气流床煤气化炉壁面反应模型

第61卷第5期化工学报Vol.61 No. 52010年5月CIESC JournalMay 201研究论文 资气流床煤气化炉壁面反应模型刘升'，郝英立，杜敏'，陶明春'(1东南大学能源与环境学院，江苏南京210096; z东南大学空间科学与技术研究院，江苏南京210096)摘要:建立了气流床煤气化炉煤灰渣颗粒沉积和壁面反应模型，相应完善了渣层流动、传热传质和相变模型，发展了数值模拟方法，并以国内某型两段式干煤粉加压气流床煤气化中试炉为对象进行了模拟。利用建立的模型可以得到壁面反应速率、資层含碳量、固态渣层厚度、液态渣层厚度、查层平均温度和液态渣层平均速度等。结果表明:氧煤比升高，渣层平均温度升高，固态渣层厚度、液态渣层厚度和气化炉出口灰渣含碳最降低。计算得到的灰渣含碳量在14%左右，整体碳转化率为95.2%左右，与实际值相近。 通过模拟发现壁面反应对于所.分析气化炉的碳转化率、排渣含碳量、壁面渣层流动和温度状态具有重要影响，进而影响气化炉的安全稳定运行。关键词:气流床煤气化炉;颗粒沉积;壁面反应;渣层.中图分类号: TK 124文献标识码: A文章编号: 0438-1157 (2010) 05- 1219-07A model of wall reaction in entrained-flow coal gasifierLIU Sheng' , HAO Yingi'2, DU Min' , TAO Mingchun'( School of Energy and Environment，Southeast University, Nanjing 210096，Jiangsu, China;2 Institute of Space Science and Technology, Southeast University, Nanjing 210096，Jiangsu, China)Abstract: A model for the deposition and wall reaction of molten coal ash slag particle in entrained- flowcoal gasifier was proposed. The models of flow, heat and mass transfer, and phase change of slag layer inentrained flow coal gasifier were improved. The method of numerical simulation was developed. Simulationswere carried out on a Chinese pilot-scale two-stage dry feed entrained-flow gasifier. The carbon content ofslag layer, wall reaction rate, thicknesses of solid slag layer and liquid slag layer, average temperature ofslag layer, and average velocity of liquid slag layer were obtained with the proposed model. With increasingoxygen to coal ratio, the thicknesses of solid slag layer and liquid slag layer and carbon content of slaglayer at the outlet of gasifier decreased, while the average temperature of slag layer increased. The carboncontent of slag was about 14% , and carbon conversion of the gasifier was 95. 