新型干煤粉气化炉数值模拟研究

第45卷第4期吊炉技术Vol. 45, No.42014年7月BOILER TECHNOLOGYJuly.，2014新型干煤粉气化炉数值模拟研究倪建军'，崔洁'(1. 上海锅炉厂有限公司，上海200245; 2. 中国船舶重工集团公司第七一-研究所，上海201108)摘要:针对一种新型气渣分流式干煤粉气化炉进行数值模拟研究,利用数值模拟方法对新型气化炉进行三维建模,采用Relizablek-e模型封闭湍流方程,应用随机轨道模型计算煤粉颗粒流流动,利用未反应核缩芯模型和涡扩散模型(Eddy-isipation concept, EDC)分别模拟颗粒表面的化学反应和均相反应过程,采用P1辐射模型考虑了热辐射气体的辐射传热作用。研究结果表明:新型气化炉采用中上部多喷嘴干煤粉切向进料，炉内涡旋流动明显,流场十分复杂,颗粒在气流夹带和离心力作用下甩向壁面沉积形成液态渣膜，干煤粉气化反应在高温、高压下几乎瞬间完成,炉内温度分布和气体组分分布吻合。关键词:新型气化炉; 干煤粉气化;数值模拟中围分类号:TK221文献标识码:A文章编号:1672-4763(2014)04-0018-05的测量十分的困难,因此采用数值模拟的方法0前言对炉内热态情况进行研究具有重要的指导意煤气化技术最早诞生于19世纪末,从早期义中。本文将对上海锅炉厂有限公司自主开发的固定床常压低温气化技术发展到现在已有一的新型干煤粉气化炉进行数值模拟研究,以期百多年历史,按照反应器类型可分为三类:固定为后续的设计放大提供技术支撑。床、流化床和气流床。目前,气流床气化炉被认.1 物理模型.为是第三代气化技术而广泛应用,其主要具有高温高压操作,处理负荷高,运行指标优和煤种适新型气化炉的4个烧嘴沿气化炉圆周同应性强等特点。气流床气化技术从燃料分类又平面上均匀布置,故气化炉满足采用四分之一可分为干煤粉气化和水煤浆气化两类。周期性边界计算条件。本文数值模拟方法采用Shell气化技术是具有代表性的先进干煤粉六面体网格和四面体网格相结合的方法,其中气化技术,采用千粉进料,冷壁式气化技术,从六面体网格占比超过95% ,经网格独立性计算，理论上对煤种的适应性非常强,低灰熔点煤的最终确定的计算网格数量为388 815。为取得气化通常采用水煤浆气化技术,而理论上在新气化炉内精确流场特征,烧嘴结构完全按照工型气化炉中的应用比水煤浆气化更加高效，但业上使用的干煤粉气化烧嘴,未进行烧嘴通道实际却出现了水冷壁无法正常挂渣、合成气冷的简化处理,气化炉壁面按照壁面热损失2%计却器结垢严重,以及干合成气飞灰过滤器滤芯算。烧嘴进料采用质量人口,气化炉出口采用频繁断裂、碳转化率低、CO变换催化剂失活等压力出口,对于离散相,煤粉颗粒跟踪数目为问题。从气化炉形式角度分析,Shell气化技术8550个。采用了气渣分流的形式,渣主要靠重力作用向本文研究的新型气化炉操作压力4.0 MPa下流动,合成气向上排出,存在渣的流动动力不(G),处理量为2 500 t/d,4个烧嘴均匀进料,煤足形成堵渣等风险。气化炉内属于高温高压的种工业分析和元素分析见表1所示，煤灰流动温多相化学反应流动,对炉内的流动与各种参数度1270C,中国煤化工MYHCNMHG收稿日期:2014-02- 20基金项目:上海市青年科技启明星计划(14QB1401700)作者简介:倪建军(1983 -),男,工学博士,工程师，主要从事煤化工与电厂环保新技术的研发工作..第4期倪建军,等:新型干煤粉气化炉数值模拟研究19表1原煤分析数据工业分析元素分析: Qxv.e/(M].kg-")MaAu_VdFCtHOuSaga212. 531. 0556. 4560. 333.629.950.690.4122. 94煤裂解模型(8]，根据表1中煤粉元素分析数据，2数学模型用元素平衡方法进行估算。2.1连续相与离散相控制方程2.3煤粉颗粒表面反应根据文献报道和选用不同模型的计算比较，气化炉内,热解后的半焦与氧气、CO2、H2O综合考虑计算量与精度的关系,选用Realizable和H2发生非均相化学反应。由于焦炭与H2的k-e模型对雷诺平均后的N-S方程进行封闭。化学反应速率非常小，故本文只考虑焦炭与氧不同粒径颗粒群在气化炉内的运动、分布情气CO2和H2O的非均相反应。况采用随机轨道模型在拉格朗日坐标系下考察，C+0.5O2→CO,-111 kJ/mol(R1)采用双向耦合算法考虑颗粒相与连续相间的相C+CO2“→2CO, + 172 kJ/mol(R2)互作用。