氣化爐輻射廢鍋上部空間熔渣的流動(dòng)特征

第41卷第10期化學(xué)工程Vol.41 No. 102013年10月CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Oct.2013氣化爐輻射廢鍋上部空間熔渣的流動(dòng)特征王劍，梁欽鋒,沈中杰，許建良，劉海峰(華東理工大學(xué)煤氣化及能源化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗室上海煤 氣化工程技術(shù)研究中心，上海200237)摘要:國內氣化爐在長(cháng)周期運行中曾數次出現大塊熔渣堵塞渣池出口的現象,嚴重制約了工業(yè)化裝置的經(jīng)濟、安全、穩定運行。為了探討大渣塊形成的原因,文中搭建了氣化爐及下部輻射廢鍋冷模裝置,以糖漿作為介質(zhì)模擬熔渣,對熔渣離開(kāi)氣化爐渣口后，在輻射廢鍋上部空間的流動(dòng)特征進(jìn)行了實(shí)驗研究,考察了模擬介質(zhì)黏度和渣口氣速對熔渣流動(dòng)特征的影響。研究發(fā)現:熔渣離開(kāi)渣口落人廢鍋并非自由沉降過(guò)程,而是在人口處氣流射流作用下發(fā)生破裂，由液膜形成液絲。當渣口氣速較高時(shí),部分熔渣在回流區氣流卷吸作用下開(kāi)始沉積到廢鍋壁面。熔渣在廢鍋壁面上的沉積率隨著(zhù)渣口氣速的增大而增大,隨著(zhù)模擬介質(zhì)黏度的增大而減小。而熔渣沉積區域離渣口的距離隨著(zhù)渣口氣速的增大而減小，隨著(zhù)模擬介質(zhì)黏度的增大而增大。關(guān)鍵詞:氣化爐;輻射廢鍋;熔渣流動(dòng)中圖分類(lèi)號:TQ 545文獻標識碼:A文章編號:1005-9954(2013) 10-0058-05DOI:10. 3969/j. issn. 1005-9954. 2013. 10. 014Characteristic of slag flow in upper space of gasificationradiant syngas coolerWANG Jian, LIANG Qin-feng, SHEN Zhong-jie , XU Jian-liang, LIU Hai-feng( Key Laboratory of Coal Gasifcation and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education,Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East ChinaUniversity of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)Abstract:In China, there are often big slag blockage at the slag tap hole region of entrained-low gasifier duringlong time operation, which is an important threat to the economic, safe and stable operation of industrializationdevice. In order to explore the reason of slag blockage at the slag tap hole region of gasifier, a cold-model ofgasifier and radiant syngas cooler was set up to observe the flow characteristics of slag in the upper space of radiantsyngas cooler ( RSC) with syrup as the medium. The effects of medium viscosity and air velocity on the :characteristics of slag flow were investigated. The results indicate that the slag is broken up to slender liquidfilaments by the inlet jet flow rather than flows into a water quenching system vertically under the force of gravity.When the air velocity is relatively high, a part of the filaments begin to deposit on the wall of RSC by the .recirculating gas flow. The increase of air velocity enhances the deposition rate， while the increase of mediumviscosity decreases the deposition rate. The distance between the deposition area of slag and slag tap hole decreaseswith the increasing of air velocity, and increases with the increasing of medium viscosity.Key words : gasifier; radiant syngas cooler; slag flow氣流床氣化爐碳轉化率高、負荷大、煤種適應性表明 ,在長(cháng)周期運行中曾數次出現大渣塊堵塞渣池出廣,是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流"。