多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比

第32卷第5期2007年5月
煤炭学报
JOURNALOFCHINACOALSOCIETY
V01.32No.5
Mav2007
文章编号:0253—9993(2007)05—0526一05
喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比
于海龙1,刘建忠2,张超1,岑可法2
(1_中原工学院能源与环境学院,河南郑州450007;2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)
导电碳浆摘要:为了考察新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉的对比,应用数值模拟的方法,对该新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化进行了热态数值模拟研究.结果表明,新型水煤浆
气化炉在炉内气化流场的组织和产出的有效气成分上均优于多喷嘴对置式水煤浆气化炉,在相同容量的气化炉内,新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉对比,碳转化率高0.75%,水解率高近2.91%,干有效气成分高5.34%,冷煤气效率高7.09%,每产出1000m3有效气(cO+H:)可节省氧气20m3,节省煤36kg.
关键词:水煤浆;气化炉;气化;数值模拟
中图分类号:TQ534.4文献标识码:A
Thegasif妒ngcomparisonbetweenthemlllti-nozzleoppositiongasi6er
锄danewcoalwaterslurry髟峪i6er
YUHai—lon91,UUJian—zhon92,ZHANGCha01,CENKe一岔
(1.Sc^o以o,阢聊r&跏irDn榭眦,z幻ngy∞n№蚵旷死击,蝴,肌愕z幻Ⅱ450007,傩讯口;2.S缸把研k6∞口幻叮D,陇帆阢w耽拓∞£如n,z^驴。愕踟矗Ⅲ妙,胁耐∞310027,蕊池)
Abstract:Inordertocomparethenewgasmerandthemulti—nozzleoppositiongasifier,the
num翻calsimulationme出odathotstatewasappliedtostudythegasifyingproeessbothofthenewgasi鑫erand出emulti—nozzleopposi—tiongasifier.Thesimulatedresultsshowthatcomparedwiththemulti—nozzlegasi6er,thegasifyingnowfieldandtheeH'ectivegasesintllenewgasifierissuperior.Inthegasifierofsamecapacity,tlleemciencyofcarbonconVer—sionofthenewgasifierismoreaboutO.75%,alldpercenthydrolysisismoreabout2.91%,whiledryefkctivega—sescomponentsaremoreabout5.34%,andcoldgasefEiciencyismore
about7.09%,comparedwi出tllemulti—nozzleoppositiongasifier.20m3oxygenand36kgcoalcanbesaVedwhile1000m3elkctiVegasesareproduced.KeyⅥ协rds:
coalwaterslurry(CwS);gasifier;gasification;numericalsimulation
为说明新型水煤浆气化炉的优越性所在,对额定工况下的多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉的气化过程进行了数值模拟计算,并将数值模拟计算结果进行了对比.从流场分布、温度分布、粗煤气组成、气化炉内平均温度、碳转化率、水解率、颗粒平均停留时间、单位产气氧耗等各个方面进行了详细的对比说明.数值模拟计算中多喷嘴对置式气化炉的运行工况为:气化炉容量600kg/h,气化压力4MPa,煤浆浓度62%,氧碳原子比0.98,单支喷嘴煤浆流量150kg/h(共4支),单支喷嘴氧气流量61.74m3/h,气化炉内氧气总流量246.96m3/h.数值模拟计算中新型水煤浆气化炉的运行工况为:气化炉容量600kg/h,气化压力4MPa,煤浆浓度62%,氧碳原子比0.959,炉顶喷嘴煤浆流量240kg/h,炉收稿日期:2006一07—28责任编辑:柳玉柏
基金项目:国家重点基础研究发展计划基金资助项目(2004cB217701)
作者简介:于海龙(1975一),男,吉林镇赉人,博士,副教授.7rel:037l一62506050,E—mail:8unin曲0y@sohlLcom
第5期于海龙等:多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比527
侧单支喷嘴煤浆流量90kg/h(炉侧共4支),炉顶喷嘴氧气流量145m3/h,炉侧单支喷嘴氧气流量24.17m3/h,气化炉内氧气总流量241.68m3/h.
1数值模拟的控制
1.1计算对象的描述
本文进行数值模拟计算的物理模型分别为600k∥h的新型水煤浆气化炉和600kg/h的多喷嘴对置式水煤浆气化炉炉内三维空间.新帕斯卡裂桶实验
型水煤浆气化炉内径为0.5m,净
高1.5m,高径比为3(图1).
此模型对实际气化炉进行适
当的简化处理,将炉膛两端对流
场影响较小的圆角部分去掉,而
将气化炉视为一个圆柱状,这样
就简化了模型网格划分的麻烦和图1气化炉数值模拟计算的物理模型
限制,而对实际数值模拟又不致Fi昏1Gas正erphysi浏modelofnum甜ca】simll】atj伽calculati叩
产生较大的影响.物理模型决定以后,利用四面体和六面体对此模型进行了混合网格划分.
1.2计算的数学模型
根据前人的研究成果¨“],并总结其优缺点,数值模拟计算用的数学模型采用如下形式.
