油水煤浆在新型气化炉内气化过程的数值模拟

第22卷第5期热能动力工程Vol.22,No.52007年9月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERCY AND POWERSep. ,2007新能源动力技术 子文章编号:1001 - 20200)050 -0560-04油水煤浆在新型气化炉内气化过程的数值模拟于海龙' ,刘建忠2(1.中原工学院能源与环境学院,河南郑州450007;2.浙江大学能源洁净利用与环境工程国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:在多喷嘴入口新型水煤浆气化炉内对油水煤浆燃料是一种加入不同量的水和少量分散剂、乳化剂(COW)的气化过程进行了数值模拟计算研究,分析了气化炉的分散在燃料油中的煤的浓浆。与现行的取代燃内的温度分布、各种气化产物浓度分布规律。数值模拟计算料,如油煤浆和水煤浆相比,油水煤浆的使用有以下结果证明,同浓度的油水谋浆气化与普通水煤浆气化相比，优点:(1)具有良好的燃烧效率,且对于锅炉和喷嘴气化炉内平均温度略有上升,碳转化率提高1.81%.气化炉都有较低的粘度;(2)作为工业燃料,燃烧效率高，出口粗煤气中有效气(C0+ H)含量提高10. 58%,CO2和微粒煤烟少,环境污染小;(3)颗粒远远小于油煤浆H20浓度大幅下降，水分解率大大提高，气化效果明显优于和水煤浆中煤的颗粒粒度，这--特性使油水煤浆不普通水煤浆。仅可以直接用于燃油锅炉,而且能够替代柴油机用关键词:油水煤浆;气化;气化炉;数值模拟柴油;(4)是适用于通过喷嘴雾化的悬浮液一乳化中图分类号:TQ534文献标识码:A混合物,在燃烧过程中能产生微爆炸和水-汽,这些效应结合在一起使油水煤浆成为高热值燃料;(5)引言可扩大烟煤种使用范围,采用挥发分较低的无烟煤由于受到德士古水煤浆气化技术专利的制约,等;(6)由于燃料油的加入,比水煤浆具有较低的燃国内如采用水煤浆为原料利用德士古炉进行气化，点。都要为德士古公司支付昂贵的专利费。要改变这一状况,解决问题的良好途径就是利用现有的气化技2目前国内油水煤浆开发 现状及特点术寻求不同原料的气化。笔者对有关这方面技术的国内外资料和文献进行了研究和分析后认为，油水CoW由油、水、煤3种成分和少量添加剂经过煤浆气化技术是目前非常有发展前景的技术之一。物理加工处理而成。根据煤浆外相成分,可将油水因此，油水煤浆的气化技术在社会生产中具有一定煤浆分为油基油水煤浆与水基油水煤浆两种,两者的现实意义。的煤含量一般都在35% ~ 50%,水的含量不低于15%。目前,有资料显示,油水煤浆与油煤浆以及水1油水煤浆的性能煤浆相比,具有易点燃、热值高、节省用油、粘度低等优点[1-5]。而且由于其内相为煤和另-一种液体,其近年来,人们又开始着眼于一种新型煤浆一稳定性机理有所变化,稳定因素也有所增加。由于油水煤浆技术(COW)的研究，因为它能在- -定程度受技术水平的限制,我国在油水煤浆技术方面的研上改善煤炭的品质。这种油、煤、水三元混合燃料是究现大多集中在油基油水煤浆上,其特点如下:加拿大人0. Trass 和G. Papach ristodou lou提出的，(1)油基CoW燃料为屈服假塑性流体,对于锅国内对这方面的研究是近几年来才开始的"。炉和喷嘴都有较低的粘度;这种煤浆燃料同样具有用燃料油、细磨煤粉和水组成的新型三元混合剪切降粘性质,此外这种浆体的粘度明显地低于水燃料作为未来的一种洁净燃料前景看好。