气流床煤气化炉炉壁渣层流动与传热模拟

第30卷第4期工程热物理学报Vol.30, No.42009年4月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSApr., 2009气流床煤气化炉炉壁渣层流动与传热模拟刘升郝英立(东南大学能源与环境学院，江苏南京210096 )摘要本文对气流床煤气化炉内高 温合成气和渣层的流动、换热、相变过程进行了分析,在合理简化和假设的基础上建立了描述渣层流动、热质传递和相变的流层数理模型.通过对气化炉内气固两相流和化学反应的模拟，得到灰渣颗粒在气化炉壁面的沉积率,进而对所建立的模型应用SIMPLE算法进行了求解，获得了气化炉壁面灰渣流动、传热和相变过程的数值模拟结果，结果表明，壁面温度对渣层厚度的影响较炉臆温度要大得多:当璧面温度不变时，炉膛温度增加，盾态渣层厚度减少;炉膛温度不变时，壁面温度降低，固态渣层厚度增加.关键词气流床煤气化炉; 熔渣;厚度;相变中图分类号: TK124文献标识码: A文章编号: 0253 -231X(2009)04 -0631- 04NUMERICAL SIMULATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER OFSLAG LAYER IN AN ENTRAINED-FLOW COAL GASIFIERLIU Sheng HAO Ying-Li(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract The flow and heat transfer of high temperature syngas and slag layer in entrained-Alow coalgasifier were analyzed, and a model for slag flow and heat transfer on the internal wall was proposed.The deposition rate of ash particle on the wall was obtained based on the simulation of gas-solid two-phase flow and gasification reaction in an entrained-flow coal gasifier. A series of simulations of theflow, heat transfer and phase change of slag layer on the wall in the gasifier were carried out basedon the proposed model with SIMPLE algorithm. The results indicated that the wall temperaturehas more signifcant effect on the solid slag layer thickness than the hearth temperature. The solidslag layer thickness decreases with the increase of hearth temperature when the wall temperature isstable. The solid slag layer thickness increases with the decrease of wall temperature when the hearthtemperature is stable.Key words entrained-Aow coal gasifier; melted slag; thickness; phase change0引言未考虑气化炉不同位置煤灰渣颗粒沉积率和煤灰渣煤气化技术是整体煤气化联合循环发电技术物性对渣层的影响.(IGCC)的核心部分，是IGCC大型化的关键技术本文对文献[1]中的模型进行了进一步的研究,之一。气流床煤气化技术以气化强度高，碳转化率改进了渣层传热、相变和质量流量的计算方法，建立高，煤气中不含焦油和酚，对环境污染小等优点得了更为完善的数学模型，并引入了壁面沉积率分布到广泛关注，成为大规模煤气化技术发展的主流方和煤灰渣黏温特性的影响，以国内某工厂的Texaco煤气化炉为对象进行了数值模拟分析.近年来，国内外研究者对气流床煤气化炉壁面1渣层模型渣层开展了一系列的研究工作[I~3] 。已有的模型中都采用质量守恒的方法计算渣层厚度，假设温度1.1渣层模型线性分布以计算热流密度和固态渣层厚度,模型中尚中国煤化工浆为原料,以纯氧CNMHG收稿日期: 2008-12-12; 修订日期: 2009-03-09基金项目，国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2004CB217703)作者简介:刘升(1982- ),男，江苏连云港人，博士研究生，主要从事多相流理论与应用、洁净煤燃烧等方面研究.632工程热物理学报30卷为气化剂，在高温、高压条件下，进行气化反应,灰渣层相变采用焓法计算，通过在整个区域建立分形成熔融态灰渣颗粒，部分熔融态灰渣颗粒沉积统--的能量方程，求出热焓分布进而确定相界面,到炉膛壁面，形成稳定的渣层，如图1所示.a(pH)、8(puF). 