第52卷第2期2021年％月
Vol.52,No.2
Mar.,2021锅炉技术
BOILER TECHNOLOGY
张翔
（上海锅炉厂有限公司，上海200245）
摘要：利用数值模拟方法研究SG-旋风水煤浆气化炉的运行状态及结构参数对其影响，以3000t/d级气化炉为对象建立三维模型，采用Realizable=模型模拟湍流扩散，随机轨道模型考察离散相运动，P1辐射模型考虑散射、辐射以及气体与颗粒间辐射换热的影响，双竞争速率模型模拟挥发分的析出，多表面燃烧模型和涡耗散概念（EDC）模型分别模拟异相反应和均相反应过程$研究结果表明：SG-旋风气化技术具有高碳转化率、高H2/CO比的优势，高温区主要集中在射流火焰周围，梯度变化大；炉内形成漩涡流动，扰动剧烈；温度及各组分浓度在靠近烧嘴层附近变化梯度大；碳转化率随着高径比的减小有下降的
趋势；气化炉上下锥形口处颗粒富集效应较为明显；上部颗粒浓相区随烧嘴平面的下移和高径比的增大而下移；下锥口处颗粒浓相区随着高径比的增大而减小。
关键词：水煤浆气化炉；数值模拟；结构参数；运行状态
中图分类号:TQ546.2文献标识码:A 文章编号：1672-4763（2021）02-0012-07
0前言
在气化技术的开发调试过程中，需要采用各种方法积累数据，来考察结构和运行参数对气化效果的影响$水煤浆气化炉内的温度场、流场、组分场及颗粒浓度场分布比较复杂，为深入了解运行状况，为优化设计提供理论依据，众多研究人员借助Fluent软件数值模拟的方法对气化过程开展了研究工作$刘臻等'1（为获得气
化炉数值模拟研究中常用湍流气相反应模型的适用性和准确性，通过数值模拟分析比较了涡耗散（ED）模型、涡耗散概念（EDC）模型和概率密度（PDF）模型计算的温度场、浓度场和碳转化率分布$郭威等閃采用ED模型对德士古水煤浆气化炉进行数值模拟仿真，考察了水煤浆流量、氧气流量和水煤浆浓度三者之间的耦合关系$于海龙等'3（利用数值方法模拟了水煤浆气化过程中氧碳原子比和水煤浆质量分数对气化过程和出口煤气成分以及碳转化率的影响规律，总结了水煤浆气化过程的数值模
拟经常遇到的问题和解决方法$吴玉新等4选择简化PDF模型结合Fluent软件UDF编制的方法，计算考察了改变水煤浆浓度及C/O原子比等重要参数对气化炉运行特性的影响$
SG-旋风水煤浆气化技术是在机理研究、仿真模拟、热态小试以及中试试验的基础上，由上海锅炉厂有限公司开发出来的新型煤气化技术，采用了多喷嘴（含一对一体化点火开工工艺烧嘴）旋流切圆燃烧、膜式水冷壁，设置下行水激冷或辐射废锅，与其他水煤浆气化技术相比，具有煤种适应性广'H/CO比高、碳转化效率高的优点$
为适应新兴煤化工对气化工艺的要求，大规模高参数气化炉的开发成为发展趋势$为规避运行中可能出现的局部超温、挂渣困难等风险，针对3000t/d级SG-旋风水煤浆气化炉开展数值模拟研究，重点考察温度场、流场、组分场的分布，以及结构参数对碳转化率、颗粒浓度场的影响，以期为炉型设计及实际调试运行提供技术支持$
1研究对象及模拟假定
1.1操作煤种分析数据
见表1$
收稿日期2020—05—06
作者简介：张翔（1990-），男，硕士，工程师，主要从事化工技术开发及工艺包设计$
第2期张翔：基于EDC模型的SG-旋风水煤浆气化炉数值模拟研究13
表1操作煤种分析数据
项目数值
>ar/wt%8.8000
>ad/wt% 4.7900
3x/wt%14.8199
V/wt%31.2362
FC x/wt%53.9439
C X/wt%70.1922
H d/wt% 4.2643
N x/wt%0.8718
S X/wt%0.4201
O d/wt%9.4318干基高位热值/(6JJg1)27.8767
1.2运行数据
见表2$
表2运行数据
项目数值
煤浆流量/(fd1)4838.71煤粉质量(干基)/(fd1)3000
水煤浆浓度/wt%62
水煤浆温度/K323.15
烧嘴数量/个4
氧碳原子比1