这合成煤浆和油煤浆;收稿日期:2006-12-30;修订日期:2007-03-30基金项目:国家重点基础研究发展规划基金资助项目20021770)作者简介:于海龙(1975- ),男,吉林人,中原工学院副教授,博士.第5期于海龙,等:油水煤浆在新型气化炉内气化过程的数值模拟●561●(2)油基油水煤浆的燃点较水煤浆低,实验所煤浆气化炉炉内三维空间。气化炉内径为0.5 m, .得的浆体稍经加热即能直接点燃,且其燃烧热值也净高1.5 m,高径比为3,气化炉炉顶设置有一个水较高,一般均能接近甚至超过动力用煤热值标准,水煤浆喷口,在气化炉侧距气化炉顶部0.9 m处有4煤浆则达不到这样的热值标准。个对称布置的倾角为459的喷嘴,其具体模型如图1(3)油水煤浆的煤种适应性较广。本文所述实所示;计算用数学模型见文献[6~9]。制油水煤浆验中已经成功地利用无烟煤、烟煤、褐煤等多种煤种用油可以为渣油、重油、原油，也可以是轻质柴油或制得了油基油水煤浆,其各种性能较好。汽油;计算采用的油水煤浆中油含量35%,采用渣(4)油基油水煤浆在流变性质上,完全不同于油,煤含量45%,水含量20%;制浆用原煤成分分析水煤浆,这表明其内部结构与水煤浆也有较大的差结果如表1所示。在进行数值模拟计算时气化炉的异。实验证明,这种内部结构使体系的稳定性大大运行工况为:油水煤浆流量600 kg/h.气化压力4.0增加。MPa、氧碳原子比0.94、炉顶喷嘴氧气流量118 m'/h、(5)与普通水煤浆相比，燃烧效率有所提高,洁炉侧单 只喷嘴氧气流量36 m/h。净程度也进一步增加。妒膛炉侧喷嘴人口3油水煤浆气化过程数值模拟炉顶喷s出口嘴人口利用水煤浆气化的数值模拟计算方法对油水煤浆在新型水煤浆气化炉内的气化过程进行了数值模炉倒喷嘴人口位置.炉侧唆嘴入口角拟，数值模拟计算的物理模型为600 kg/h 的新型水图1数值模拟计 算的物理模型表1制浆用煤粉成分分析数据工业分析/%元素分析/%AFCu Q.on/kJ.kg CSu3.4027.057.7361.8224 26875.903.507.421.210.843.1气化炉内温度分布区、折返流区和管流区的位置及形成进行了详细的说明,归纳气化炉内流场分布规律。图2是油水煤浆气化时气化炉内温度分布的等高线图。从图中可20+032.9e-03以看出,与普通水煤浆气化相比,油水煤浆气化时喷嘴射流入口附近局部高温区明显增加，而且火焰黑2.4e+03区拉得更长,除喷嘴射流流场内温度分布变化较大22+03外，回流区管流区、折返流区内温度分布都非常均2.1e+032.0e+03匀。分析其原因,这是由于在油水煤浆中加入大量1.7e+03的油，油水煤浆的着火温度明显降低，着火提前，同1.5e+03时油又是高挥发性物质,遇热后很快挥发,这更加剧1.4e+03了油水煤浆的燃烧着火进程,而且由于油水煤浆粘1.1e+03Q.eto2度很低,雾化效果非常好,也使得油水煤浆在- -进入7.9e+02气化炉后很快着火燃烧,而油燃烧时火焰黑区相对煤要长,这也是油水煤浆燃烧火焰黑区较长的一个主要原因。油水煤浆中固体物质- -煤的含量相对焦图2气化炉 内温度分布等高线图水煤浆和普通水煤浆要低,因此挥发性物质燃烧完毕剩余的焦炭量也大幅度降低,易于挥发的物质很文献[10]中对气化炉内射流区、撞击区、回流快在射流区和撞击区内燃烧完毕,氧气也消耗殆尽,大部分没有燃烧掉的焦炭即进人还原性气氛当中，●562.热能动力工程2007年进行的是还原性反应而不能燃烧,因此使得除射流计算结果。