气流床气化炉水冷壁设计方案的水动力分析

第39卷第4期锅炉技术VoL. 39, No,42008年7月BOILER TECHNOLOGYJul. ,2008文章编号: CN31 - 1508(2008)04 - 0029 - 04气流床气化炉水冷壁设计方案的水动力分析燕， 李文凯，张建胜，岳光溪，吕俊复(清华大学热能工程系，北京100084)关键词:气流床气化炉; 垂直水冷壁;水动力摘要:对于日处理煤量700 t的非熔渣-熔渣两段式气流床气化炉内采用的垂直管屏水冷壁进行了水动力稳定性分析,为新型气流床气化炉的设计提供理论依据。计算比较了$51X6 mm和φ38X6 mm两种结构对水动力的影响，发现采用φ51X6 mm光管会使水冷壁发生水动力不稳定现象,可以通过采用φ38X6 mm光管得到改善。而水冷壁人口参数对流动稳定性没有太大影响。可以采用临界流速作为判断此类气化炉垂直水冷壁管内流动是否稳定的依据。中围分类号: TK545文献标识码: A北京达利科公司提出了非熔渣-熔渣两段煤气1前言化工艺0,在详细系统的研究基础上[0-11,成功气流床气化炉是大规模煤气化的主要工地进行了日处理煤量500 t规模的工业示范。良艺"。气化炉中,粉煤在高温条件下与氧气和水好的运行结果表明了该技术的先进性和可靠性。蒸气反应,生成高有效组分的合成气。为了保持与其他采用耐火衬里的气化炉一样,其煤种适用高温条件,降低气化炉体积,多采用纯氧高压气范围比较窄。为了进一步完善该技术，扩展其煤化。因此可以采用压力罐内村耐火材料的气化种使用范围,正在进行日处理煤量700 t的水冷炉结构,典型的是Texaco气化炉。耐火衬里的壁结构的工业示范。与耐火衬里结构相比,最大.材料要求严格,一般是价格昂贵的高Cr砖,定期的变化是出现了水冷壁结构。水冷壁的流动的检修更换，能够在高温还原条件下长期运行[2。稳定性、安全性对气化炉的安全运行有重要作但是即使是采用高Cr砖,温度超过- -定水平后，用。本文对其水冷壁结构、系统入口参数进行了仍然烧蚀很快，因此通常限制在1500C以研究分析,以便为工程设计提供基础。下(3-1。同时,为了维持稳定的反应和便于排除2研究对象煤中的灰分,一般采用液态排渣,因此,对气化煤的灰熔点要求比较严格，通常要在1 300C以日处理煤量700t的气流床气化炉采用垂直下4。因此采用耐火衬里的绝热气化炉的煤种管屏水冷壁,强制冷却。气化炉内径2 096 mm,适用范围比较小。为了改善煤种适应性,使用高高7 075 mm,沿炉壁布置膜式水冷壁。安装完成灰熔点煤,需要将气化炉维持在更高的温度下运.后,水冷壁敷设耐火衬里;运行后,耐火衬里逐渐行,这时,耐火衬里的寿命不足以保证设备的经被熔渣替代。其结构示意简图如图1所示。冷济性[5,出现了用水冷壁气化炉,典型的是Shell却水系统为直流系统,从下向上一次通过气化和GSP。采用垂直管屏膜式水冷壁间]或盘管膜炉,设计流量为60 t/h,人口压力3. 59 MPa,人口式水冷壁技术[”时,可以依靠挂在水冷壁上的熔温度104 C.渣层保护水冷壁,使得气化装置可以长周期运此研究对象可以简化为并联垂直管屏的水转。因此,从这点来看,水冷壁技术优于耐火砖动力问题由干冷却水 出口尚低于对应压力下技术,是今后气化炉发展的主要方向1.3.6]。的饱中国煤化工过冷水,为单总结分析了煤气化的技术进步,清华大学和相流体;MYHCNMHG收稿日期:2007-09 -20基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2004CB217705)作者简介:李燕(1981小,女.陕西西安人，博士研究生,从事洁净煤燃烧技术的研究工作.30锅炉技术第39卷人引出压降。若水冷壁出口水温仍有一定欠.热,则垂直管内工质为过冷水,需要在受热面热流密度最大处与受热面内水温最高处进行过冷沸腾的校验,保证这些地方的水速高于不发生过冷沸腾的安全水速。二次氧加入下冷却本区却翻计算中,典型的炉内平均壁面热负荷根据液|十个态排渣炉确定,炉内温度按着1 300 C考虑。给水泵.4计算结果分 析与讨论1↓对于采用φ51X6 mm的管子结构,计算得到.图1某气流床气化炉垂直管道屏水冷壁示意图了此系统的全压差特性曲线，如图2所示。可以看到,当工质流量为60 t/h时,流速为0. 242 m/s,其所对应的压力降已位于倒流范围之内,水冷壁.3计算模型出口温度152.64 C,出口压力5. 325 MPa。当水动力计算采用单相流体计算方法[10。其发生热负荷或其他参数扰动时,系统可能发生倒流动过程产生的压力降包括重位压降、摩擦压降流,存在水动力不稳定的可能性。在此结构下水与局部压降。