新型干煤粉气流床气化炉的数值模拟

1、第35卷第3期煤 炭 学 报V o. l 35 N o . 3 2010年3月J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETYM ar .2010文章编号:0253-9993(2010 03-0481-05新型干煤粉气流床气化炉的数值模拟唐志国1, 2, 马培勇1, 俞 瑜1, 李永玲1, 邢献军1, 林其钊1(1 中国科学技术大学热科学和能源工程系, 安徽合肥 230026; 2 合肥工业大学机械与汽车工程学院, 安徽合肥 230009摘 要:为了考察基于无焰氧化技术所提出的新型干煤粉气流床气化炉的气化特性, 采用数值模拟对典型工况下高灰熔点煤粉在炉内气化过程进行了三

2、维模拟研究。结果表明, 该炉型结构能够使炉内温度场均匀, 平均温度水平上升, 气化强度增强, 从而实现了基于无焰氧化技术煤粉空间气化反应的基本特征; 温度峰值显著下降, 降低了对炉壁材料的要求; 同时, 排渣口处温度水平的升高使得灰渣的黏度降低, 有利于高灰熔点煤液态排渣的顺利进行。关键词:气化炉; 高灰熔点; 无焰氧化; 数值模拟中图分类号:TQ545 文献标志码:A收稿日期:2009-09-15 责任编辑:柳玉柏基金项目:安徽省科技攻关重点资助项目(07010202080作者简介:唐志国(1978 , 男, 安徽桐城人, 博士研究生, T e:l E -m ai

3、:l t zhguo ma il ustc edu cnNu m erical si m ulation of a ne w dry feed entrai ned flo w coal gasifierTANG Zh i guo 1, 2, MA Pe i yong 1, YU Yu 1, LI Yong li n g 1, X I N G X ian jun 1, LI N Q i zhao1(1 D e part m ent o f Ther m al Sc i ence and E nergy Eng i n ee ring, Universit y of S cie n ce and

4、 T ec hnology of Ch i na, H e fei 230026, C hina; 2 S c hool o f M ec hanical andA uto m obile Eng i neeri ng, H e fei Universit y of T ec hnology , H e fei 230009, China Abst ract :I n or der to study visua lly the fl o w and gasifi c ation characteristics o f a ne w gasifier wh ich w as put for w

5、ard based on fla m e less ox i d ation techno l o gy , three di m ensi o na l num erica l si m ulati o n of the gasifier for h i g h ash m elti n g po i n t pulverized coa lw as conducted . Fro m the resu lts o f the inner velocity , te m perature and species concentra ti o ns int h e gasifier , it

6、can be i n vesti g ated that te m perat u re fie l d i n the gasifier beco m e m ore even, average te m perat u re i n crea ses , the gasification i n tensity w ill be boost up according l y , spatial gasificati o n reacti o ns based on fla m e less ox idati o n can be ach ieved in the gasifier . An

7、d peak te m perature decreases re m ar kably in the gasifier , so the m aterial requ ire m ents for i n ner furnace w ill be reduced . M o reover , the te m perature at slag outlet also i n creases , w hich benefit to slag tapp i n g for the gasification o f h i g h ash m elti n g po i n t coa. lK e

8、y w ords :gasifier ; h i g h ash m elti n g po i n ; t fla m eless ox idati o n ; num erical si m u lation 煤炭气化技术是我国能源领域发展的重要方向和优先主题之一, 是 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 2020年 中明确的重要内容。我国煤炭的特点是 双高 煤种储量多:灰分高(平均23%, 灰熔点高(流动温度T F >1500 。其储量占总储量的50%左右, 而现有的气流床气化炉对灰熔点的上限均有限制1-3。因此, 立足于本国煤种的气化特点, 研发适应高灰熔点煤的新型工业气

9、化技术, 满足未来大规模气化需求, 具有重要的战略意义。无焰氧化技术(F la m eless Ox i d ation , FLOX 是一种20世纪90年代以来在国际燃烧领域得到迅速发展与应用的节能环保型先进燃烧技术, 与传统燃烧技术相比, 无焰氧化技术的显著优点在于燃料和氧化剂的燃烧充满整个炉膛空间, 没有局部的超高温火舌, 燃烧反应空间化, 反应区域温度分布均匀, 平均温度水平升高, 氧化反应强度增大, 扩展了燃料的燃烧范围等一系列优点4。鉴于此, 本课题组在分析无焰氧化技术的实现条件、形成机理及其实现途径的基础上, 将无焰氧化技术应用于高灰熔点煤气化中, 综合国内外先进气流床煤粉气化炉