氧气温度/K300
操作压力/6Pa 6.5
氧气流量中心氧/Jg・h1)5113.41
(单烧嘴)外环氧/(kg・h1)24106.07
烧嘴的中心通道和外环通道通入纯氧作为气化剂，内环通道通水煤浆，4个烧嘴呈4°切圆型式布置在炉膛上部$
1.3工况设置与网格划分
为考察高径比H/D(气化室容积恒定下)、烧嘴平面层布置高度比H1/H对碳转化率、颗粒浓度场的影响情况，设置工况见表3，各符号含义见图1$
表3工况设置
工况D/mm H1/mm H/mm H/D H1/H
12670292910722 4.01570.2732 2289025009151 3.16640.2732 3315021057703 2.44540.2732 2-1289018009151 3.16640.1967 2-3289032009151 3.16640.3497
以工况2考察温度场、流场、组分场的分布，其几何模型与网格划分见图1$取1/4结构以六面体网格为主进行划分，设置周期性边界，并做网格数量无关性检测，结合计算量考虑，确定各工况网格数在21万〜25万$
图1气化炉几何模型及网格划分(工况2)(单位：mm) 2数值模型
水煤浆气化历经雾化、水分蒸发、脱挥发分、异相反应、均相反应等物理化学反应过程$采用对射流和旋转流动有很好的表现的Realizable 启£模型来模拟湍流运动。域内包含对散射有较大影响的离散相颗粒，为考虑散射以及气体与颗粒间辐射换热的影响，选用P1辐射模型。其他主要模型如下$
2.1离散相模型
采用随机轨道模型考察离散相的运动，并考虑与连续相耦合的湍流扩散影响$运用Rosin-Rammler函数进行粒径拟合，范围45〜200#m，平均粒径87.5#m，分布系数3.375$离散相平衡方程(乂方向)为：
6z=F D(u-u p)+gx(p I p)+F X(1)
dt p z
式中:F b(u-u p)——离散颗粒单位质量曳力,N；
u----连续相速度，m/s；
p----连续相密度Jg/m3&
叫—
—离散颗粒速度，m/s；
p z——离散颗粒密度Jg/m3&
g!---重力加速度，m/s2；
其他力，N
$
14锅炉技术第52卷
2.2脱挥发分模型
(1)挥发分析出模型
采用双竞争速率模型模拟挥发分析出，2个
平行的一级反应分别在不同的温度范围内控制
着析出速率$
t时刻挥发分总析出量'2，为：
_________'2,_________—
(I—
("4+(R i+R H,}(2)
式中4——低温竞争速率常数&
R h——高温竞争速率常数，生成率因子取
"=0.3、"=1；
f…,——选择湿性燃烧时颗粒所含可蒸发物
质的质量分数&
'z,----入射源水煤浆颗粒初始质量，kg；
'b----水煤浆颗粒中灰分质量，kg。
(2)挥发分分解模型
液滴蒸发和挥发分析出迅速，将水煤浆视为
具有特殊性质的煤粒，水分含在湿性燃烧中考
虑$以干燥基煤为基准，挥发分分解过程如下,
根据Merrick热解模型以及元素和能
量守恒确定$
volatiles-----x$CO2+丄2H2S+a：3H2+
!4N2+a：5CH4+!CO(3)
2.3异相反应模型
挥发分析出分解后，余下的残炭成分在氧作
用下发生燃烧反应$氧耗尽后，没有燃尽的残炭
继续与CO"等气体发生异相反应$
采用多表面反应模型模拟炭粒燃烧$对于
某气相物质"与颗粒表面物质j的异相反应［6］:
4，卩
0,r」小—厂［(T z+T j)/2」055 0,r=匕，(4)
R g,r=R kT,
(5)
%——反应的温度指数&
E r——反应活化能,J/kmol$
本文考虑的异相反应见反应(7)〜反应(9)，反应参数见表4$
C+0.5O2-----CO；"rH m=—110.54(7)
r3
C+CO2—2CO；—H m=172.45(8) C+H2O-R$CO+H z；—H m=131.30(9)表4异相反应动力学参数
