流化床气化炉内煤颗粒的升温过程及影响

2009年3H燃料与化工第40卷第2期Fuel & Chemical Procesres15流化床气化炉内煤颗粒的升温过程及影响孔火良(南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095)摘要: 根据热传递理论,对夹套高温烟气加热的流化床气化炉内煤颗粒的升温过程进行了分析与计算，结果表明，颗粒的总体升温速率越高,颗粒升至床温所需的时间就越少;提高流化速度,有利于颗粒的升温,但是影响较小;颗粒粒径对颗粒的升温影响很大，随着颗粒粒径的减小，煤颗粒达到床温所需时间急剧下降。当粒径小于1mm,床温为700-1 100公时，颗粒内部能够在1s左右达到等温，3~5s 后颗粒温度能升至99%床温。关键词:流化床气化炉煤颗粒 升温过程 传热分析中囝分类号: TQ515.6文献标识码: ATemperature rise process of coal particlein a fluidized bed gasifer and its influenceKong Huoliang(ollge of Resource & Environmental Science, Nanjing Agiculural Univernity, Nanjing 210095, China)Abstract: Based on heat transfer theory, the analysis and calculation of the temperature rise process ofcoal particle in fluidized bed gasifier heated with high temperature flue gas from jacket was made in thispaper, the result showed that the higher the overall temperature rate of coal particle, the less the time re-quired for particle raised up to bed temperature; To increase fluidizing velocity is beneficial to temperaturerise of particle, but the inluence is les; While particle size diameter has great influence on temperaturerise of particle, with reduction of particle size diameler, the time required for coal particle temperature upto bed temperature is dramatically reduced. When the size diameter is less than 1mm and the bed tempera-ture is in the range of 700~1 100C, the particle intemal is capable of reaching to be isothermal withinabout Is. after 3~5s the particle temperature can be raised to 99% of bed temperature.Key words: Fluidized bed gasifier Coal paricle Temperalure rise process Heat transfer analysis流化床气化炉作为- -种新- -代气化炉, 具有传在夹套高温烟气加热方式的小型循环流化床气热、传质效率高，床层温度均匀,煤种适应性强,化装置内，内简中煤颗粒的温升主要依靠夹套内高煤颗粒在短时间内完成干燥、升温、反应以及颗粒温烟气的加热。为了便于计算，提出以下几点基本的大量循环提高颗粒在床内停留时间等。假设:在流化床煤气化过程中，炉内煤颗粒温度是影1)煤颗粒为球形，且表面同时存在热传导、响煤气、半焦生成及成分的主要因素"。为明确床对流传热和辐射传热，而颗粒内部只存在热传导,温、流化速度、煤颗粒的大小以及停留时间对煤颗且颗粒内温度分布函数为T(r, t)(r, t分别为颗粒粒温度分布的影响，本文针对内径为100mm，夹内点到球心的距离和停留时间) ;套高温烟气加热方式的小型循环流化床气化装置,2)颗粒被送人流化床时的时间t=0,初始温根据热传递理论，对煤颗粒的升温过程以及床温、度为To;流化速度、煤颗粒的大小对煤颗粒温度分布的影响3)流化床内各点温度相同，均为T;进行了分析。