从图中可以看出，各种物质在气化炉内区和撞击区外其它区域温度分布非常均匀,均匀的的浓度分布规律与水煤浆相比并无大的差别,只是温度分布不仅大大增加气化炉内耐火砖的使用寿在量上有所不同。CO和CO2浓度分布规律依然相命,而且更加有利于后期焦炭还原反应的进行,这是反,而H2和H20的浓度分布也呈相反状态。各种油水煤浆气化时的一个重要特点也是- -大优点。物质除在喷嘴射流区和撞击区内浓度差别较大外，3.2气化炉内各种物质浓度分布在其它区域尤其是管流区内浓度分布非常均匀,均图3中(a)、(b)、(c)、(d)依次为气化炉内各种匀的物质浓度分布给后期焦炭还原反应的进行提供主要物质CO、CO2、H2、H20的浓度分布的数值模拟了良好的条件。0.50.230.460.220.310.420.200.400.180.170.360.160.320.140.300.130.120.110.090.080.070.040.030.0770.020.039 .0.0090.0190.0050.00间co(0) CO, .(间) H, .(田)H0图3气化炉内各物质浓度分布3.3气化炉出口粗煤气组成从表2中可以看出，油水煤浆气化时出口粗煤表2是油水煤浆气化时出口粗煤气组成、气化气组 成和普通水煤浆气化有较大的差别,尤其是H2炉内平均温度碳转化率、颗粒平均停留时间等的数和H20浓度差别较大。H2浓度明显增加而H20浓值模拟计算结果与普通水煤浆的对比。度明显降低，H2浓度从22%增加到36.21%,增幅达表2油水煤浆和普通水煤浆气化时到64. 6% ,而H20浓度从18.71%下降到8.06%,降出口粗煤气组成等的数值模拟计算结果对比低幅度达到56.9%,而CO和CO2浓度稍有降低，但油水煤浆普通水煤浆(65%幅度不大。分析其原因认为，由于人炉H20量就很C42.1445.77少,因此气化产物中H20浓度大幅降低是必然的;H36.2122.00另外,由于在油水煤浆中加入了大量的渣油,而渣油CO211.7013.43中烷烃、环烷烃、芳香烃等的含量非常高,这些易挥H08.0618.71CH4).08发的烃类大大提高了油水煤浆中H原子的含量,同O2∞00时这些烃类在还原性气氛下很容易发生C-C键的断COS和H2S等1.860.裂,断裂后的C-H在还原性气氛下很容易分解出湿有效气组成(CO+ H2)78.3567.7H2,因此大大增加了气化炉内H2的浓度。在油水煤干有效气组成(00+ H2)88.7379.33浆气化时气化产物中H2的来源与水煤浆气化有所水分解率/%61.3553.08不同,除了来自水的分解和焦炭还原反应外，烃类的炉内平均温度/K1 657.41 594.分解也占很大- -部分。这对于那些对出口粗煤气中颗粒平均停留时间/s6.3156.234氢气浓度要求很高的企业来说是存在很大优势的。碳转化率/%99.3597.54同时也看到，出口煤气中有效气(C0+ H2)含量与水第5期于海龙,等:油水煤浆在新型气化炉内气化过程的数值模拟●563●煤浆气化相比也大幅度提高,从67.77%增加到78.参考文献:35% ,提高了10.58% ,达到了预期目标。从表2中也可以看出,与水煤浆气化相比，油水[1]王俊玲 ,齐祥明,宗志敏，等.新型油水煤浆燃料的研究与探索煤浆气化时气化炉内平均温度有所增加，这是因为[].矿业快报2002011):11-13.1油水煤浆的热值高于普通水煤浆,它增加了气化炉[2]朱红.陈公伦.松全元.煤浆燃料的新进展[J].选煤技术，2000(1):8-9.内的单位容积热强度。因此,为了降低气化炉内平[3]陈业泉,朱红,孙正贵， 等.