建立颗粒与连续相热平衡计算方程,可C+H20- +CO+H,+ 131 kJ/mol (R3)解颗粒相温度为:采用未反应核缩芯模型来模拟颗粒表面的=hAp(T,- Tp) +epApσ(昨- - T) (1)化学反应,化学反应速率受扩散与本征动力学共t同控制。式中:m,-颗粒质量,kg;C- 热容,J/K;表2非均相化学反应动力学常数[4]- 温度,C;反应_ A./[kg.m'/(Pa^s')~']E,/(kJ.mol-1) n ψ- 发射系数;C+O21.36X1060.68 14C+CO2178. 0.53 2.表面积,m2;C+ H2O2. 89X 10'2520.602气相温度,C;-对流换热系数, W/(m2.K);2.4气相化学反应0k一辐射温度,C;气相的化学反应主要有两部分,一是炉内气- Stefan-Boltzmann常数。体的燃烧反应;二是CH和CO与水的可逆反颗粒与气体对流换热系数h根据RanzMar-应,具体反应如下:shall关系式计算:CO+0.5O2-- +CO2,- 283 kJ/mol(R4)Nu= hde=2. 0+0. 6(Ref"Pr/3) (2)H2 +0.5Or-→H2O,-242 kJ/ mol(R5)k式中:d,颗粒直径,m;CH,+0.5O2-- +C0+2H2,-35.7 kJ/mol (R6)-连续相导热系数,W/(m*.K);CO+H2O-"→CO2 +H2,-41.1 kJ/mol (R7)Res --颗粒相对雷诺数;CH, +H2O-- +CO+3H2,+206 kJ/ mol (R8)Pr---连续相普朗特常数。对于气相化学反应,采用涡扩散EDC模2.2煤粉脱挥发分型[5]进行处理,气化炉内各反应参数的具体数值在气化炉内,颗粒相与气相发生复杂的物理见表3所示。与化学反应过程,包括煤浆颗粒的蒸发、脱挥发表3均相化学反应动力学常数[6-8]分、焦炭燃烧及均相气体的燃烧与变换反应,其A/[kg.m2●(Pa-N.s)-'] E,/(J.kmol-1) p过程可表示如下:6. 8X 10151. 68X 10*挥发分(V)→a2CH,(or Cr Ho)+asCO+2. 2X 10121. 67X 10*a,CO2+ asH2 +an H2O+中国煤化工10*k,agN2+agH2S(3)ks.YHCNMH G10对于挥发分析出过程V1采用两步竞争反应kjs2. 75X 10108. 38X 107模型,对于挥发分分解过程的具体含量按Davidke2. 65X10-23. 96X 10*锅炉技术第45卷2.5辐射模型的火焰由于切向射流而相互抑制，与文献[10]所干煤粉气化炉内含有一定量的H2O和报道的对撞式撞击火焰产生向上和向下撞击火焰COr ,对辐射具有强烈的吸收作用。炉内的光学存在较大差别。由于切向旋转,火焰单侧被拉长，厚度大于1,因此采用较为简单的P1模型计算炉旋流平面中心产生一低温区,最低温度约1 239内的辐射传热[9]。C。旋转气流沿气化炉简体向上流动过程中,温度先升高再降低,出口温度约1360C。3模型验证本文对某化工厂新型气化炉的设计进行了模拟分析,其中操作条件见表4。由于该装置处于设计阶段,尚未有实际运行数据,因此采用过程模拟软件模拟数据用于模型检验。表5给出2种方法模拟得到的出口气体组成、温度和碳转化率,从表5中可以看出,2种方法模拟得到的数据吻合较好。*z表4气化炉操作条件图1气化炉轴截面温度场(单位:K)变量参数气化压力/MPa(G)4.0粉煤流量/(kg.h-)103 968输送氮气/(kg.h-1)9 936煤粉密度/(kg*m-°)1200氧气流量/(kg.h-)68853.6.氧气浓度0. 996水蒸气量/(kg.h-1)5 198. 4表5新型气化炉 出口气体组成、图2气化炉轴截面颗粒浓度场(单位:kg/m*)温度和碳转化率项目数值图3显示了新型气化炉轴截面上煤粉颗粒Aspen Plus本文模型浓度分布情况，从图中可以发现,烧嘴上下侧近61.1461. 81CO21.82 .1. 59壁面颗粒浓度较低,而颗粒在旋转向上气流的夹H228. 9129. 84带和重力的双重作用下,在气化炉的中上部和底H2S0.430.32部锥形渣口近壁面富集。由于新型气化炉采用H2O2.832.37合成气与熔渣并流设计,熔渣在重力和气流夹带CH,0. 040. 