10、的结构特点5, 提出了一种适合双高煤种气化的新型干煤粉气流床气化炉。对于这种新型气化炉的研究, 数学模型研究是一煤 炭 学 报2010年第35卷种有效的研究与分析手段6。为了解该新型煤粉气化炉炉内流场、温度场以及组分浓度场的分布特性, 进而深入研究其气化机理, 本文建立了新型煤粉气化炉物理和数学模型进行了数值计算, 并与试验结果进行比较。 1 研究对象及其数值模拟1 1 新型气化炉的物理模型本文进行数值模拟的物理模型为新型煤粉气化试验炉的三维气化空间, 并对实际气化试验炉进行了适当的简化处理, 将炉膛上端的圆角部分简化为圆柱结构, 下端部分则简化为倒置圆台结构, 如图1所示。新型气化炉采用立式

11、结构, 改变了传统气化炉将煤粉和气化剂通过同一喷嘴喷入炉内的进料方式, 将煤粉和气化剂分别由位于炉体上部同一高度水平面A -A 上的不同喷嘴以不同方式喷入炉内, 煤粉在载气的输送下由2个对置布置的径向喷嘴b 、d 对撞喷入炉内, 气化剂由2个平行于煤粉喷嘴并等距离偏置的相向喷嘴a 、c 高速切向喷入炉内, 喷入的两股气化剂在炉内形成旋转气流, 产生的合成气和液渣向下由炉底出口并流排出。图1 气化炉的物理模型F i g 1 P hysical mode l o f gasifi e r气化试验炉为干煤粉进料, 给煤量7 2kg /h。炉体内径0 32m, 净高0 55m , 高径比为1 7。使用

12、的煤种为高灰熔点煤, 灰渣流动温度T F >1470 , 其工业分析和元素分析见表1。在煤粉颗粒粒径分布上, 90%左右的煤粉颗粒直径介于590 m 之间, 颗粒直径大于90 m 的占10%左右。气化剂采用纯氧和水蒸汽。表1 煤的工业分析与元素分析Table 1 Coal i ndu strial and e le m en tal ana l ysis工业分析/%M ar A ar V a r FC ar Q ne,t a d /(MJ/kg元素分析/%w (C a r w (H a r w (O ar w (N ar w (S ar 1 1623 1027 0348 71244356

13、3 514 196 391 020 631 2 煤粉气化炉的数学模型煤粉气化过程是一种具有化学反应的湍流反应流动过程, 涵括了流体的流动、传热与传质、组分间的化学反应以及它们之间的相互耦合作用。由于煤粉气化可以看作是煤粉富燃反应过程, 所以气化过程也可以划分为挥发分的析出与反应、焦炭的异相气化反应、辐射传热、颗粒运动和湍流流动等过程。 为了满足受限圆柱空间内煤粉气流高速喷射所产生的烟气旋流、回流弯曲特征, 采用带旋流修正的k - 双方程湍流模型模拟气相湍流流动7; 采用标量守恒的混合分数-概率密度函数(m i x ture-reacti o n , PDF 模拟气相湍流燃烧8, PDF 模型的

14、简化形式采用 函数分布; 采用P-1辐射模型(P-1radia ti o n m ode l 计算炉内辐射换热7-8; 采用两步竞争反应速率模型(t w o co m peti n g rates m ode1 模拟煤粉挥发分的析出, 采用动力/扩散控制反应速率模型(k i netics/diffu si o n-li m ited co m bustion m ode l 模拟焦炭颗粒表面燃烧9-10; 采用Rosi n -ra mm ler 分布来描(DP M 考虑颗粒相和气相间的相互作用, 并采用随机轨道模型(SP M 来追踪颗粒运动轨迹并同时考虑湍流脉动对焦炭运动的影响7-10。1 3

15、 网格划分、边界条件及计算方法采用以结构网格为主的六面体网格对炉体进行网格划分, 并以上述模型分别对网格数量约为8万、16万、24万的炉内计算域进行了网格独立性测试, 最终采用约16万网格数目进行计算域网格划分。考虑到气化剂进口面为曲面, 且为高速喷射方式, 为了保证计算结果的收敛性和稳定性, 气化剂入口选用质量流量入口, 并指定入口湍流强度和水力直径; 出口边界条件选择压力出口, 指定出口湍流强度和水利直径。采用无滑移壁面, 固定外壁温度, 计算稳定后根据炉内温度场进行校正。为了避免伪扩散的产生9, 利用QU I C K 格式进行方程的离散, 并采用SI M PLEC 算法求解。迭代计算中,