2%, which agreed with theexperiment data. It was revealed that wall reaction had significant effects on carbon conversion, carboncontent of slag, flow and temperature of slag layer in the gasifier. It might affect the reliability of practicaloperation of the gasifier.Key words: entrained-low coal gasifier; particle deposition; wall reaction; slag layer于灰渣流动温度，绝大部分熔融煤灰渣颗粒沉积到引言壁面，形成稳定渣层，并从底部排渣口流出。气流气流床煤气化炉采用液态排渣，其运行温度高床煤气化炉炉体尺寸较小，采用高温高压快速混合2009-08-19收到初稿，2010-01 - 30收到修改稿。2009-08-19.联系人:郝英立.第一作者:刘升(1982-), 男，博士研中国煤化工i, haoy@seu edu. cn究生.CNMHGstional Basic Research基金项目:国家重点基础研兖发展计划项目Program ot China (zU1 D6C1UUC).(2010C22002)。●1220●化工学报第61卷操作来提高单位时间单位体积处理能力和效率，到究了渣层传热和相变以及流动规律，但模型中尚未达渣层表面的颗粒中有相当部分尚未反应完全，当考虑壁面反应(燃烧)。本文在上述工作基础上，在渣层表面暴露于气相时将继续反应。壁面反应改建立气流床煤气化炉内熔融态煤灰渣颗粒璧面沉积变了炉内传热传质边界条件,降低了渣层含碳量，和壁面反应模型，进而完善相应的渣层流动、传热.提高了碳转化率。在切圆高速输入方式的气化炉传质和相变模型，并以国内某型24 t. d-'干煤粉中，氧化段壁面燃烧占总燃烧量的相当大部分,.气流床煤气化中试炉为对象进行模拟分析。对碳转化率有重要影响。液态排渣锅炉中同样存在1数理模型壁面反应，如液态排渣旋风炉中，渣层表面燃烧的煤粉颗粒约占总煤粉的20%~30%[2]。壁面反应.气流床煤气化炉内，部分煤/灰渣颗粒在剧烈也影响渣层流动、传热传质和相变。对壁面反应的湍流气体夹带下与壁面渣层发生碰撞，被渣层黏附研究是气化炉研究不断深人的重要研究内容，对建的颗粒成为渣层的一部分，其他未被黏附的颗粒则立完整的气化炉流动、传热传质、化学反应理论模继续随气流运动。沉积颗粒既有反应完全的灰渣颗型，全面研究和掌握其内在规律具有重要意义。粒，也有未反应完全的含碳颗粒。沉积到渣层表面.Walsh等[同针对覆盖锅炉水冷壁的渣层表面部的含碳颗粒在进入渣层内部之前暴露于气体，会继分为干的、部分为黏湿的，提出了基于灰熔点温度续反应。新的颗粒黏附到渣层表面后，表面原有颗和濟黏度来估算颗粒黏附概率随气体和表面温度变粒被覆盖而进人渣层内部，不再继续反应。新覆盖化的模型。Richards 等|利用Walsh等提出的颗于表面的颗粒如含碳，则可继续反应，见图1.粒捕获模型建立了描述液态排渣锅炉壁面煤灰渣颗solid slag layer粒黏附、壁面渣层形成和热量传递的数学模型。-liquid slag layerWang等[5]简化了颗粒沉积通量计算方法，将surface particlesRichards等提出的模型应用于大型液态排渣煤粉炉壁面热流的计算，取得了较好结果。Shimizu 等l6](了heat对气流床煤气化炉条件下液态渣层表面煤焦颗粒的沉积现象进行了研究，认为煤焦颗粒碰到液态渣层:<-了表面时，则被渣层表面捕获;而碰到位于渣层表面mass未反应的煤焦颗粒时，则反弹回气流不被捕获。e iner particlesSeggianift]、韩志明等[0]和周俊虎等0]分别对Prenflo气化炉、Shell 气化炉和某型粉煤气化炉壁图1气流床煤气化炉煤灰渣沉积示意图面渣层的流动和传热进行了研究，均采用质量守恒Fig. 1 Schematic diagram of coal/ash计算渣层厚度，假设线性温度分布计算渣层的热流.particle deposition on slag surface in通量和固态渣层厚度，认为到达渣层表面的颗粒全entrained-flow coal gasifier部被捕获，没有考虑未燃尽颗粒在渣层表面的继续1.1渣层表面煤灰渣颗粒黏附模型反应过程。