由于系统压力低于临界压力,可以冷壁对应的临界流速为0. 272 m/s,只有当流速忽略加速压降;局部压降包括弯头压降与集箱引.高于此临界流速时才能保证其水动力稳定性。0.069中S1x6 mmE 0.068 t0.0680.0670.060.066(242.0.060--60.0.00o.do4t.040.03 t0.062-300 -200-100 0100 200 300 .-i5-1.0 0流量4h-1流速/m.-1(@)流最-压降曲线(b)流速-压降曲线图2φ51X6mm水冷壁系统全压差特性曲线对于φ51X6 mm的管子结构,提高系统人口低,但是对系统水动力稳定性影响并不明显。压力至7.5 MPa时的系统压差特性曲线与原系对于φ51X6 mm的管子结构,若降低系统人统曲线比较如图3所示,这里采用流速一压降曲口温度至80 C ,即提高系统过冷度,其系统压差特线。工质流量为60t/h下,流速为0.241 m/s,水性曲线与原系统比较如图3所示。工质流量为60冷壁出口温度152. 85 C,出口压力7. 434 6t/h下,流速为0.237 m/s,水冷壁出口温度130.1 .MPa。其临界流量高于60 t/h,临界流速约为C ,出口压力5.323 9 MPa。其临界流量高于60 t/h,0.2715 m/s,与原系统临界流速非常接近。因此临界流速约为0. 261 m/s.因此系统仍然处于水在60t/h的流量下,系统仍然处于水动力不稳定动力不稳定范围。通过计算得到,其他条件不变范围。计算得知,当人口压力提高至22.0MPa的情I中国煤化工到21 C时才时,临界流量为67.4t/h,对应的临界流速为能高=流速高于临界0.268 m/s,系统仍然处于倒流范围。因此,虽然0HCNMHG流速，还前安继实陣低入山面设。可以看到,人.提高人口压力可以使得过冷沸腾的安全流速降口参数对水动力稳定性效果并不十分明显。第4期李燕,等:气流床气化炉水冷壁设计方案的水动力分析31品0.070-; 0.0680.0690.0670.068 l06660.237.0.663.4)70.242.0.065 08)D064一-75 MPa0.040.06--... MPa0.035三的0.0620.062[-15 -1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 is-15-10-05 0.0 05 1.O 73流速/m-1图3提高人口压力时水冷壁系统流速-压降特性曲线图4降低人口温 度时水冷壁系统流速一压降特性 曲线因此将水冷壁结构改为采用φ38X6 mm管,降已高于倒流范围,水冷壁出口温度157. 48 C,相应调整管节距。在热负荷、人口参数等条件与出口 压力5. 325 MPa.其临界流速为0. 28 m/s.原系统一致的情况下，全压差特性曲线如图4所在此结构下系统水动力是稳定的。示。此时工质流速为0. 35 m/s,其所对应的压力; 0.070tE中38x6m， 0.070E -φ38x6 mm世0.068066. 160.0.0652)0.066(030.0------.--------D:0640640.00620.000.060-，0058-200 -150 -100 -50 0 s0 100 150 200-15 -1.0 -0.5 0.0 0.5 10 1流量/th-1流速/0m-1(@)流量-压降曲线(b)流速-压降曲线图5φ38X6mm水冷壁系统全压差特性曲线将上述计算结果进行对比,见表1。可以看表1计算参数与结果对比到,气化炉内水冷壁人口参数对水冷壁系统稳定.计算参数ABD性的影响并不明显,因此,在保证水冷壁出口不结构尺寸/mmφ51X6 $51X6 φ51X6 φ$38X6发生过冷沸腾的情况下,可以尽可能降低系统压入口温度/C104力以减小水泵电耗，节约运行费用。然而通过修入口压力/MPa5. 397. 505.39 5.39改其水冷壁结构可以改善水动力特性来保证其出口温度/C152.64 152. 85130.1 157. 48稳定。这主要是由于通过改变水冷壁结构提高出口压力/MPa 5. 32497.4346 5. 32395. 3248了工质质量流率及工质流速。然而其临界流速压力降/kPa65.165.145.3465.26606C却仅从0.272 m/s变化到了0.28 m/s。临界质质量流率/kg'm-*s 226. 2226. 2226.2 327.2量流率也改变很小。因此对于此种类型的气化炉内水冷壁,工质为过冷水,可以认为是不可压流速/m*s~'0.2420.2410.2370.35过冷佛腾安全流缩流体,因此可以采用临界流速作为判别标准。