水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究

第40卷第3期化学T、程Vol. 40 No. 32012年3月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Mar. 2012水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究程相宣，侯国君，梁钦锋，许建良，刘海峰(华东理T.大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)摘要:水冷壁气流床气化炉的核心思想是“以渣抗渣”,因此对熔渣沉积形态与流动规律的研究尤为重要。文中在实验室小型水冷壁气化炉热模装置上,以神府煤气化灰渣柴油和纯氧气为原料模拟气流床水冷璧气化实验，采用高温内窥镜并结合数字图像处理技术研究了熔渣的沉积.流动过程。实验结果表明:气化炉操作温度高于熔渣临界黏度温度时,渣层表面灰渣处于熔融状态;运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收;熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系，渣层表面温度越高,熔渣流动速度越大。在实验条件下,熔渣层表面速度约为0.002 6- -0.003 m/s。关键词:气化炉;水冷壁;熔渣流动;熔渣沉积;内窥镜中图分类号:TQ 54文献标识码:A文章编号:1005-9954(2012)03-0058-05Experimental study of slag flow on membrane wall in entrained-flow gasiferCHENG Xiang-xuan, HOU Guo-jun, LIANG Qin-feng, XU Jian-liang, LIU Hai-feng( Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education, East China University ofScience and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract:The core idea of membrane wall-lined gasifier is‘ using slag to protect the gasifier' , so the study on theslag deposition and flow law is especially important. With Shenfu slag, diesel oil and pure oxygen as raw materials,the slag deposition and flow were studied in a lab- scale membrane wall-lined entrained-flow gasifer via endoscopeand digital image processing technology. The results show that when the temperature of gasifier is higher than that atslag cnitical viscosity, the slag in the surface is in molten state; the char particles reached the reactor wall aremainly captured by the molten slag layer; the slag flow velocity is inluenced by the slag surface temperature, thatis, the higher the temperature, the faster the speed. The slag velocity is about 0. 002 6-0. 003 m/s under theexperimental conditions.Key words : gasifier; membrane wall; slag flow; slag deposition; endoscope气流床煤气化是煤炭洁净利用的重要途径,而有效地保护了水冷壁,使气化装置可以长周期运转。气化炉又是煤气化过程中的关键设备。水冷壁气流因此,对熔渣流动、渣层形态的研究尤为重要。