汪小憨410] 研究液态排渣燃烧器，应用运动到渣层表面的颗粒能否被渣层捕获与颗粒Walsh等提出的颗粒捕获模型计算壁面颗粒黏附的速度、黏度、温度、直径、表面张力、冲击角以率，对壁面反应(燃烧)进行了探讨，初步建立了及渣层表面特性等有关，其中起决定作用的是颗粒相应模型，为炉内计算提供边界条件，但没有深入和渣层表面的黏度。颗粒的黏附概率为[8]分析壁面反应、渣层流动和传热，更没有考虑渣层fam= y(T,) +[1- y(T,)]ywm(Tmn)-内的相变。k.[1- y(T,)][1-ywu(Tun)](1)作者前文"发展了气流床煤气化炉内复杂多式中右边第一项为 黏颗粒在渣层表面的黏附概相流动、热质传递和化学反应过程数理模型，获得中国煤化工i黏附的概率，第了炉内复杂湍流流场、温度分布、碳转化率、气体三项MHCN M H G导致的黏附概率组分和颗粒壁面沉积等18-13);前文([4+15]建立了 描的减少。新附慨率y(1)值由式(2) 确定述壁面渣层流动、热质传递和相变的数理模型，研y(T)=1 μ(T)≤P第5期刘升等:气流床煤气化炉壁面反应模型.●1221●y(T) = Po/p(T)μ(T)> Hr .(2)力高于2. 0 MPa,煤粉颗粒在炉内相继发生水分蒸.气流床煤气化炉内煤灰渣颗粒和渣层表面的黏.发、挥发分析出、与气相的异相反应，待运动到渣度均低于煤灰渣的临界黏度Po，则式(1)中层表面时颗粒如还未反应完全，也只含未燃尽的.y(T,)和ywu(Tsm)的值为1,即式(1) 的值恒碳，不含水分和挥发分。所以，发生在渣层表面的为1,因而运动到渣层表面的煤灰渣颗粒全部黏附壁面反应只需考虑碳与气相的异相反应。到渣层表面。燃烧:1.2 渣层表面煤灰渣颗粒分布模型2C+O2→C(0)+CO k(3)颗粒在渣层表面占据的区域面积定义为该颗粒C+C(O)+O2→CO2 +C(O) k,(4)的投影面积和周边相关面积之和，如图2所示。沉C(O)→C ka(5)积到渣层表面的颗粒可能不为球形，但对于熔融态还原:渣滴颗粒,表面张力作用使颗粒形状趋向于球形。C+CO2一C(O)+C0 k,kl(6)C(O)→CO ks(7)所以，本文近似取与颗粒投影面积相同的圆代表实C+ H2O=-C(O)+H2 k,k'o8)际颗粒投影。C(O)- + CO(9)图2中，圆O。(O。 点为圆心，下同)为某一C+2H,-→CH，kg(10)颗粒在渣层表面投影，圆O，圆O2, ..圆O其中，反应(6)和反应(8)为可逆反应。C(O)为与其相邻的颗粒投影(这里给出了7个投影，实为碳化学吸附氧后形成的碳氧复合物，CO2和水际可能超过或不足7个)。分别作圆O。和圆O，蒸气的还原过程涉及碳氧复合物，即反应(7)和圆O2，.，圆O的圆心连线，并按照半径的比例反应(9)。但这两个反应中碳氧复合物的解吸速率将每条圆心连线分为两个部分，点B，Br, ..不同，其关系为y=kg/kr, Y与温度和煤的性质有.Br为分割点。分别过点B, Br，.，Br作各圆关，与压力无关[16]。准稳态条件下反应速率为心连线的垂线么，h，.，L.若l;与其相邻的l-1R= Recm + Rocu(11)和1:+1分别在圆心连线0,O,两侧相交，则认为圆其中0,与圆O。相关，如圆O，圆O2,圆O,, .圆_kkqPf, +kkPo,O,;否则认为该圆与中心圆O%无关，如圆03.直Rocm=- kPor +ks/2(12)线L, l2, l, ls, l6, ln围成的多边形(图中阴影:台Pa, +智Pro部分)就是圆O%代表的颗粒在渣层表面占据的面积。1+r号Pa, +r号P∞+台Pnpo+ APn(13)反应(3) ~ (10) 的反应速率参见文献[17-18]。Q\,! o1.4 渣层流动、传热传质和相变模型壁面反应必然导致渣层与炉内气相间质量传递和能量的释放/吸收，必须在渣层流动、传热传质和相变模型中反映其影响。则i单元内渣层厚度随时间的变化可以描述为= 9o.0. 土9en.s.-1二9e.v二9m.(141A:p考虑壁面反应影响的渣层流动连续性方程、动图2渣层表面颗粒分 布示意图量方程和能量方程分别为.Fig. 2 Particle distribution on slag layer surfacei+V●.(pw)=m-m(15)根据各个颗粒在渣层表面占据的面积和其是否含碳，可以将渣层表面分为反应区域(覆盖含碳颗中国煤化工Vp+粒)和非反应区域(覆盖不含碳颗粒)两个部分。