(1)二维流动的控制方程在数值模拟中,流动由质量、动量、能量守恒方程描述.连续性方程(质量守恒方程)的一般形式口1为害+丛磐+警+亟磐=o.黏性流体的运动方程(动量守恒方程)为
N—s方程,其一般形式口3为p警=毹一毒+肛硪芸麦+争硼毒(老).
模拟计算中湍流动能的控制采用,c一占黏性湍流流动模型哺1,其以张量表示的支配方程的一般形式为
杀(p,c)+毒(p麒i)2茜(%胁差)+G。一p岛
击(p8)+毒(p蹦)=蠢(d。胁蓑)+c・。詈G。一c2ap譬,
式中,p为混合物的密度;“i为i方向的速度分量;f为时间间隔;G。为由平均速度梯度引起的湍流动能;c。。,c:。为经验常数,由文献[6]给出,分别为模型常数c。。=1.42,c:。=1.68;p。行为有效黏性.将以上方程加上边界定解条件,利用有限容积法可求得流场内流体运动的瞬时解,包括流体运动的速度分布、压力分布、湍流强度分布等.
(2)辐射模型由于煤浆中存在煤粉颗粒,其与气相间的对内、对外辐射不容忽视,综合考虑选用燃烧计算常用的P一1辐射模型[7’8].P一1辐射模型是P—N模型的最简单情况,辐射流量为
q,=一VG/[3(o+盯。)一c盯。].(1)其中,G为人射辐射;o为吸收系数;盯。为散射系数;c为线性各向异性相函数系数(详见后面阐
述).如果引入参数,,则,=1/[3(o+盯。)一c盯。],则式(1)可简化为
中频淬火变压器q,=一厂VG.(2)对于G的传输平衡方程可表示为
V(厂VG)一oG+4口盯r4=Se,(3)其中,盯为斯蒂芬一波尔兹曼常数;s。为用户定义的辐射源相,对于水煤浆气化过程的数值模拟,由于没
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(3),得
一Vg。=oG一4Ⅱ盯r4.(4)则式(4)可以直接带人能量方程来计算热辐射.
(3)水分蒸发的处理通常在进行水煤浆滴水分蒸发计算时,可以应用spalding的水滴蒸发理论来建立蒸发过程的数学模型∽J.对于水煤浆气化过程,由于炉温较高,水分蒸发迅速,其水分蒸发时间占燃尽时间的比例很低,在1%的数量级¨0【,因此,在对水煤浆气化过程进行数值模拟计算时,可以认为水分一进入气化炉就立刻蒸发完毕,但其蒸发所需汽化潜热应包括在整个计算过程中.(4)挥发分析出模型由H.Kobayashi等人u刈提出的用2个平行的、互相竞争的一级反应来描述挥发分的析出过程比较合适.即2个平行的反应同时将煤的一部分(a。,“:)热解成挥发分K和屹,另一部分则变成炭R,和R:.这个模型的特点认为存在着2个不同活化能:E。和眨,以及2个不同的频率因子K。和如的热解反应,且认为E:>E。,如>%。.根据文献[11
],对于烟煤,当取E。=74Wmol,E:=250kJ/mol,K1=3.7×105/s,点如=1.46×1013/s,a,=0.38,a2=0.8,则能取得比较好的结果.其析出挥发分的质量m。(f)可由下式求得(各量全部为分析基数据)
了i—二了;iiii专j矗2上{(a-后・+仅z.|}z)exp[一上(忌・+矗z)d£]}d£,(5)
m,f、一一
式中,m,(f)为£时刻已析出的挥发分质量;厶。。为水煤浆中水分和挥发分总的质量分数;%.。为喷射源的初始颗粒质量;m。为颗粒的含灰量;矗,,矗:为2个反应的反应速率,其中忌。=3.7×105exp(一17700/R丁);.|}2=1.46×1013exp(一59800/R丁);尺为气体常数;r为反应温度.
(5)焦炭燃烧模型焦炭燃烧反应不仅在炭的表面进行,也可以在炭的内部孔隙中进行,高温时,受到氧气向颗粒内部扩散和燃烧产物向颗粒外部扩散的双重控制,此时扩散控制占主要地位,因此动力一扩散控制的燃烧反应模型更接近于实际情况¨2’13|.焦炭燃烧后生成的气相物质一部分扩散到空间中,与其他气相物质发生均相反应,一部分向焦炭内部扩散,与焦炭发生还原反应.
1.3边界条件和计算方法
在数值计算中,氧化剂的入口边界条件选择速度入口,此时在进行氧化剂入口速度的计算时应注意压力和密度、体积的关系;在确切知道人口尺寸的情况下,应指定入口湍流强度和水利直径.出口边界条件可以选择压力出口边界条件,压力出口需要指定出口处的测量压力和返流温度等边界条件,在确切知道出口尺寸的情况下,应指定出口湍流强度和水利直径.壁面采用无滑移边界条件,热流密度为O.采用结构化网格,在计算过程中收敛条件规定各支配方程迭代计算的余量至少小于10~,而对于能量方程和P一1辐射模型迭代计算的余量至少小于10~.