速/m中国煤化工0.079 0.1其设计尺寸必须使系统流量(或流速)大于临界临界流:CYH.CNMH Go.261C66.29 47.66流量(或临界流速)以保证其水动力的稳定性。临界流0. 28为获得一定的安全裕度,可以对临界流量乘以某临界质量流率/kg*(m2 s)-1255. 543 255. 864 249. 823 259. 747系数来进一步保证其水动力的稳定性。32锅炉技术第39卷对采用φ38X6 mm的水冷壁系统进行变负(2)临界流速可以作为检验气化炉内垂直水荷时水动力稳定性校验。其变负荷时水冷壁系冷壁系统是否发生倒流的依据。对于本研究对象，统的全压差特性曲线如图6所示。可以看到，应取工质流速大于0.28m/s以保证系统稳定。100 %负荷下临界流速为0.29 m/s,负荷降低至(3)热负荷是影响水冷壁系统临界流速的重50%时对应的临界流速为0.223m/s,增加至要因素。需要对气化炉最大负荷工况以及热负荷.120 %时其临界流速为0. 324 m/s。 计算表明，分布不均时受热最强管校核其水动力稳定性。在50 %~120 %负荷的变化幅度下,系统水冷壁流速均大于相应负荷下的临界流速,水冷壁系统参考文献:水动力稳定。从图6中可以看到,负荷增加,热[1]陈家仁.加压气流床煤气化工艺的发展现状及存在问题[J].负荷相应增大,临界流速也增大,系统压降减小。煤化工，2006,(6);1-7.负荷减小时变化趋势相反。热负荷对水冷壁临[2]国葬，程光旭，郑宝祥，等.德士古煤气化工艺及装置的长周期安全运行分析[J].西安交通大学学报，2005, 39(9):界流速的影响比较明显,是影响临界流速的重要994- 997.因素,对水冷壁的水动力稳定性影响很大。若[3]郑振安. Shell 煤气化技术(SCGP)的特点[J]. 煤化工，100 %负荷时水冷壁流速的裕度不够，则在更高2003,(2): 7-11.负荷时可能发生水动力不稳定现象。因此需要[4]郑振安.煤种特性对壳脾堞气化装置设计和操作的影响[].化肥设计.2003, 4(6); 15-19.对气化炉最大负荷工况进行水动力稳定性校验。[5]彭爱华. Shell 煤气化技术在合成氨生产中的应用[J].化肥并且,若受热面热负荷分布不均匀，则对受热最工业，2004. 31(4): 45- 48. .强管校核其水动力稳定性也是非常必要的。[6]陈广智. Shell煤气化技术在我国应用的思考[J].煤炭加工与综合利用，199.(6): 42-43.0.072[7]唐宏青. GSP T艺技术概述[].中氮肥， 2005,(2); 14-18.120%负荷合[8]顾大地，岳光溪.非熔碴-熔碴气化炉[P].中国:02121086.i 0.070」，2003..068[9]张建胜，胡文斌，刘艳霞，等.高温下煤气化本征反应动力.066学研究方案设计[J].煤炭转化, 2004, 27(增刊); 13-15..6.....[10] Zhang Jiansheng, Hu Wenbin, 1iu Yanxia, et al. Experi-0.062mental Measurement on the Spray Particles of Triple Chan-0.060nel Nozle. Zhang H, Zhou z, Huang2, etal. eds. Pro--0058ceedings of the 4th International Symposium on Measure--15 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5ment Techniques for Multiphase Flows[C]. Bejing: Inter-流速/m-s-1national Academic Publishers World Publishing Corpora-图6炉内热负荷对水冷壁系统临界参数的影响tion, Hangzhou, 2004: 82 - 86.[11]吴玉新，张建胜.岳光溪，等水煤浆气化炉三通道喷嘴气相5结论流场的数值模拟[].清华大学学报，2006, 46<5); 691- 695.(1)对某8处理煤量700 t的气流床气化炉[12]吴玉新.张建胜，岳光溪，等.用于Texaco气化炉同轴射流计算的不同湍流模型的比较[J].化工学报，2007, 58.内采用的垂直管屏水冷壁进行了水动力稳定性(3): 537-543.分析,计算表明,当采用φ51X6 mm光管水冷壁[13]张建胜.吴玉新.刘青，等二次气流对分级气化炉内三维速度分布的影响[].