中国煤化工热忽略不计,颗1理论分析粒导;fYHCNMHG收稿日期: 2008-11-17作者简介:孔火良(1971-), 男，讲师燃料与化工Mar. 20096Fuel & Chemical ProcessesVoL.40 No.2根据以上假设和能量守恒定律，煤粒在流化床aT__入(三aT + PT内的传热过程可由式(1) 描述。吧=含(仁+fT)(1)其边界条件为: .(2)式(1)推导取微元体(见图1中阴影部分),设导人微元体的热流量为Qna，导出微元体的热流00FrImo=0(3)量为Q.,则:Q=A,行.4m2起始条件为:T (r,t=0) =T。(4)Q.x=ho，(T+工d).+4m(rdr其中，p, 为煤颗粒密度，kg/m'; ρ。 为空气密dn度，kg/m'; Cp 为煤颗粒热容，J(kg.K); 入p 为煤颗=λ,{ ?T +HT dr).4m[P+2rdr+{d鬥]粒导热系数，W(m.K); a为换热系数，W(m2.K);ε为黑度; σ为玻尔兹曼常数; F为辐射角系数;=λ 0L4m(P+2rdr+(dr)]+R为煤颗粒半径，m; T为温度，K。” dr如果不考虑颗粒的辐射传热(偏于安全),即入T .4rd(P+2rdr+(d们]d假设式(2)等式右边第二项为0,则可得出式(1)的Ap所解析解内: .T-T4R2 sin (C) +Ccos (C)T-T。r 。二2C--sin (2CJ)r+drQrsm(Ciep[管告(5)式中常数C。由下式得出:、_cR(6)tg(C)入p煤的导热系数入可用下式阿表示:團1颢粒温度分布分析简圄)=( 515.70(7)根据能量守恒定律，由于内部放热忽略不计,那么，导入微元体的热流量减去导出微元体热流量换热速率a可用下式4-表示:等于微元体内能的增量，故有:Nu= a:-=2+0.6Re3.p5(8)Qms-Q=p,Cp o _4m?dr其中，Re=dIPx(9)即:PT.λ,行.4m2rdr+(dj}+入, 2.4md[7+2rdr+(d们](10)=pCp 0 4mr2dr式中，λ为空气导热系数, W/(m.K); μ为空气动力学粘度，k/(m+s); d, 为煤颗粒粒径, m; u忽略等式左边(dr) 的2次项,整理得:为流化速度，m/s; D为流化床内简直径，m; Nu为λ, T.2rtλ3T.tsp,C Tz努谢尔特准则; Re为雷诺准则; Pr为普朗特准则。0r”a2计算结果与分析p,C。oT=n,(C2r4TA)中国煤化工度为1 400kg7m2。)tFr为简HCNMHG取解析解的第1所以:项。分别对试验中不同的床温、溉化速度、颗粒粒2009年3月燃料与化工第40毯第2期Fuel & Chemicul Proceses17A)B)1.000.960.9850.880.94安1=0.5%0.84| +1.50.92-好1x2.0%0.800.90-0 0.2 0.40.6 0.8 1.0rr/R床温T=800C,流化速度u=0.834m/s; A:粒 径d_=lmm; B:粒 径d_=0.5mm圈2煤颗粒的剖面温 度分布径在不同停留时间下的煤颗粒的升温过程进行计算率随床温的增大而增大，其最大升温速率更是增大分析。明显。例如当床温由7009C. 上升至800C、900、2.1 煤颗粒的剖面温度分布1000C和1 100C时，其颗粒表面的最大升温速率在床温T为8009C，流化速度u为0.834m/s,由268C/s依次上升为3709C/s、489C/s、 628C/s对粒径为1mm及0.5mm的煤颗粒的剖面温度进行和8049C/s。显然，颗粒表面的升温速率严重地依了计算，结果见图2。.赖于床层温度，在较低的床温下，颗粒的总体升温由图2可见，煤粒升温过程中，其表面温度速率比较低，颗粒温度升至床温所需的时间就比较(r/R=1处)由于床层的对流及辐射升高非常迅速,长。图4给出了颗粒中心温度升至99%床温所需时而颗粒内部温度的升高相对来说要缓慢一些。在升间的计算结果。由图4可知，对于粒径为1mm的温过程的初始阶段，煤粒表面与中心温度差异最颗粒，当床温为700C时，颗粒温度升至99%床温大,而随受热时间的延长此温度差逐渐减小，最后需4.6s;而当床温为1 100C时，颗粒温度升至达到床层温度。99%床温仅需3.2s。此外，比较图2(A)与(B),对于粒径为1mm的颗粒，当进人床层内1s时，其表面温度为床温800F700的0.86倍，中心温度为床温的0.78倍,整个剖面温00月度相差9.3%。而对于粒径为0.5mm的颗粒，当进00一 T=700C人床层内1s,其表面温度已近似等于床温，中心十E1000温度为床温的0.98倍，其剖面温度相差仅为T=l 100C0o2.0%。