反应A r E r N r%G r -2 1.36X106*153X1080.6505X1012 -3 6.78X1041578X1080505X1012 -4 2.89X1082552X10805405X1012
&
R kT,r=A r T$e-(ER
式中：R”r-----------物质j的异相反应/的速率，
(kg.m2)/s；
3r——指前因子，(kg・E2)/(s・Pa Nr)；
R jt，——本征动力学速率,(kg-m z)/(s・Pa Nr)；
铠装加热电缆
)——连续相反应物的分压，Pa；
8——显示反应基数&
D#,r——连续相反应物的扩散速率，
(kg.m2)/(Pa.s)；
G，——连续相扩散控制常数;2.4均相反应模型
采用EDC模型模拟气体均相反应，可使用详细的化学反应机理来模拟湍流-化学反应的相互作用'」$对于均相气体转换反应，物质z的产生/分解摩尔速度-ir：
-i,=(7i,—7,—
j-1减温减压装置撬装重心
<,r=<f,r/K r(12)
N r
<,r•&G j，r」r/(10)
j-1
<,r=A r T%r e—E r-(11)
式中：<f,r——正向反应速率常数&
<,r——逆向反应速率常数；
Kr——平衡常数&
f
7i,——反应物2的化学计量系数&
a
7i,r——生成物2的化学计量系数&
—每种反应物或生成物j的正向反应
速度指数&
a
—每种反应物或生成物j的逆向反应
速度指数$
本文主要考虑气体燃烧反应、水气可逆变换反应$具体反应见反应(13)〜反应(17)，反应参数见表5$
CH4+0.5O2
-5
-
----5*"CO+2H2&△厂H m=—35.64(13) H2+0.5O2
-6
--------$-H Z O；△厂H m=—241.84(14) CO+0.5O2
-7
---------5-CO”△rH m=—282599(15)
CH4+H2O'R(CO+3H2
(16)
CO+H2O
-9
、、CO?+H2(17)
第2期张翔：基于EDC模型的SG-旋风水煤浆气化炉数值模拟研究15
表5均相反应动力学参数
反应4%
43X108 1.26X108[CH4(5[O2(250
4 2.85X1016 1.68X108[H2(25[O2(-1
2.2X1012 1.67X108[CO(O2(25[H2O(50
4, 4.4X10U 1.68X108[CH4X H2O]0
4,4,[CO(H2(
K』CH4(H2O]
4,4.75X1010838X107[CO(H2O]0 4,6.64X10】°113X108[CO2(H2(0
3数值模拟分析
3.1模型验证分析
塑料破碎机刀片鉴于3000t/d级SG-旋风气化技术尚无工业应用业绩，为此以工况2为对象开展Aspen Plus软件工艺流程模拟，用以模型的相互验证$ 2种方法气化室出口参数见表6，数据吻合较好，数值模拟结果可信$
表6气化室出口参数对比
工况Aspen12-122-33
CO/%35.0035.0534.8834.9235.0234.65 H2/%26.8029.1829.3229.2229.2829.15 H2O/%20.8719.6119.6819.7019.6119.95 CO2/%15.8814.9514.9114.9514.8815.03 N2/%0.97 1.06 1.06 1.07 1.07 1.07 H2S/%0.150.120.120.120.120.12碳转化率/%994099.4999.3099.2999.4798.92温度/?134213341331133313341332
同时借助加压气流床煤气化中试平台开展了40t/d级工况下的中试试验，见图2$测量出口温度在1300-1380?波动；出口处合成气抽
图2上海锅炉厂有限公司加压气流床煤气化中试平台样检测显示CO含量34.7%，巴含量27.3%，数值模拟结果与此接近，这也佐证了工业放大模型下的模拟结果的正确性$
3.2技术优势分析