2数值模拟计算的结果
2.1流场分布
图2为多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉内的速度分布等高线和速度矢量.从图2多喷嘴对置
式气化炉中可以看出,热态情况下多喷嘴对置式气化炉
内流场分布与冷态流场数值模拟计算相似,互相对置的
两对喷嘴射流在相互撞击后形成了向上和向下的两股撞
击流股,向上的撞击流股直接冲向其化炉拱顶,与拱顶
撞击后沿气化炉炉顶边壁折返,向下的撞击流股沿气化
炉中心轴线向下推进,速度逐渐衰减,直至气化炉底部
出口上方.向上的撞击流股对气化炉拱顶产生一定的冲
刷作用,高温的气流对气化炉拱顶耐火砖的直接冲刷将图2气化炉内的速度分布
ic卡智能门锁Fi昏2”docl移d18胁unonm出8gasl蠡8。
对气化炉拱顶耐火砖产生直接的冲蚀,对耐火砖的使用
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柴油机启动器寿命产生一定的影响,折返回流的高温气体对气化炉上部耐火砖也产生了一定的冲蚀作用,因此也势必影响耐火砖的使用寿命,进而影响气化炉的安全运行,向下的撞击流股有可能部分直接冲向气化炉底部出口,增加了气化炉内反应物质“短路”现象发生的可能性.而这种情况在新型水煤浆气化炉中未曾发现,而且新型水煤浆气化炉在炉侧喷嘴射流下方形成了明显的折返流区,折返流区体积较大,这对炉侧喷嘴射流卷吸周围高温烟气起到了良好的作用,折返气流加入到撞击区内,增加了撞击区内的湍流混合效果,其携带的热量为撞击区内的着火燃烧提供了稳定的热源,使气化炉的着火更加稳定.因此从热态流场分布来看,新型水煤浆气化炉在保护炉内耐火砖、抑制“短路”现象、着火燃烧等方面均在一定程度上优于多喷嘴对置式气化炉.
2.2温度分布
图3为多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉内
的温度分布等高线和温度分布灰度.多喷嘴对置式气化
炉炉内平均温度为1644.5K,而新型水煤浆气化炉内
平均温度为1663.2K,两者相比差别不大,但与GE气
化炉相比增加了近100K,这可能对炉内耐火砖的性能
要求有所增加,存在一定不利因素.多喷嘴对置式气化
炉内靠近喷嘴出口附近和两股撞击流股内的温度较高,图3气化炉内的温度分布
Tempemt啪dis袖utingintlleg鹊ifier
气化炉拱顶和气化炉上部靠近边壁处温度也较气化炉内Fig.3
其他位置温度要高.管流区内温度分布不够均匀,回流区内温度较低,因此这对燃烧着火不利,高速喷嘴射流不能卷吸周围高温烟气,进而推迟了着火.而新型水煤浆气化炉管流区、折返流区和回流区内温度分布比较均匀且温度较高,这对燃烧和气化反应均有利.
2.3数值模拟
表1为GE、多喷嘴对置和新型水煤浆气化炉出口粗煤气组成、气化炉内平均温度、碳转化率、颗粒平均停留时间的数值模拟计算结果对比,其中水解率、干有效气成分、单位有效产气氧耗和煤耗、单位有效产气节氧量和煤量是对数值模拟计算结果分析得到的.
表1GE、多喷嘴对置和新型水煤浆气化炉数值模拟计算结果对比
T曲le1’Ihe∞mpari∞nofnumericalsimuIa60nfortlleGE,themlllU-nozzI嚣
opposi廿on昏Isi6erandanewcoalwaterslurryg砌er
煤炭学报2007年第32卷
由表1可以明显看出,多喷嘴对置式气化炉与GE气化炉相比存在较大的优越性,而新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式气化炉相比,在水解率、干有效气组成、单位有效产气氧耗和煤耗等方面也存在较大优势.因此通过数值模拟计算的结果表明,新型水煤浆气化炉与其他2种形式的水煤浆气化炉相比,其优越性非常明显.
3结论
(1)水煤浆气化过程可以很好地利用非预混燃烧方法进行数值模拟计算研究.
(2)通过对GE气化炉、多喷嘴对置式水煤浆气化炉的数值模拟计算结果的对比表明,多喷嘴对置式气化炉较GE气化炉干有效气成分提高5.07%,碳转化率提高2.04%,水解率提高7.08%,单位有效产气氧耗节省约7.32%,单位有效产气煤耗节省约11.00%.
(3)新型水煤浆气化炉较多喷嘴对置式气化炉干有效气成分提高5.34%,碳转化率提高0.75%,水解率提高2.91%,单位有效产气氧耗节省约5.26%,单位有效产气煤耗节省约6.55%.
(4)从热态数值模拟计算结果来看,新型水煤浆气化炉的优势不言而喻,且新型水煤浆气化炉若采用笔者自行研制的新型水煤浆气化喷嘴¨4’15。,其成本将会大幅降低.
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