因而，可以认为，随着颗粒粒径的减小，100颗粒内部达到等温的时间越小，对于粒径小于1mm的颗粒，颗粒内部能够在1s左右达到等温。) 1.0 2.0 3.0.0 5.0时间/s2.2 床温对煤颗粒升温速率的影响流化速度u=0.834m/s;粒径d,=lmm图3为不同床温下煤颗粒表面的升温速率。由圄3煤颗粒表 面的升温速辜图3可知，在加热时间t=0时，颗粒表面的升温速率为最大值。随加热时间的延长，颡粒表面的升温2.3流化 速度对煤颗粒升温的影响速率迅速降低，例如当床温为1 1009C, t=0时,最为分析流化速度对颗粒升温的影响，本文在床大升温速率为804C/s;而当t=3s时，升温速率仅温Tg=1 000C，不同流化速度下，对粒径d,=1mm为16.5C/s。这主要是因为t=0时，床温与颗粒表的颗粒虫心温府升至000安沮所需时间进行了计中国煤化工面的温差最大，传热推动力也最大。此外，随床温真，的提高，床温与颗粒温度差也增大,从而导致推动YHCNMHG增大,颗粒中心力的增大。所以，在同一时间下颗粒表面的升温速温度升至99%床温所需时间逐渐减小，但影响不燃料与化工Mar. 200918Fuel & Chemicual ProcessesVol.40 No.2大。如当流化速度为0.99m/s时，所需时间为3.6s;有两方面的原因:一是由于颗粒粒径减小，在相同而当流化速度上升至1.65m/s 时，所需时间仅下降温度差下，温度梯度增大，传热速率增大,升温至至3.38。其主要原因是因为当流化速度增加时床温所需时间变小;二是由于颗粒粒径减小而流化Re,增大，从而导致换热系数a的增大，传热速率速度不变时，Re, 增大，从而导致换热系数a的增增大，所需时间变小。然而，提供流化速度，并不大，传热速率增大，升温至床温所需时间变小。能减小颗粒内部的导热阻力,因而对总传热速率的影响不大。.6:2500-= 3.8400).40123456时间/s700 800 900100001100 1200床温心C床温Tr=800C,流化速度u=0.834m/s;实线:颗粒表面;虚线:流化速度u=0.834m/s;粒径d-1mm颗粒中心: 1-0.2mm; 2-0.4mm; 3. _0.6mm; 4-0.8mm; 5-1.0mm圉6颗粒表面及中心的温度随加热时间的变化图4颗粒中心温度升至99%床温所需时间3:3结论3.61)煤粒升温过程中,表面温度升高非常迅速,颗粒内部温度的升高相对缓慢，但对于粒径小于留3.1mm的颗粒,颗粒内部能够在1s左右达到等温。3.32)颗粒的升温速率依赖于床层温度，床温越高，颗粒的总体升温速率越高，颗粒温度升至床温3.20.91.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7所需的时间就越少。对于lmm的颗粒，在700~流化风速/m.s"1100C床温下，颗粒温度升至99%床温所需时间床温T1000C; d=lmm为3~5s。圈5流化速度对颗粒中心温度升至99%床温所需时间的影响3)提高流化速度，有利于颗粒的升温，但影响较小;颗粒粒径对颗粒升温影响很大，随着颗粒2.4颗粒粒径对煤颗粒升温 的影响粒径的减小，煤颗粒达到床温所需时间急剧下降。当床温为800，流化速度为0.834m/s，颗粒参考文献粒径分别为0.2mm、0.4mm、 0.6mm、 0.8mm 及([1]叶俊岭,刘生玉。吕水康.热解温度对半焦生成及元索组成的影1.0mm时，煤颗粒表面及中心温度随加热时间的变响[办煤炭转化。2006, 29(1):37-40.化曲线见图6。由图6可知，同一时间下，相同粒[2] Abanades s, Flament G. Guhier D. Modeling of heary melalvaporisation from a mineral matrix[J]. Journal of hazurdous径颗粒的表面温度曲线位于颗粒中心温度之上，即materials, 201.88:75- _94.表示表面温度总是大于颗粒中心温度，且随着时间3}吴文渊，杨动丹,周定，等.煤在热载体流化床中的热解模型[J.的增大，两者之差逐渐减小，直至两者温度升至床燃料化学学报, 1994, 22(4); 406-415.温。此外，随着颗粒粒径的增大，煤颗粒达到床温[4] 李海滨,白秀钢，胡振,等.煤在流化床中的热解一- -实验研究的时间也随之增大。例如，当颗粒粒径为0.2mm及数学模型[J]煤化T, 1998, 26(4);12-16.时，加热时间为0.4s时，颗粒表面和中心温度已升中国煤化，I etal behavior duringe Mangement,至床温;而当颗粒粒径为1.0mm 时，加热时间为YHCNMHG6.6s时，颗粒表面和中心温度才升至床温。这主要刘晓明编辑