国内床气化技术以其煤种适应性强、生产能力大碳转化外学者就气化炉熔渣的沉积与附壁流动进行了大量率高和使用寿命长等特点得到广泛关注,是大规模的研究,袁宏字等(4]以石蜡作为熔渣模拟介质研究煤气化技术发展的主流方向。目前Shell, Prenflo和了不同条件下气化炉内熔渣厚度的整体分布规律。Siemens等都采用了水冷壁技术[2]。国内西安热工贡文政等[5]在小型热模装置上进行了熔渣沉积形研究院开发的二段式粉煤加压气化技术和华东理工态研究,研究了熔渣在气化炉内的沉积特性。张建大学开发的水冷壁粉煤加压气化炉也正在进行工业法等[°以糖浆为模拟介质研究了气化炉渣口熔渣示范')]。水冷壁气流床气化炉的核心思想是“以渣的流动特性。Seggani(7] 提出了描述渣层生成模型,抗渣" ,即利用煤在气化过程中产生的大量熔渣,附通过建立质量、能量和动量守恒,然后运用有限差分着在气化炉内壁上形成具有较大热阻的渣层,从而法进行离散求解,研究了气化炉内渣层温度以及厚收稿日期:201109-22基金项目:国家重点基础研究发展计划"973"项目(2010C227005);国家自然科学基金资助中国煤化工作者简介:程相宜( 1983- -).男 ,硕士研究生,研究方向为气流床气化炉熔渣流动，E-mail:cher:YHCNMHC数授.通信联系人,E- mail:hfiu@ ecust. edu. cn。程相宣等水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究●59●度分布规律。Bingzhi等[8]基于Seggiani模型研究了气保护通道,防止柴油润湿灰渣导致喷嘴堵塞。锅炉熔渣沿渣层方向的速度分布。刘升等191利用CFD商业软件计算了Texaco气化炉内分层流动特性。Michael等[10]研究了渣层厚度沿炉膛高度的变化规律。Ni等["]研究了不同操作温度下气化炉内渣层内部的速度分布。但目前关于气流床水冷壁气化炉内壁面熔渣流动与沉积的实验结果仍极为缺乏,也限制了模型研究的进-一步发展。本文基于实验室小型气流床水冷壁热模平台，以神府煤气化灰渣、柴油和纯氧为原料模拟气流床水冷壁气化实验,采用高温内窥镜在线拍摄，图2四通道 喷嘴结构示意图成功观测到了熔渣在气化炉壁面的流动与沉积现Fig.2 Schematie diagram of sructure of four -channel burmer象,得到了熔渣表面的流动速度与炉壁温度对应关系。为了缩短实验周期,增强结渣效果,采用气化灰渣代替粉煤进料,辅以柴油伴烧,模拟气流床水冷壁1实验气化过程中气化残渣在炉璧上的结渣行为。首先利1.1实验装 置及原料用柴油和氧气预热气化炉,待热电偶2处温度达到图1是实验室小型水冷壁气化热模实验流程，1150后,开启下料装置,通过改变氧油比控制热主要包括水冷壁气化炉.数据采集系统和供料系统。电偶2处温度。稳定下料1h后,炉壁挂渣达到平气化炉采用单喷嘴顶置,高温合成气与熔渣由气化衡。装入内窥镜,用摄像机拍摄水冷壁表面熔渣的炉下部排出,熔渣在炉膛水冷壁表面沉积,采用高温流动状况。所选原料为神府煤气化灰渣,灰熔点仪内窥镜在线获取熔渣流动状态。炉壁内设有热电偶测得灰渣熔点见表1,黏度特性曲线由高温黏度仪测量水冷壁表面炉膛温度,热电偶测得信号经测得，见图3。ADAM4018和ADAM4018+模块转化后,由T.控组态软件MCGS显示并存储。复1 灰渣熔融温度'Table 1 Fusion temperature of slag9下村装界DYSTHT1 0681 1161125.1 130* DT为变形温度;ST为软化温度;HT为半球温度;FT为流动温度。冷印水、拟像机热电偶1100r热电偶2内窥镜80热电偶3可60'(化炉测温模块主40-“背介成(开200,=1216C电脑圈1实验室气化炉.1200 1250 1300 _ 1350 1400 1450Fig.I lab-ecale gasifer圈3贴度特性曲线Fig.3 Vi中国煤化工"在气化实验过程中为实现灰渣的稳定进料,采用四通道喷嘴,喷嘴结构如图2所示。喷嘴设置氩由表1和图;MYH用州六百较低的熔CN MHG.●60●化学工程2012 年第40卷第3期融温度,其流动温度仅为1130C,临界黏度温度2.3气化炉内熔渣的形态和熔渣沉积过程0。为1216C。高于临界黏度温度的熔渣黏温曲2.3.1气化炉内熔渣的形 态线为由于气化炉苛刻的环境,对熔渣形态的研究μ(θ) =Ae"o .1)大多都是在冷态下进行1213]。本文通过内窥镜在式中:μ为黏度,0为温度,A,B为常数。A=1. 096 x热态下研究熔渣形态,如图5所示。