1.3 渣层表面含碳颗粒反应模型MYHC NM H G%o-imv (16)气流床煤气化炉运行温度在1300C以上，压((pH)+V●(QHv)=0+●1222●化工学报第61卷V●(加)+V●[(λ+h)V7]+m,Q, + maH。(17)syngasT char particle渣层相变采用焓法计算，以灰渣的黏度临界温度I I'ell metal shellTev为相变温度。H water wallrefractory、 lining2模型应用ish2.1简化和假设气化炉内煤灰渣颗粒粒径分布较广，颗粒在渣nozzle '层表面的分布情况复杂，计算中假设同一表面单元19内沉积颗粒的粒径相同、均匀分布、碳含量相同;化学反应消耗的碳折算为含碳颗粒数量的减少。2.2 计算中渣层表面颗粒数的计算图3气化炉-段炉体结构示意图(mm)沉积到渣层表面的颗粒在一一个时间步长结束后Fig.3 Schematic diagram of the first stage可分为3部分: (1)在壁面反应中被消耗; (2) 被two stage dry feed entrained-flow gasifier (mm)后续沉积的颗粒覆盖进入渣层内部; (3)停留在渣层表面继续反应。则，当一个时间步长结束后渣层.5 rcase 1表面的颗粒数为.0case 2▲o■case 3N;= Nnu.-n+Na.+ N9- N.,- Nou.- N.... (18)50▲▲口■其中，N..=mo.,RA./me.p.。■▲3计算结果3.1计算条件0.0050.010 150000701700 1800以某型24 t.d-'两段式干煤粉加压气流床煤9nmil/g.s-1气化炉为对象。该炉下部一段为高温段， 上部二段图4各计算单元中煤 灰渣颗粒沉积量和炉膛温度为低温段，中试得到出口煤气温度为530C左右，Fig. 4 Deposite mass of ash particles and二段炉膛温度低于煤灰渣的流动温度。前temperature of hearth in each cell文([21)采用神木煤对炉内化学反应进行计算得到表1不同工况的氧煤 比和颗粒的碳含1 k的结果也发现二段炉膛温度低于煤灰渣的流动温Table 102/coal and slag particle carbon content度，因而渣层计算只对一段进行，见图3。以前Oz mass .Coal flowCarbonO2文(21)]的计算结果为边界条件，边界条件和初始.CaserateCelli content/kg.h-1 /kg.h-1/%条件见图4和表1,其中工况1.2和3考虑壁面CRe 10010000.6反应，工况4作为对比工况不考虑璧面反应。- -9 67.82模拟中采用的煤灰的成分分析见表2，物性参0.7 1-7 50. 65数为: μ=1.0X10°e- 012T7 Pa. s; λ=1.33 W●7600.76 1-7 58. 62m-1●K-1; cp=1120.0 kJ●kg-'●K-; T。=8-9 59.571500.0 K.case 40.750.653.2璧面反应对炉内碳转化率和渣层的影响8-965. 58前文(1213] 对炉内化学反应计算得到，工况2和Note: Wall reaction is not considered in case 4.工况3在不考虑飞灰再循环和壁面反应时得到的炉表2灰潼成分内整体碳转化率为88. 9%和91%。考虑了壁面反Table2 Components of coal ash slag应后，工况2的整体碳转化率增加6.3%，达到SiO/% AlO:/%Fe2O%/% Ca0/%Mg0/%95.2%;工况3的整体碳转化率增加4.4%，达到中国煤化工1.92.195.4%，均较中试得到的98.9%略低，主要由于TYHCNMHG计算中没有考虑飞灰再循环所致。从图5和图6给出的工况2和工况4结果可第5期刘升等:气流床煤气化炉壁面反应模型●1223 ●见，喷嘴上部壁面反应速率较低，消耗碳量较少，2.5两工况的液态渣层的厚度、平均速度和平均温度都▲case 12.0申。case 210相近;喷嘴附近壁面反应速率较高，消耗的碳增■case 3,1.5T加，喷嘴下部工况4的液态渣层比工况2的厚约10%，液态渣层平均速度比工况2的大约20%。