03的双重作用下向下流动最终覆盖整个气化炉水4. 834.04CO+ H290. 0591. 65冷壁简体表面,与Shell气化炉气、渣分流式设计碳转化率99.199.5.存在明显差异["。T/C1 3531 3664结果分析新型气化炉的4个烧嘴沿炉本体圆周均匀布置在气化炉中下部,图1显示了新型气化炉轴截面上的温度分布。可以发现，气化炉高温区主要集中在烧嘴_上下部区域。从图2的烧嘴喷射的火中国煤化工焰截面也可以看出,气化火焰温度最高超过3000CNMHG图3喷嘴截面 温度场(单位:K)°C,火焰呈扩散发射状,最宽射流火焰圆周约350~400mm。从图3中还可进一-步发现,烧嘴喷射图4显示了新型气化炉内轴截面三维流线.第4期倪建军,等:新型干煤粉气化炉数值模拟研究情况。从图4中可以看出，气化炉内流场复杂，煤粉气化明显。干煤粉气化的合成气变化主要存在十余个旋流涡区,烧嘴的高速射流产生了烧集中在烧嘴气化和燃烧的高温区域附近,在旋流嘴上下侧的卷吸回流涡,因4个烧嘴射流切向旋中心的合成气有效气组成浓度相对较高。随着转射流,在气化炉烧嘴截面中心形成了较大的负水煤气变换反应和碳颗粒气化反应的发生,气化压旋流涡(如图5所示),以致使旋流涡上下侧气炉内合成气组成沿气化炉向上有一定的变化。流分别被卷吸进人涡旋。在气化炉底部，合成气其中CO2和水蒸气在烧嘴气化火焰出浓度相对夹带灰渣颗粒并流流出气化炉;从图5中还可以集中，煤粉中约2%的水蒸气在瞬间被完全脱出，看出,在烧嘴切向角度为4°时,烧嘴截面中心旋碳颗粒在挥发分析出后发生少量的燃烧反应。流涡直径约为气化炉直径的1/3, 旋流涡中心流随后碳颗粒与水蒸气和CO2发生反应,CO2和水速接近于0,烧嘴与烧嘴之间的空隙区域流速比蒸气作为气化剂，浓度逐渐降低。量的燃烧反较均匀,形成平均速度约4.8 m/s的旋转流场，应,随后碳颗粒与水蒸气和CO2发生反应,CO2和且从图中可以发现，旋转流速的线速度逐渐降水蒸气作为气化剂,浓度逐渐降低。低,旋转直径随之减小，研究还发现物流在气化0206名炉内的最长停留时间超过15 s,为气化反应的进0.303. 4行提供了足够的反应时间,该指标超过了合成气r 0.3069分流式设计的Shell 干粉气化技术1],有利于碳转化率的提高。0.303 40.302们(b) H2.图4气化炉轴截面速度场(单位:m/s)口(e)CO2为，(d)H20图6气化炉轴截面气体组成浓度分布图5喷嘴截面速度分布(单位:m/s)5结语图6显示了新型气化炉内的主要气体组成通过数值模拟方法对工业规模新型气化炉CO、H2、CO2和H2O的摩尔浓度分布情况。从进行了模拟研究,给出了新型气化炉的流场、温图中可以看出,新型干煤粉气化与文献[4]报道度场、合成气浓度分布等相关信息,主要得出如.的水煤浆气化存在一定差别,主要体现为反应速下结论:度和合成气组成。由于水煤浆气化过程中有脱(1)新中国煤化工中在烧嘴平水环节,且内部反，应动力学特征与干粉气化存在面上下区域:YHCNMHG达到约3000差异,故反应速率和反应结果与干粉气化不同，C,火焰稳定,且不会直接射向炉壁。水煤浆气化炉的合成气组成浓度分布阶梯较干(2)多股切向射流燃烧流股在烧嘴平面形成.22锅炉技术第45卷强力漩涡,带动了气化炉内空间的旋流流动，整Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51:个气化炉内旋流流场明显,颗粒旋流使颗粒在离2560- 2569.心力和惯性力的作用下向壁面流动,气渣并流可[5] Magnussen, B. F.; Hjertager, B. H. On MathematiealModels of Turbulent Combustion with Special Emphasis on使气化炉内温度分布和熔渣贴壁分布更加合理Soot Formation and Combustion[C]. 16th Symp. (Int.)内匀。Combust. , [Proc. ] 1976, 719-729.(3)干煤粉气化与水煤浆气化存在较大差[6] Choi YC, LiX Y, Park TJ, et al. Numerical study on the异,合成气组成分布与温度变化相对应,旋流中coal gasification characteristics in an entrained blow coal gas-ifier[J]. Fuel, 2001, 80:2193 - 2201心存在温度最低点和有效气成分浓度最高。