由图可明显10-6 ,B=19694。看出,高于临界黏度温度的灰渣处于熔融状态。1.2 图像采集与处理实验结果直观地证明气流床气化炉是以液态方式图像采集使用的是CESYCO高温内窥镜(法国排渣。西诺光学贸易有限公司)及BB-500CL摄像机(丹麦JAI公司)。摄像机所用快门速度为15帧/s,曝光时间为1/4 000 s,拍摄所得最大分辨率为2562 x2 048像素。图像处理和计算所使用的软件为美国国家卫生所开发的ImageJ 图像处理软件。首先将图像转化成8位灰度图，然后测量某- -质点在一定时间内通过的距离,即可算出熔渣流速。(a)2结果与讨论2.1 渣层表面及冷却水进出口温度实验过程中，炉膛温度随时间的典型变化情况如图4所示。在预热阶段,采用柴油和氧气混合进料,炉膛温度迅速上升。加入渣粉后,炉膛火焰变得十分明亮。沿炉膛轴向向下温度逐渐降低。内窥镜附近炉膛温度高于熔渣的临界黏度温度。lb團5熔融熔渣1 400Fig.5 Molen slag1 20010002.3.2熔渣的沉积, 80(熔渣在气化炉附壁沉积是水冷壁气化炉安全D 60十热电偶1稳定运行的关键。国内外学者就熔渣颗粒的附壁◆热电鹤2400-←热电偶3沉积做了大量研究工作(1415)。实验中,用内窥镜拍摄熔渣的附壁沉积发现,打在渣层表面的熔渣100 150 200 250颗粒主要被渣层吸收,没有观测到被反弹的熔渣颗粒。选取观测到的最大的颗粒沉积过程如图64渣层表面温度-时间曲线所示。颗粒从到达壁面到被渣层吸收需要的时间Fig.4 Temperature-time curves of slag surface大约为0.60s。.2.2出口 气体组成2.4炉膛温度对液态渣表面速度的影响在氧气流量为160- -200 L/min, 柴油流量为待熔渣沉积达到平衡后,用高温内窥镜观测5 kg/h, 灰渣流量为15 kg/h实验条件下,从渣口出壁面处渣层状态,为便于特征识别，将图片转换为来的合成气经干燥瓶和洗气瓶干燥净化后进入气相灰度模式,如图7所示。炉膛温度高于临界黏度质谱仪检测分析,可知合成气CO2,CO, CH,,H,Ar温度后, 可以观测到熔渣有明显的流动现象。跟组成。其中CO+H2体积分数为40%- -63% ,炉内踪拍摄气化炉堕卢甘中国煤化工功轨迹，可为还原性气氛,实现气化炉熔渣在还原性气氛下的根据其在一定:YHCNM HG榕渣表面流动环境。的流动速度。程相宣等水冷 憶气化炉熔渣流动的实验研究●61表面流动速度为v(θ) =Pg cos(β)8u^[-)刮(2)式中:ax= -In" ,μ.为固态渣层表面黏度,μ为液态渣层表面黏度;0为液态渣层表面熔渣流动速度;ρ为溶渣密度;δ为液态渣层厚度;β为倾斜角。把(a)1 0s式(1)在Sθ=θ-θv≤110处泰勒展开,为v(0) =ao +a,0+a2Qo' +0(00* ) (3)式中:ao,a,az为常数。结合式(1)可算得“=0.002 75 ,因在实验范围内,0θ=θ-θ≤110,故二次项和一次项相比可忽略,所以o(0) =b+c(θ-0.)(4)(b)r 0.33s式中:b,c为常数。图8为熔渣表面流动速度与温度的关系,由图可知熔渣表面流动速度随着熔渣温度升高而增大，基本成线性增加。神府煤临界黏度温度θ. =1216C,根据实验数据拟合可得b=-4.87x10-3 ,c=2.84x10-* ,相关系数为0.989。2.95(c)1- 060s2 90---拟介值图6熔渣沉积过程Fig.6 Slag deposition prorssE 2.80-2.752.701220 1240 1260 1280 I 3001320 I 340θ/C圄8温度对熔渣表面速度的影响Fig. 8 Elfect of slag temperature on slag surface velocity(a)1 05(b1 0267s3结论本文基于实验室气流床水冷壁热模实验平台，以神府煤气化灰渣和柴油为原料模拟气流床水冷壁气化实验,利用高温内窥镜在线拍摄熔渣的沉积与附壁流动规律,实验结果表明:灰渣颗粒和液态渣层碰撞时,主要会被液态渣层吸收;渣层表面温度高于临界黏度温度时,渣层处于流动状态;液态熔渣表面的流动速度和温度有关,温度越高,速度越大,基本(o1 0 467.(d)1 0800、成线性增加。图7 熔渣流速的测量F'ig. 7 Measurerment of slayg vrlorily中国煤化工参考文献:CNMHG由Seggiani模型可得渣层处于稳定状态时熔渣[1] BREAULT Rv. 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