8(pvH),耐火砖一n-周态渣层)tOxOr金属壳体7↓↓5液态渣层100T、θ .. aT、间(kr2)+的(2)+(8u 8u\2(品+;)(5)<》{(|)*+()}+(:热量:其中，H为比焓，其与温度的关系为，质最:H/Cp,sHH气化炉内渣层和合成气相界面处的合成气速度较低,气化炉运行温度下煤灰渣的黏度高于1 Pa.s,其中，T,和Ti分别为煤灰渣的凝固温度和熔化温渣层流动平稳，表面几乎没有波动网。将气化炉壁度，T,和T之间的煤灰渣处于糊状区; Cp.s 和Cp,面从上至下分成若千计算单元，假定每个计算单元分别为煤灰渣在固态和液态时的平均比热容;L为的渣层厚度是相同的，在柱坐标系下对每个计算单煤灰渣的相变潜热，H。和Hi分别为煤灰渣在凝固元分别建立控制方程.温度和熔化温度时的临界比焓。气化炉稳定运行时，第i计算单元的渣层厚度1.2计算流程(8.)可由第i-1计算单元流入第i计算单元的灰渣任一单元中的计算步骤为: (1) 以上一计算单量(mex.i-1)、流出第i计算单元的灰渣量(mex,) 和元渣层厚度为初始厚度划分网格; (2) 以上一单元第i计算单元内灰渣的沉积量(min,)得到，出口处的速度分布和温度分布为初始条件，(3)求min,i+ mex,i-1二mex,i(1)解控制方程(2)~(5)得到速度分布、温度分布、渣层AsPi质量流量; (4) 利用式(1)求出渣层厚度; (5) 根据其中，A; 为第i计算单元面向炉膛的表面积，p: 为渣层质量流量判断是否收敛，若收敛进行下- -单元第i计算单元灰渣的平均密度.进行计算，若没有收敛则重新划分网格，并返回到渣层流动的连续性方程为,步骤(3)继续计算,反复迭代直至收敛.从上而下依.ap + 2(ou)+13(rpv)=0(2)次对各个计算单元进行计算.BtT 8xrc其中，u为轴向速度，v 为r向速度，下同.2模拟条件渣层流动的动量方程为,.1简化假设a(pu)_ 8(pu)」 8(pru)=由于目前还无法对煤灰渣的相关物性进行准确Dt8x的测量，计算中关于煤灰渣物性采用如下假设: (1)8p.Ou+p9x+2品()+灰渣的相变温度为黏度临界温度To，Tcu 以上的18)u,0u )灰渣为牛顿流体，Teu 以下的灰渣为固体同; (2)+rug(3)煤灰淹的密度、导热系数、比热容、辐射吸收系数等为常数,仅考虑黏度随温度的变化; (3) 不考虑煤灰a(pu).。8(puv)(0u)_渣液固相变时的相变潜热.OtFr8p8(2.2中国煤化工-0+9+品(咖+0)+MHCNMHG其物性参数为:(4)ps=24yUkg/m~;入s=1.8Y w/(m.K) ; Cpa=1690号(喘)kJ/(kgK); ag=0.83; Tcu=1560 K，采用最小二4期刘升等。 气流床煤气化炉炉壁渣层流动与传热模拟633乘法对表1中给出的华亭煤灰渣的黏温特性进行拟表3模拟工况.合得,Table 3 Conditions of casesμ= 1216.6843 - 1.42958T + 0.0004213T2(7)炉膛温度/K壁面温度/K1500其中，T为温度，K; 相关性系数R=0.9999 .162015401640表1灰渣黏温特性Table 1 Viscosity of coal ash slag61660温度/K 1698 .1643_ 1593 1548 _1496 1443黏度/Pa-s2503模拟结果及讨论2.3模拟对象及模拟工况本文以国内某工厂的Texaco煤气化炉为对象，图3给出了所有工况下总渣层厚度和固态渣层沿高度划分14 个计算单元，见图2.根据文献[6]厚度曲线.煤灰渣在沿气化炉壁面自上而下流动过所提方法对气化炉内气固两相流和化学反应进行了程中渣层厚度不断增加。气化炉上部简体部分，第1模拟，得到壁面沉积率，见表2.到第4个计算单元(4.5 m以上区域)沉积量较大，渣层迅速增厚;第4个计算单元以下的单元，灰渣也颗粒沉积量减少，渣层厚度增加缓慢,计算得到的气化炉筒体段的液态渣层厚度在0.5~1 cm左右,固态渣层厚度在0.25~0.5 cm左右.下部锥体段,渣层与壁面接触面积减少,渣层流向改变，在锥体段和简体段交界处渣层速度降低,上部流下来的接近相变温度的灰渣在此区域堆积,使该区域固态渣层厚度增加，随着煤灰渣继续向下流动，煤灰渣温度上升固态渣层厚度减少.9工况1的炉膛温度和壁面温度最低，固态渣层.101最厚;工况6的炉膛温度和壁面温度最高，固态渣层最薄。对工况1和工况2,工况3和工况4,工25052130况5和工况6三组对比发现，相同炉膛温度下，壁面温度降低40K固态渣层厚度增加100%左右;对图2气化炉结构示意图(mm)工况1和工况3,工况2和工况6两组对比发现,Fig.2 Schematic diagram of the gasifier(mm)在相同壁面温度下，炉膛温度降低40K固态渣层厚度增加50%。