[7] Jones, W. P. ;Lindstedt, R. P. Global Reaction Schemes综上所述,通过数值模拟的方法可以准确for Hydrocarbon Combustion[J]. Combust. Flame, 1988,得出新型气化炉在高温高压下运行时的炉内73, 233 - - 249.参数特征,为实际工业运行提供技术指导和参考。lyzed and Wall-Catalyzed Forward Water-Gas Shift ReactionKinetic[J]. AIChE J.2005, 51 <5)， 1440- 1454.[9] Chen C X, Horio M, Kojima T. Numerical simulation of en-参考文献:trained flow coal gasifiers Part I: modeling of coal gasifica-[1]于海龙,刘建忠,张超,岑可法等.多喷嘴对置与新型水煤浆tion in an entrained flow gasifier [J]. 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Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108，China)Abstract: A comprehensive three dimensional numerical model is developed for simulation ofthe industrial scale new type gasifier. The dry pulverized gasification process is divided intoseveral submodels. The Realizable k-ε model is applied to close the Reynolds averaged Navier-Stokes equation for gas phase, and the Random- Trajectory model is used to simulate the be-havior of particle flow in gasifier. Water evaporation, coal pyrolysis, and homogeneous andheterogeneous char reactions are all considered. The P1 model is adopted to calculate the radi-ative heat transfer in gasifier. The numerical model is performed to simulate the industrialscale new type gasifier, the predicted results indicated that the coal particle enrich on the wallabove the burner and bottom of gasifier, the particle is effected by centrifugal force, so steadyslagging flow can be formed on the surface of the cold-water wall. Furthermore, the eddyeffect also led the particle flow to the wall of gasifier and deposited, and the slag formed onthe wall of gasifier will molted and flow down from the t中国煤化工ure andsyngas composition distribution in the gasifier is agreed well.YHCNMHGKey words: new- type gasifier; dry pulverized coalgasification; numerical simulation