立式真空炉
与传统德士古技术相比，从表6中可以看出，碳转化率方面SG-旋风技术（＞99%）优于德士古（95%-97%）；有效气组分（CO+H2，干基）约80%，两者相当，但H2/CO比值高$
3.3碳转化率分析
观察表6中工况2-1、工况2、工况2-3，可以发现烧嘴平面所处位置对碳转化率影响较小。观察表6中工况1、工况2、工况3，随着高径比的减小，气化炉缩短，气流路径尤其直接下旋流向岀口的气流路径减小，所携带颗粒的停留时间随之减小，导致部分颗粒气化反应的时间有一定的缩减，碳转化率有下降的趋势$
3.4温度场分析
工况2中烧嘴层截面及轴向截面温度场见图3$从烧嘴层截面可以发现火焰形成切圆燃烧，高温区主要集中在烧嘴射流周围附近，并且温度梯度变化大，最高温度超过3200?$由于切向射流的相互抑制，火焰单侧被拉长，中心处产生一约1100?低温区$从轴向截面可以发现高温区集中在烧嘴平面层，旋转气流向上、向下流动过程中温度趋于均匀，炉膛中下部温度总
_-lo-1.5-l.O-O.500.51.01.5
A7m
(a)烧嘴层截面温度场
X/m
（b）轴向截面温度场
图3烧嘴层截面及轴向截面温度场（工况2）
16锅炉技术第52卷
体高于上部$除烧嘴层平面外，在烧嘴下方0.5〜1m高度上的水冷壁附近也岀现了一较高温区域，此处正处于下行的高温气流旋转第一周所经路径上$
3.5流场分析
工况2中速度场、速度矢量、流线及颗粒轨迹分布见图4$从烧嘴层截面速度场可以发现射流离开烧嘴后衰减迅速，射流径向方向速度衰减梯度大，在切圆中心和水冷壁附近速度较小；观察烧嘴层截面上气流速度矢量，流线在接近相邻射流时方向突然转折，说明射流对气流的卷吸作用非常明显；从轴向截面速度场可以发现烧嘴层平面附近速度衰减梯度大，由于气流是螺线形向上向下旋转流动，近中心轴线速度较小$在岀口处，由于锥形缩口而流通面积减小，速度随着平面的下移而增大；轴向截面矢量图上对称的炉膛两侧形成了14个漩涡，说明扰动剧烈，流场复杂；流线的旋转直径由上而下逐渐减小，而颗粒在炉内的最长停留时间超过14s，这为气化反应的进行提供了充足的时间$
27m
(a)烧嘴层截面速度场(b)烧嘴层截面速度矢量
Q________ -2-1012
A7m (c)轴向截面速度场
Q--———
^2-1012
A7m
时间沧
li
■7.8
7.3
6.8
6.4
5.9
5.4
4.9
4.4
3.9
3.4
2.9
-2：0
I 1.5
Ip
(e)流线
时间沧
(f)颗粒轨迹(d)轴向截面速度矢量
图4速度场、速度矢量、流线及颗粒轨迹分布图(工况2)
3.6组分场分析
工况2中沿轴向高度方向各水平截面上平均温度与组分浓度分布曲线见图5，轴向截面组分场见图6$观察在靠近烧嘴层附近，温度及各组分变化梯度大$
co浓度在烧嘴层Z=0处于低位，但生成速度快，顶部有一低浓度区，其他区域分布比较均匀，平均浓度较高$H2浓度在烧嘴层Z=0处为一波谷，炉膛下部区域浓度低于炉膛上部$相反的,H2O平均浓度在烧嘴层Z=0处于波峰，炉膛下部区域浓度高于炉膛上部$H2O与H2浓度的互补式分布说明了H2主要来源于H2O的还原$CO2浓度在烧嘴层Z=0处于低位，此处碳正发生剧烈的燃烧反应$除烧嘴层附近区域外，炉内co2与co浓度的分布也呈互补趋势，顶部有一高浓度区，在炉内其他区域分布比较均匀，平均浓度较其他分析组分低$
1600
1550
1500
1450
1400
疋1350
氯1300
吗1250
1200
pva抛光轮1150
snis8721100
1050
1000
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
M
s
®
轴向高度
-4000-200002000 4 00080009000
图5水平截面平均温度与组分浓度(工况2
)
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