油基油水煤浆的流变性质研究均温度,增加气化炉内耐火砖的使用寿命,应适当降[J].中国矿业大学学报,2001, 30(6):608 -612.低油水煤浆的入炉量,也即降低负荷,或者说对于同[4] 朱红,赵炜,闫学海.油水煤浆三元混合体系的制备及特性样容积的气化炉在作为油水煤浆气化炉设计时,气研究[J].中国矿业大学学报2002.31(6):579 - 582.化炉额定负荷的设计值要低于普通水煤浆。油水煤[5]国学海 ,胡卫新,朱红.油- 水-煤浆制备过程中规律性探索[J].江苏煤炭200(1):28-30. .浆气化时碳转化率明显增加,达到了99. 35% ,这可[6] 于海龙赵翔.周志军，等.氧煤比和煤浆浓度对水媒浆气化能是因为大量易燃、易挥发的烃类的加人,使得气化影响的数值模拟[J].燃料化学学报，20032(4):370 - 374. .炉内固体物质浓度大幅下降,大大降低了气相与固[7]于海龙,赵 翔,周志军,等. 氧煤比对水煤浆气化影响的数值相之间传质的难度,因此焦炭的还原反应进行得更模拟[J].煤炭学报,2004.29(5):606 - 610.[8]于海龙,赵 翔 ,周志军,等，煤浆浓度对水煤浆气化影响的数彻底,这就大大提高了气化炉的碳转化率。值模拟[].动力工程,005,25(2):212 - 220,238.对油水煤浆与普通水煤浆气化相进行比较,前[9]于海龙 ,刘建忠,张桂芳.等.喷嘴位置对新型水煤浆气化炉内者的较大优势在于其可以获得较多的H,而CO浓流场影响的数值模拟[J].动力I程2006.26(1);135 140.度又不至于降低太多,气化产物中总的有效气含量[10]于海龙,刘建忠 ,张桂芳,等.水煤浆气化炉的形式和新型气化大幅度增加，同时所需02量也有所下降,氧碳原子炉的开发[J].煤炭转化,2007,30(1):21 -25.比可以在较低情况下运行。(编辑柴舒)4结论●书 讯.对油水煤浆目前国内外发展的概况进行了分析,并且对油水煤浆的特点和优势进行了总结。从循环流化床锅炉运行与检修其特有的特点和目前发展的状况来看,油水煤浆是未来比较有发展前景的新型燃烧和气化原料。鉴于本书由多年从事循环流化床燃烧技术的理此,作者利用数值模拟计算方法对油水煤浆的气化论研究、技术开发、产品设计、运行调试等第一过程进行了数值模拟,数值模拟计算的结果显示:线工作的技术人员编写。本书是有关循环流体(1)油水煤浆气化时气化产物和普通水煤浆气床锅炉原理、运行及维修方面的专著,总结了循化有较大的差别,尤其是H2和H20浓度差别较大，环流化床燃烧技术基本理论,纠正了目前流行H浓度明显增加而H20浓度明显降低，H2浓度从的一些错误的概念,介绍了循环流化床锅炉的2%增加到36.21% ,增幅达到64.6%，而H20浓度典型结构、特点、安装要求、运行技术和规程、调↓从18.71%下降到8.06% ,降低幅度达到56 9%;试经验、性能试验方法.检修与维护要点以及运(2)合成气成分中co和CO2浓度稍有降低,但行事故的处理等。本书既有基础理论,又有实幅度不大;践经验,深入浅出,比较贴近实际,通俗易懂。↑(3)在油水煤浆气化时气化产物中H2的来源本书适用于从事循环流化床锅炉的设计、制造、与水煤浆气化有所不同,除了来自水的分解和焦炭运行、安装、调试、维修和设计院的专业技术人还原反应外,烃类的分解也占很大-部分;员及管理人员,也可供循环流化床锅炉基本理(4)与水煤浆气化相比，油水煤浆气化时气化论研究的科研人员和动力工程专业的师生学↑炉内平均温度有所增加,碳转化率则增加较大，达到习、参考。了99.35%。