喷嘴附近区域的壁面反应以氧化为主，工况2的平均温度0.5. 蛹高于工况4的。两个工况中的固态渣层厚度相近。0 5101520250 1020 3040 50 602.5 rcase 2 solid slag layerrate of wall reaction/s-1 carbon content%2.0■case 2 liquid slag layer图7工况1到工况3中壁面反应速率和渣层碳含量.5x case 4 solid slag layerFig.7 Rate of wall reaction and slag layer.5 Fv case 4 liquid slag layercarbon content in case 1 to case 3).5 tm以上区域渣层平均温度变化较小，0.7 m开始渣层温度降低的幅度增加。工况2中，0.7 m以上固0.01 0.02 0.03 0.04态渣层和液态渣层厚度相当，0.7 m以下固态渣层thickness/m厚度大于液态渣层厚度;工况3沉积颗粒温度较.图5工况2和工况 4中渣层厚度Fig.5 Thickness of slag layer in case 2 and case 4高，仅在0.3 m以下固态渣层厚度才超过液态渣层厚度。喷嘴上部渣层在向下流动过程中，炉膛温2.▲case 2度升高，渣层温度降低的幅度较小，固态渣层厚度。case4变化较小;喷嘴下部炉温降低，渣层温度降低的幅度增加，固态渣层厚度增加较快。固态渣层厚度和渣层平均温度的变化相一致，见图8和图9.0.5▲。liquid slag layersolid slag layero s^8D。A case 1▲case I1000 1200 1400 1600 00.01 0.02I case2■case2T/Kv/m-s-1x case3图6工况2和工况 4中渣层平均温度和液态渣层平均速度Fig.6 Average temperature of slag layer and averagevelocity of liquid slag layer in case 2 and case 4可见，壁面反应对气流床煤气化炉内碳转化率00.000.008 0 0.025 0.05 0.075 0.1的计算，分析炉内的多相流动和传热传质，以及渣图8工况1到工况3的璧面渣层厚度层行为有重要意义。Fig.8 Thickness of slag layer in case 1 to case 33.3氧煤比对渣层 的影响工况2中沉积颗粒的碳含量比工况3的低，且2:壁面反应速率也低于工况3的。两工况中沉积颗粒0 case2所含碳分别约有85%和88%在壁面反应中消耗，■case3排渣口渣层碳含量均约为14%，与气化炉实际的E日1.0灰渣碳含量约为10%接近。工况1中壁面反应速0.率相对较小，沉积颗粒的碳含量高达70%,其出口处渣层碳含量高达30%左右，但沉积到壁面上1000 1200 1400 16000.010.02的碳仍约有78%在璧面反应中转化，如图7所示。中国煤化工v/m.s-1工况1中，沉积颗粒的温度最低，渣层平均温图9CNMHG和液态渣层平均速度度从上至下以较大幅度降低，固态渣层厚度在整个Fig.y Average temperature ot slag layer and average高度上均大于液态渣层。工况2和工况3中，0.7velocity of liquid slag layer in case 1 to case31224●化工学报第61卷渣层流动由重力驱动，其流速由液态渣层厚符号说明度、颗粒沉积量、渣层黏度(温度)等共同决定。灰渣的黏度在临界温度以上变化较为平缓，黏度对A;一-单元i渣层表面积，m2渣层流动的影响相对其他因素要小得多。液态渣层.cp-灰渣的平均比热容，J.kg-1●K-1厚度小于5 mm,在边界层影响范围内，边界层效颗粒黏附概率应对速度的影响最大，且液态濟层越厚速度越大。.H_--沉积于渣层表面颗粒的比焓，J. kg-'m-质量，kg同时，沉积量越大，沉积颗粒带入渣层的动能越大。工况1的沉积量最大，液态渣层最厚，液态渣m-质量通量，kg.m-*.s-'N- - .渣层表面颗粒数层的平均速度在这3个工况中最大。Na-时间步内沉积的颗粒数适当降低氧煤比可以增加固态渣层厚度，更好Nimer---时间步内被獲盖的颗粒数地保护水冷壁。