16、 压力、动量松弛因子取0 3, 离散颗粒源相松弛因子取0 5, 其余松弛因子取0 8或0 9, 每迭代200482第3期唐志国等:新型干煤粉气流床气化炉的数值模拟果, 每次离散相计算约追踪2000条颗粒轨迹。2 气化模拟结果分析经过对现有气化炉气化特征的分析比较, 并结合高灰熔点煤种的气化难点2-3, 在本计算过程中将新型气化炉的气化工艺参数氧碳原子比和水蒸气煤比分别取1 1和0 1kg /kg。2 1 气化炉流场的分布特性气化炉炉内的流动状态是气化反应特性的决定性因素。图2为炉内的速度等值曲线分布(m /s,可以看出, 炉内气流为强烈旋转流动, 在径向上, 越趋近于气化炉中心区域, 旋转速度

17、变小, 其中气化进料水平面上速度梯度最大; 在轴向上, 进料水平面上平均速度最大, 随着气化物料的上行和下行, 物料的旋转速度逐渐降低, 气化反应生成的粗合成气在炉底出口处携带灰渣旋转排出, 其速度与上段相同大小截面处的旋转速度相同。 图2 炉内的速度分布F ig 2 V eloc i ty d i stri buti on in gas ifier图3为炉内竖直截面上湍流强度变化特性, 可以进一步看出炉内存在强烈的旋转流场, 由进料口区域到排渣口, 旋转强度由强渐弱, 而后又渐渐变强。在炉顶上部区域还存在贯穿整个截面的旋流气流。 图3 炉内湍流强度F ig 3 Turbulence i nt

18、ensity pro file in gas ifier按流体力学分析, 可将炉内流动分成5个区:射流旋转区 、煤粉气流撞击区 、旋流扩散上行区 、旋流扩散下行区 和管流区 (图2 。在进料水平面上切向对称相向安装的2个气化剂喷嘴喷出高速气化剂, 形成了具有强烈卷吸携带能力的切向旋转射流, 将其周围的煤粉颗粒和高温流体卷吸进漩流中, 形成切向射流旋转区 ; 进料水平面上径向对称相对安装的2个煤粉喷嘴喷出高速煤粉, 对喷相撞形成煤粉气流撞击区 ; 射流旋转区 中气流旋转向上形成旋流扩散上行区 , 旋转向下则形成旋流扩散下行区 , 下行区 向下一直发展到炉底合成气出口形成管流区 , 气流的轴向速度

19、沿径向分布基本保持不变。由于气固两相流的螺旋式流动, 煤粉颗粒在炉内的停留时间得以延长, 有利于干煤粉气化反应的进行。2 2 气化炉温度场的分布特性气化炉的温度场特性是实现具有无焰氧化技术特征气化炉的设计和运行关键, 温度过低会导致气化炉不能实现正常液态排渣, 而局部温度过高则会加快炉内壁耐火材料的腐蚀, 影响气化炉的安全运行。图4为炉内竖直截面上温度分布特性, 可以看出:一方面, 炉内温度场均匀, 除了进料截平面以外, 其余区域的温度基本维持在1900K 左右, 高于其他气化炉的计算测量结果10, 这是由于采用了较高的氧煤比的缘故; 同时温度梯度显著减少, 避免了高温喷射火舌和局部超高温区的

20、出现, 降低了对炉壁材料的要求; 另一方面, 炉内平均温度水平升高, 气化强度增强, 能够实现高灰熔点煤粉气化反应的空间化。同时, 炉底出口处的温度水平明显高于该煤中的灰熔点, 使灰渣呈液态, 同时随着排渣温度水平的提高, 降低了灰渣的黏度1。而且, 通过高温合成气对较低黏度熔渣的良好携带作用, 顺利实现了高灰熔点煤粉的液态排渣, 满足高灰熔点煤粉的气流床气化要求,达到了基于无焰氧化技术煤粉气化炉的设计目的。图4 炉内温度分布F i g 4 T e m pe ra t ure distri buti on i n gasifi e r483煤 炭 学 报2010年第35卷在进料平面上, 由于气

21、化剂沿切线高速喷入炉内, 氧气浓度较高, 在喷入区域附近强烈卷吸水平旋流上游的煤粉, 煤粉颗粒迅速得到加热, 挥发分快速析出并燃烧, 从而引起强烈的旋流氧化反应, 使该区域的温度较高, 维持在2100K 左右; 同时由于反应前煤粉和气化剂未经混合, 高速旋流的气化剂来不及旋至进料平面的中心区域, 该区域氧浓度较低, 煤粉的氧化反应较弱, 温度较低, 在1750K 左右。2 3 气化炉组分浓度场的分布特性气化炉炉内及出口处组分浓度分布特性直接关系到气化炉结构和气化工况设计的优劣。本设计的新型气化炉在气化工艺参数氧碳原子比和水蒸气煤比分别取1 1和0 1kg /kg的情况下, 炉内竖直面上各组分C

