal GasifierNI Jian-jun'，CUI Jie'(1. Shanghai Boiler Works, Co.，Ltd. ，Minhang District Shanghai 200245, China;2. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108，China)Abstract: A comprehensive three dimensional numerical model is developed for simulation ofthe industrial scale new type gasifier. The dry pulverized gasification process is divided intoseveral submodels. The Realizable k-ε model is applied to close the Reynolds averaged Navier-Stokes equation for gas phase, and the Random- Trajectory model is used to simulate the be-havior of particle flow in gasifier. Water evaporation, coal pyrolysis, and homogeneous andheterogeneous char reactions are all considered. The P1 model is adopted to calculate the radi-ative heat transfer in gasifier. The numerical model is performed to simulate the industrialscale new type gasifier, the predicted results indicated that the coal particle enrich on the wallabove the burner and bottom of gasifier, the particle is effected by centrifugal force, so steadyslagging flow can be formed on the surface of the cold-water wall. Furthermore, the eddyeffect also led the particle flow to the wall of gasifier and deposited, and the slag formed onthe wall of gasifier will molted and flow down from the t中國煤化工ure andsyngas composition distribution in the gasifier is agreed well.YHCNMHGKey words: new- type gasifier; dry pulverized coalgasification; numerical simulation