輻射廢鍋作為口,甚至形成灰渣堆積到氣化爐內的現象,嚴重制約一種高溫高壓合成氣的余熱回收設備,通常直接安裝了工業(yè)化裝置的經(jīng)濟、安全、穩定運行2。因此研究在氣化爐底部。近年來(lái)國內工業(yè)氣化爐的運行結果熔渣在輻射廢鍋壁面上的沉積規律具有重要意義。收稿日期:2012-12-17基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(973)(2010C22700S);國家高技術(shù)研究中國煤化工:國家自然科學(xué)基金資助項目(21106046);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目( NCET-08-077作者簡(jiǎn)介:王劍( 1983-),男,博士研究生,研究方向為氣化爐渣口熔渣流動(dòng),電話(huà):1MYHCN M H Gy 163. com;劉海峰，教授,通信聯(lián)系人,電話(huà):(021 )64251418 E-mail:hliu@ ecust. edu. cn。王劍等氣化爐輻射廢鍋 上部空間熔渣的流動(dòng)特征●59●國內外- -些學(xué)者對氣化爐壁上熔渣的沉積進(jìn)行35p了實(shí)驗及數值模擬研究[141。Segianil0) 提出了渣層生成模型,通過(guò)求解質(zhì)量和能量守恒方程組,得到了渣層厚度以及溫度分布特性,并對變工況條件下渣層厚度變化趨勢進(jìn)行了分析預測。Ni 等[0]利用商用CFD軟件,建立了氣流床氣化爐內熔渣貼壁流動(dòng)和相變模型,該模型深入分析了近壁面低溫高黏塑68101214161820222426性流體的流動(dòng),考慮了溫度對導熱系數以及表面張圈2糖漿的黏度溫度曲線(xiàn)力對熔渣流動(dòng)特性的影響。Liu 等"、Sun 等[2]、Fig.2 Vscoity-temperature curve of syupYang等”分別對Texaco氣化爐Shell 氣化爐和新型清華妒壁面渣層的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了研究。袁宏實(shí)驗裝置流程如圖3所示,主要由4部分組成:宇等I*.以石蠟作為模擬介質(zhì),研究了熔渣在氣化爐--是供氣系統，主要由鼓風(fēng)機、流量計組成:二是供壁面上的流動(dòng)沉積規律。程相宣等^5)在實(shí)驗室小糖漿系統,主要由壓力罐、氮氣鋼瓶、分配罐、溢流槽型水冷壁氣流床氣化爐上,采用高溫內窺鏡研究了組成;三是由氣化爐、輻射廢鍋及二者接口組成的系熔渣的沉積和流動(dòng)過(guò)程。統;四是實(shí)驗測量系統,主要由攝像機、電子秤組成。由于輻射廢鍋內部結構復雜,工作條件苛刻,相氣化爐按幾何相似原則等比例縮小,實(shí)驗采用的冷關(guān)熱模實(shí)驗研究難以展開(kāi)。本文采用冷模研究方模氣化爐體和輻射廢鍋由有機玻璃制成,氣化爐爐法,用糖漿模擬液態(tài)熔渣流動(dòng),開(kāi)展了熔渣離開(kāi)渣口膛直徑和高度分別為0.4 m和0.43 m,拱頂高度進(jìn)入輻射廢鍋上部空間的流動(dòng)特征實(shí)驗,探討氣化0.15 m,氣化爐頂部人口直徑為0. I m, 接口段和輻爐渣池內形成大渣塊的原因及影響因素。射廢鍋的高度分別是0.14m和1 m。木1實(shí)驗系統實(shí)驗采用糖漿來(lái)模擬液態(tài)熔渣流動(dòng),液態(tài)熔渣與糖漿的物性參數見(jiàn)表1。由表1可知,糖漿的黏溢流想度范圍與液態(tài)熔渣相當,只是密度稍小。圖1和圖2分別為液態(tài)熔渣和糖漿的黏度η隨溫度θ的變79接一上濟口化圖。對比2圖可知,隨著(zhù)溫度的變化,糖漿黏度的品分段1C招像機流敏計變化與液態(tài)熔渣也相似。壓力罐鼓風(fēng)機表1液態(tài)熔渣 和糖漿的物性參數Table 1 Physical propeties of liquid slag and syrup回收桶樣品黏度/(Pa.s)_ 密度/(kg.m2)液態(tài)熔渣5-252 535電子梓糖漿.4.41- -29.621330.圖3實(shí)驗流程Fig.3 Flow chart of expeimental processs5「0來(lái)自鼓風(fēng)機的空氣經(jīng)氣化爐頂部進(jìn)入氣化爐,輸送罐中的糖漿在壓力罐內氣體壓力的作用下,經(jīng)分配罐沿6個(gè)管道均勻流進(jìn)溢流槽后,沿著(zhù)氣化爐內壁均勻地向下流出渣口。實(shí)驗開(kāi)始前,用電子秤=...標定渣口糖漿的流量;實(shí)驗開(kāi)始后,用流量計控制空氣流量,攝像機捕捉糖漿流動(dòng)形態(tài)。