燃烧科学与技术，2007, 13(2); 131-135.时会发生水动力不稳定现象。而将系统修改为[14]《工业锅炉设计计算方法)编委会。工业锅炉设计计算方法采用φ38X6 mm光管时水动力特性稳定。改变[M].北京:中国标准出版社，2005.系统人口工质参数对其稳定性影响不大。Hydrodynamic of Water Wall in an Entrained-flow Coal Gasifier中国煤化工LI Yan，LI Wen-kai, ZHANG Jian-sheng(Department of Thermal Engineering, Tsinghua UMYHCNMHG(下转第36页)36锅炉技术第39卷[3]韩虹.循环流化床的麝损与防治[J].锅炉制造，2004. (2)。[6]杨海瑞，吕俊复,岳光溪.循环流化床锅炉的设计理论与设计32- 33参数的确定[J].动力工程，2006 ,26(1);42 - 48.[4]冯俊凯,沈幼庭。锅炉原理及计算[M].北京;科学出版[7]赵莹，别如山，董志杰,等.循环流化床冷态流动特性的试验社,1992.研究[J].锅炉制造, 2006, (4);14-16.[5]林刚,吴基球,李竟先. CFB锅炉燃烧高硫石油焦的灰渣综[8]安恩科,谭厚春,李军,等. 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The experimental results show: The abrasion ofhorizontal tube by petroleum tar ash particles in circulating fluidized bed was the result ofdual function of impacting abrasion and cutting abrasion. The abrasion of horizontal tube bypetroleum tar ash particles increased as the flow velocity increased. It is not uniform of theabrasion of horizontal tube with the same cross section, the most heavy abrasion positionsare the middle positions of the cross section and the position far from the middle positionwith the distance ratio of 2/3.(上接第32页)Key words: entrained-flow coal gasifier; vertical water wall; hydrodynamicAbstract; The hydrodynamic of vertical water wall in an entrained-flow coal gasifier with700 ton coal per day was predicted in this paper in order to supply reasonable understandingfor the design. The effect of the tube size on the hydrodynamic was investigated by compa-ring the tube size with 51 mm in diameter, 6 mm in thickness and 38mm in diameter, 6 mmin thickness. The results show that the water flow is unstable if the tube is 51 mm in diame-ter, while it becomes stable in case of the tube is 38 mm in diameter. However, it could notbe improved by decreasing the water temperature at中国煤化工easing thewater pressure. The authors suggested that the hydrcMYHCNMHGentrained-flow coal gasifier could be judged by the critical velorty.