22、O 、H 2、C O 2和O 2的体积分数等值曲线如图5所示, 炉膛出口处的CO 和H 2体积分数分别达到0 52、0 26, 粗合成气中有效气体组分体积分数达到0 78,达到了气化炉设计的要求。 图5 气化炉内组分体积分数分布F i g 5 The d i str i bution o f species concentrati ons i n gasifier从图5还可以看出, 在射流旋转区 , 挥发分析出并燃烧, CO 2和O 2的浓度较高, CO 和H 2浓度较低; 在煤粉气流撞击区 和旋流扩散上行区 , 由于氧浓度较低, 属于非火焰区域, 组分浓度与前者相反, 即CO 2和O 2的浓

23、度较低, C O 和H 2浓度较高; 旋流扩散下行区 是焦炭的燃烧反应区域, 脱去挥发分的煤焦颗粒, CO 2, 方面与水蒸气和C O 2反应生成CO 和H 2, CO 和H 2又在气相中与残余的氧反应, 产生更多的热量, 致使该区温度较高, CO 和H 2浓度有所下降, CO 2的浓度则有所上升, O 2的浓度则随着气化物料的下行而下降。而且, 旋流扩散下行区 的外围, O 2浓度较中心区域大, 焦炭的燃烧反应更多的偏向于 区的外围, 导致该外围区域的温度高于中心区域; 在管流区 , 未完全反应的焦炭和上游生成的CO 2发生还原反应和水蒸气发生水蒸气分解反应等, 这些反应均为吸热反应, 导致

24、该区的温度稍低, CO 2的浓度下降, CO 和H 2浓度上升。3 模拟结果与试验的比较在自行设计、搭建的气化炉试验平台上进行了高灰熔点煤粉的气化试验研究, 测量炉内排渣口区域温度、典型试验工况下的合成气组分。详细试验工况参数与模拟相同。图6和图7为气化炉炉内中心线轴向温度和出口处组分浓度的模型计算值和小试运行数据的比较, 其中, 由于小试炉壁的散热作用, 实测温度比计算温度低; 出口处的CO 和H 2实测值略低于计算值, CO 2则基本相同。但总的来看, 计算值与实测值基本吻合, 这也进一步验证了气化炉模型的准确性和可行性。图6 气化模拟与试验炉内温度比较F i g 6 T emperatu

25、re comparison of s i m u l a tion and expe ri m en t图7 气化模拟与试验炉内出口组分浓度比较F i g 7 Co m ponent concentration comparisons o fsi m u l a ti on and expe ri m en t484第3期唐志国等:新型干煤粉气流床气化炉的数值模拟4 结 论根据我国含量丰富的高灰熔点煤气化难的问题, 应用无焰氧化技术的实现思想, 提出了一种新型干煤粉气流床气化炉。建立了该气化炉的物理模型和气化数学模型, 对氧碳原子比和水蒸气煤比分别取1 1和0 1kg /kg工况下的高灰熔点煤

26、种三维气化进行了模拟计算, 得到了该新型气化炉炉内的流场、温度场和合成气组分分布等特性, 其中, 炉膛出口处的C O 和H 2体积分数分别达到0 52、0 26, 粗合成气中有效气体组分达到0 78, 达到了气化炉设计的要求。对模型模拟计算结果进行了可视化研究, 并将其与相同工况下小试试验结果进行了比较, 进一步证实了该炉型结构能够使炉内温度场均匀, 炉内温度梯度显著降低, 平均温度水平上升, 气化强度增强, 从而实现了基于无焰氧化技术煤气化反应的基本特征, 使得气化反应的空间化; 避免了高温喷射火舌和局部超高温区的出现, 降低了对炉壁材料的要求; 同时, 排渣口处温度水平明显高于该煤中的灰熔

27、点, 温度的升高使得灰渣的黏度降低, 有利于液态排渣顺利进行。基于此, 所提出的气化炉可以满足高灰熔点煤粉的气流床气化要求, 达到了基于无焰氧化技术煤粉气化炉的设计目的, 这为进一步的中试研究积累了经验。参考文献:1 Tang Zh i guo , M a Pei yong , Tang Chaoj un , et a. l D i scu s s i on on gasificati on of h i gh ash m elti ng poi n t pulveri zed coalu si ng excess enthal py co m bu stionA Challenges of

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