當沉積在輻射9320 1360 1400 1440 1480 1520廢鍋上的糖中國煤化工,實(shí)驗即終止。團1液態(tài)熔渣 的黏度溫度曲線(xiàn)在100%負荷YHCNMHGuo為10m/s,Fig. | Viscosity-ternperature curve of liquid slag糖漿流量為0. 22 kg/min?；瘜W(xué)工程2013 年第41卷第10期2結果與討論2.2.1模擬介質(zhì)黏度對渣口熔渣流動(dòng)形態(tài)的影響2.1氣相流場(chǎng)煤在氣化過(guò)程中生成的大部分灰燼在高溫下變輻射廢鍋內氣體的流動(dòng)可視為典型的受限容器為液態(tài)渣并在重力作用下沿氣化爐壁流到爐底,以中渣口直徑為d的圓形射流過(guò)程16-17]。在本文實(shí).液態(tài)形式排出爐外。為使氣化爐能順利排渣,通常驗中,渣口直徑d為70 mm,輻射廢鍋直徑D為184其液態(tài)渣的黏度在5- -25 Pa.s。由此,設計了改變mm。因此,在輻射廢鍋?lái)敳繒?huì )存在一高速射流區,模擬介質(zhì)黏度的實(shí)驗,研究黏度對熔渣流動(dòng)形態(tài)的射流周邊存在明顯的回流區,隨著(zhù)射流逐漸衰減后，影響。 渣口氣速u(mài)o為10 m/s時(shí),模擬介質(zhì)黏度η輻射廢鍋下半段的流場(chǎng)結構更加簡(jiǎn)單,趨向于管流改變時(shí)的實(shí)驗結果見(jiàn)圖6。流動(dòng),流場(chǎng)示意見(jiàn)圖4。(a)n =29.62Pa.s(b)n =20.58Pa.s(cin=14.96Pa.s(d)n=10.28Pa.s↓↓I -射流區;II回流區;Ml -管流區34 輻射廢鍋內氣體流動(dòng)過(guò)程示意圄Fig.4 Diagram of gas flow process in Radiant Syngas Cooler圉6黏度對熔渣流動(dòng)行為的影響Fig.6 Inluence of viscosity on flow behavior of slag2.2熔渣離開(kāi)渣口的流動(dòng)形態(tài)圖5(a)為輻射廢鍋內沒(méi)有氣體流動(dòng)時(shí),模擬介由圖6可知,隨著(zhù)模擬介質(zhì)黏度的改變,其形成質(zhì)離開(kāi)渣口的流動(dòng)圖,可見(jiàn)其在接口段沿壁面作層的液絲數目會(huì )發(fā)生變化。表2為不同實(shí)驗工況下的流流動(dòng),當到達接口段出口時(shí),熔渣形成環(huán)形收縮液液絲個(gè)數統計數據。從表2可以看出,渣口氣速一膜,并自由沉降落人廢鍋;但是當輻射廢鍋內有氣體定時(shí),隨著(zhù)模擬介質(zhì)黏度的增大,黏性力會(huì )抑制和阻流動(dòng)時(shí),接口段表面出現了明顯的波紋,而環(huán)形液膜礙氣流擾動(dòng)波的增長(cháng),因此由液膜形成液絲的數量受廢鍋人口高速氣體射流作用而破裂,由液膜形成降低;模擬介質(zhì)黏度-定時(shí),隨著(zhù)渣口氣速的增大,液絲,液絲因回流區氣體的卷吸作用均勻地粘附到廢鍋人口處氣流的射流作用增強,液膜破裂形成的廢鍋壁面上,具體見(jiàn)圖5(b)。液絲數量增加。表2液絲個(gè)數Table 2 Number of liquid ligamentsuo/(m.s"')η/(Pa.s)-10202:3029.621- -22-32-320. 5814.964.416-76-8中國煤化工(a)(b)圉5熔渣流動(dòng)形態(tài)典型圄2.2.2渣[YHCNMHG影響Fig.5 Typical images of slag flow patterm實(shí)際生產(chǎn)中,當渣口發(fā)生堵渣時(shí),該處氣速可高●62化學(xué)工程2013 年第41卷第10期100r[4] HSH, WU Y x, WHITTY K J. Ash deposition beha-vior during char-slag transition under simulated gasifica-80tion conditions[J]. Energy & Fuels, 2010, 24 (3):o1868-1876.E。40η/(Pa.s) .[5] NARUSE I, KAMIHASHIRA D, MIYAUCHI Y, et al.量29.62◆20.58Fundamental ash deposition characteristics in pulverized0coal reaction under high temperature conditions { J].+4.41Fuel, 2005, 84(4): 405- 410.0 1s20 25 30[6LIXY,uGY,CAOZD,etal.Researchonflowu/(m's'characteristics of slag flm in a slag tapping gasifier[J]. .