因而，当渣层两边温差相同时，降低表2壁面灰渣沉积率Table 2 Deposition rates along the wall气化炉壁面温度比降低炉膛温度可以得到更厚的固态渣层，即壁面温度对固态渣层厚度的影响较炉膛分区沉积率/kgs-T rad-T0.042温度对固态渣层厚度的影响更为剧烈。气化炉运行0.128过程中，可以通过适当降低壁面温度的方法，来得0.97到更高的炉膛温度，进而提高气化效率和合成气中0.0740.039有效气体(H2+CO)的含量.0.022模型中没有考虑炉内合成气对渣层流动、传热0.011传质和相变的影响，渣层被处理为单纯的重力驱动0.013.9~140.03流，得到的渣层表面平稳没有波动。从得到的渣层厚度和其他方法得到的研究结果4比较发现，采用气化炉下部锥体段采用阶梯型网格来逼近真实这种中国煤化工态渣层和固态渣层边界，对每个计算单元采用加密网格减少采用近似的变CH仅在出口处略有差边界引起的计算误差.计算中根据该气化炉的实际，衣明平义促山时医生兵月秋ILCNMH陆的精度，用较低运行工况确定模拟工况，详见表3.的计算代价得到了较为合理的计算结果.634工程热物理学报30卷.工况11况2上况3总渣厚固态渣厚E制2) 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025~0 0.005 0.01 0.015 0.020 0.005 0.01 0.015 0.02渣层厚度/mT况4上.况5工况6. 总渣厚周态渣厚周态渣原一固态渣厚E 4E型:0 Eswuww1i4 w山uwwl”00.005 0.01 0.015 0.020.0050.01 0.015 0.02图3不同工况条件下沿气化炉高度上壁面渣层厚度Fig.3 Thickness of slag layer along the height of gasifier in diferent cases4结论eling and Simulation of Shell Gasifer. Journal TsinghuaUniversity (Sci. & Tech.), 1999, 39(3): 11-114本文在相关研究的基础上建立了更为精确描述[3]周俊虎，匡建平,周志军,等.粉煤气化炉喷嘴受热分析和渣层流动、传热传质和相变的数学模型，并对国内渣层模型的数值模拟。中国机电工程学报，2007, 27(26):23- 29某工厂运行的Texaco气化炉进行了模拟。ZHOU Jun-Hu, KUANG Jian-Ping, ZHOU Zhi-Jun, et研究发现当壁面温度不变时，炉膛温度增加，al. Numerical Simulation for Pulverized Coal Gasifier'固态渣层厚度减少;炉膛温度不变时，璧面温度降Heating Nozle and Slag Building Model. Proceedings ofthe CSEE, 2007, 27(26): 23 -29低，固态渣层厚度增加。应用本模型计算得到的渣[4] LIUs, HAO Y, XU z. In: XU Xu-Chang, XU Ming-Hou.层厚度有较高的计算精度，可以满足工程估算气化Proceedings of the 6th International Symposium on Coal炉壁面渣层厚度的要求。Combustion. Wuhan: Huazhong University of Scienceand Technology Press, 2007. 547- 553参考文献[5] Reid W T, Cohen P. The Flow Characteristics of CoalAsh Slags in the Solidification Range. J. Eng. Power,[1] Seggiani M. Modelling and Simulation of Time VaryingTrans. ASME Series A, 1944, 66: 83 97Slag Flow in a Prenfo Entrained-Flow Gasifier. Fuel,[6] DU Min, HAO Ying-Li, WANG Yan. Numerical Simula-1998, 77(14): 1611-1621tion of Coal Gasification in a 1 t/d Two-Stage Entrained[2] 韩志明，李政，倪维斗、Shell 气化妒的动态建模和仿真.Flow Gasifer. In: Proceedings of the ASME Interna-清华大学学报(自然科学版), 1999 39(3): 11-114tional Mechanical Engineering Congress and ExpositionHAN Zhi-Ming, LI Zheng, NI Wei-Dou. Dynamic Mod-2007. New York: ASME, 2007. 781-791中国煤化工MYHCNMHG