但氧煤比过低，会导致渣层碳含量时间步内流出颗粒数明显增加，甚至会引起排渣不畅等问题。因而，选N,--时间步内 反应的颗粒数择合适的氧煤比对气化炉的稳定运行、获得良好的N°一-时间步初始渣层表面颗粒数经济效益有至关重要的作用。.P---气体组分分压，Pa本文结合前文建立了分析、模拟气流床煤气化9m-质量流量，kg.s-'炉壁面渣层行为的数学模型。渣层计算需要的边界R一-反应速率，s"条件由炉内计算提供，炉内计算的结果决定了渣层T一温度， K模拟的计算精度。粒径选择过小计算得到的壁面反r速度矢量， m.s-'-黏附概率应速率偏大，壁面反应消耗的碳量增加;粒径过大渣层厚度，m则计算得到的壁面反应速率偏小，壁面反应消耗的-热导率，W.m-1.K-'碳量减少，需要根据实际情况确定合理的粒径。在p- -黏度，Pa.s渣层流动计算中，对多种湍流模型比较后，建议选下角标择低Reynolds数模型来处理湍流。cv--临界黏度状态 :4结论g-气体本文初步建立了气流床煤气化炉壁面渣层表面in一壁 面沉积颗粒沉积和壁面反应模型，相应完善了渣层流动、p一-颗粒传热传质和相变数学模型，发展了数值模拟方法，-化学反应 .以国内某型两段式干煤粉加压气流床煤气化中试炉slag--煤灰渣sur--渣层表面.为对象进行了模拟。所研究工况中壁面沉积颗粒所含碳约85%在References壁面反应中消耗，排渣口处渣层碳含量约为14%,[1] Chen Caixia， HorioMasayuki,Kojima考虑了壁面反应后得到的整体碳转化率为95.2%，Numerical simulation of entrained flow coal gasifiers (Part比未考虑壁面反应的模型结果更接近中试结果。液I); Modeling of coal gasification in an entrained flow态渣层厚度从上至下变化较为平缓，固态渣层厚度.gasifier. Chemical Engineering Science, 2000, 55 (18):3861-3874则逐渐增加。氧煤比增大，渣层平均温度升高，固[2] The Thermal Engineering Institute of Ministry of Water态渣层厚度减少，壁面反应消耗的碳增加，出口渣Conservancy and Electric Power. Turbofurnace and Its Ash层碳含量降低。氧煤比对壁面渣层和气化炉的运行Uilzation (旋风炉及其灰渣综合利用). Beiing: The有重要影响。Press of Ministry of Water Conservancy and Eletric Power,壁面反应是干粉气流床煤气化炉内的重要现中国煤化工。Do, MoreLs,象，对碳转化效率、壁面渣层流动和传热过程有至CN M H Grinous colalashon a关重要的影响。本文发展的模型和方法对气化炉设sSolatea hear excnanger tuDe: ertects of coal properties on计和安全稳定运行具有重要意义。deposit growth. Progress in Energy and Combustion第5期刘升等:气流床煤气化炉壁面反应模型1225●Science, 1990， 16 (4): 327-346Proceedings of the International Symposium on Coal[4] RichardsG H, Slater P N, HarbJ N. Simulation of ashCombustion. Wuhan; Huazhong University of Science anddeposit growth in a pulverized coal-fired pilotscale reactor.Technology Press, 2008: 646-651Energy & Fuels 1993， 1 (6); 774-78113] Du Min (杜敏)， Hao Yingli (郝英立). Numerical study[5]Wang H，Harb J. 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