圖10不同黏度 下氣速對沉積率的影響Energy & Fuels, 2010, 24(9): 5109-5115.Fig. 10 Effect of gas velocity diference on deposition[7] 韓志明，李政,倪維斗. Shell氣化爐的動(dòng)態(tài)建模和仿rate at different values of viscosity真[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 1999, 39(3):2.4渣池 出口堵塞機理分析11-114.上述實(shí)驗研究表明,當渣口氣速較高時(shí),由于輻[8] 周俊虎,匡建平,周志軍,等.粉煤氣化爐噴嘴受熱射廢鍋人口氣體的射流和回流區氣流的卷吸作用，分析和渣層模型的數值模擬[J].中國電機工程學(xué)報,2007, 27(26): 23-29.熔渣離開(kāi)渣口落人廢鍋過(guò)程中會(huì )部分沉積到廢鍋壁[9] SEGCIANI M. Modelling and simulation of time varying面上。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,不斷沉積在廢鍋壁面上的slag flow in a Prenlo entrained -low gasifier[J]. Fuel,熔渣因水冷壁的冷卻吸熱而凝固增厚。當渣層生長(cháng)1998, 77(4): 1611-1621.到--定厚度時(shí),可能因重力大于渣與壁面間的黏合[10] NIJJ, ZHOUZJ, YU Gs, et al. Molten slag flow and力而整塊掉落,堵塞渣池出口。因此,熔渣在水冷壁phase transformation behaviors in a slagging entrained-面的沉積生長(cháng)涉及到復雜的熱質(zhì)傳遞和相變過(guò)程,flow coal gasifer[J]. Industry & Engineering Chemistry本文的冷模實(shí)驗方法已不再適合探討這一問(wèn)題，今Research, 2010, 49(23): 12302-12310.后可采用其他方法進(jìn)- -步研究。[11] LIU Sheng, HAO Yingli. Numerical study on slag flow inan entrained-low gasifer{ C} // ASME International Me-3結論chanical Engineering Congress and Expositional. NewYork: AMER Soc Mechanical Engineers, 2008: 793-(1)熔渣離開(kāi)渣口并非自由沉降過(guò)程。渣口氣800.速較低時(shí),熔渣不會(huì )沉積在輻射廢鍋壁面上;但是當[12] sUN B, LIU Y w, CHEN X, et al. Dynamic modeling渣口氣速較高時(shí),因廢鍋人口氣體的射流和回流區and simulation of shell gasifer in ICCC[J]. Fuel Pro-氣流的卷吸作用,部分熔渣將會(huì )沉積在廢鍋壁面上。cessing Technology, 2011, 92(8): 1418-1425.(2)隨著(zhù)模擬介質(zhì)黏度的降低、渣口氣速的增[13] YANGZ w, WANGz, WUY x, et al. Dynamic model大,熔渣的液絲數量增加,熔渣在廢鍋壁面上的沉積for an oxygen-staged slagging entrained flow gasifer[J].率增大,同時(shí)熔渣沉積區域向渣口靠近。Energy & Fuels, 2011, 25(8) : 3646-3656.[14]袁宏宇， 瞿海根，任海平，等.氣流床氣化爐熔渣沉參考文獻:積模擬實(shí)驗研究[J].華東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)[1] 王輔臣，于廣鎖，龔欣，等.大型煤氣化技術(shù)的研究版, 2005, 31(3): 393-397.與發(fā)展[J].化工進(jìn)展, 2009, 28(2) :173-180.[15] 程相宣,侯國君，梁欽鋒，等.水冷壁氣化爐熔渣流2] 李繼炳,湯永新,蘆濤,等.皖北劉二煤在Shell氣流動(dòng)的實(shí)驗研究[J].化學(xué)工程, 2012, 40(3): 58-62.床氣化過(guò)程中熔渣形成機理初探[J].化工時(shí)刊,[16] 戴干策.化工流體力學(xué)[ M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009, 23(5): 4246.[3] U BZ, BRINK A, HUPA M. Simpified model for deler-[17]王輔臣，龔欣,代振華,等. Shell 粉煤氣化爐的分析mining local heat fAlux boundary conditions for slagging與模擬[J].華東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2003,wall[J]. Energy & Fuels, 2009, 23(7): 3418-3422.29(2) :202-205.中國煤化工HCNMHG