气流床气化炉内颗粒停留时间分布

第59卷第1期L学报Vol.59 No. 12008年1月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)January 2008geeccccccccs研究简报资气流床气化炉内颗粒停留时间分布许建良，代正华，李巧红，李伟锋，刘海峰，王辅臣，于遵宏(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)关键词:撞击流;多喷嘴气化炉; Texaco 气化炉;停留时间分布中图分类号: TK 229.6; TQ 021. 4文献标识码: !文章编号: 0438-1157 (2008) 01 -0053-05Particle residence time distributions in entrained-flow gasifierXU Jianliang, DAI Zhenghua , LI Qiaohong, LI Weifeng, LIU Haifeng, WANG Fuchen, YU Zunhong(Key Laboratory of Coal Gasification, Ministry of Education, East China Universityof Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: The particle residence time distributions in the entrained-flow gasifier as the importantparameters in the gasification process were studied by using a new stimulus response method. Thedifferences of the particle residence time distributions in the opposed multi- burner entrained-flow(OMBEF) and Texaco gasifier were compared. The influence of gas velocity and particle diameter onparticle residence time distributions was discussed. The experimental results showed that the new stimulusresponse method was reliable and could be used to measure the particle residence time distributions in theentrained-low gasifier and the particle residence time in the OMBEF gasifier was more favorable than inthe Texaco gasifier. The results also showed that with increasing gas velocity and decreasing particlediameter, the mean and variance of particle residence time increased in both kinds of entrained-flowgasifier.Key words: impinging streams; multi- burner entrained-flow gasifier; Texaco gasifier; residencetime distributions离开床层。典型的气流床气化技术有Texaco水煤引言浆气化技术、Shell 粉煤气化技术和华东理工大学气流床气化技术因具有煤种和粒度适应性强、开发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术。操作压力和温度高、碳转化率高、生产强度大等特目前对气固两相流停留时间的研究主要集中于点，而广泛应用于煤气化领域。气流床内物料运动 循环流化床和固定床内颗粒停留时间分布。如特点是煤粉颗粒与气化剂同时进入气化炉，颗粒在Harris等[-]采用磷光示踪法系统研究了循环流化气流的曳力作用下弥散于整个床层内并最终被夹带床内颗粒停留时间分布，Barysheva 等(1] 采用光学2007-06-21收到初稿，2007- 08 - 16收到修改稿。Received date: 2007-06-21.联系人:刘海峰。第一作者:许建良(1981-), 男，博士研中国煤化Iifeng. E- mail; hliu@究生。基金项目:国家重点基础研究发展计划项目:HCNM H G、National Beasic Research(2004CB217703);教育部新世纪人才支持计划项目(NCET 05-Program of China (2004CB217703).0413);长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0620)。化工学报第59卷法研究了固定床内颗粒运动轨迹和逗留时间。对气流床内颗粒停留时间分布的研究开展得很少，目前的研究主要集中于气相系统，如于遵宏等[56]研究.了Texaco气化炉内气相停留时间分布，赵铁均[]采用氢气脉冲法研究了多喷嘴气化炉内气体停留时间分布，许寿泽等[89]采用马尔可夫链模拟了多喷嘴对置式气化炉中气体停留时间分布。由于炉内流体属气固多相流体系，气相的停留时间分布和混合φ280|爹行为不能反映颗粒在气化炉内的停留时间分布及其混合行为。而在工业运用中，煤粉颗粒的停留时间.对碳转化率和合成气组成具有十分重要的意义(0]。为此，本文采用一种合适的实验方法，对气流床气化炉内颗粒停留时间分布进行研究。1实验部分图1气化炉结构图实验采用高度为1000 mm、直径为280 mm的Fig. 1 Gasifier configuration有机玻璃气化炉模型，其结构如图1所示。该装置.的炉壁侧面和顶部分别设有安装多喷嘴气化炉喷嘴查直查查和Texaco气化炉喷嘴的喷嘴室。喷嘴直径分别为点d8、16 mm。实验用固相颗粒为经去离子水洗涤后的玻璃微珠，其质量流量为105 kg●h~,颗粒密度为2490 kg.* m-',其粒径范围分为46. 9~94.8A|7T7μm和150~250μm，采用Beckman激光测粒仪测量颗粒粒径，用Rosin-Rammler分布计算平均粒8业g径为75、199 μm。颗粒示踪剂为KCl溶液浸泡后10的玻璃微珠(经过滤，干燥处理)。实验流程如图[]2所示:高压钢瓶气体经减压阀后分别压迫4个加B 1213 14料罐内的玻璃微珠和鼓风机产生的高速气流在三通图2实验流程图处混合，经气化炉的4个喷嘴喷出进入气化炉;示Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus踪剂在电磁阀和气动阀组合控制下瞬间进入喷嘴1- steel bottle; 2- valve; 3--pressure gauge;(当用于测量Texaco气化炉内颗粒停留时间时,4- Venturi tube; 5- particle feed tank; 6- -computer;颗粒和示踪剂的加料位置置于气化炉顶部)。在气.7- conductivity detector; 8- gasifier; 9- flow meter;10-- air compressor; 11- -particle rover tank;化炉出口有一股连续流动的去离子水用于溶解黏附12- - measure systemn; 13- - water pump;在示踪剂颗粒表面的氯化钾粉末。采用电导率仪连14- deionized water tank续测量溶解在去离子水中的氯化钾离子浓度来测量气化炉内的颗粒停留时间分布曲线，测量信号经计化学示踪法、放射物质示踪法[1]、颗粒提取.算机处理后输出，其中采用频率为100 Hz。法[18)、荧光法[4]和着色示踪法[5]等。本实验采用化学示踪法对气化炉内颗粒停留时间进行研究。2结果与讨论颗粒停留时间测量的准确性主要受示踪剂种2.1实验方法 可行性研究类、中国煤化工三方面的影响。本气固两相流中固体颗粒停留时间的测量是-.个实验MHCNMHG化钾溶液充分浸泡比较困难的问题，特别是对于颗粒逗留时间短的气(经过滤和干燥处理)的玻璃微珠颗粒，因此示踪流床气化炉系统。目前颗粒停留时间的测量方法有剂和实验颗粒具有相同的物理性质;采用精密的电第1期许建良等:气流床气化炉内颗粒停留时间分布55磁阀和气动阀组合控制示踪剂在瞬间加入到喷嘴2.2最短停 留时间的定义内。在溶解测量系统中(图 2B)，去离子水流中颗最短停留时间是指颗粒从进入气化炉到开始有粒体积分数约为0.07,颗粒在连续流动的去离子颗粒出气化炉的时间，是影响碳转化率的重要参水中呈悬浮状态。由于示踪剂的量很少，而且其表数，其定义如图5所示。面的KCl极易溶于水，因此示踪剂表面的KCl的.8+溶解速率很快，通过实验测得当经历0.1s时约有91%的KCl溶解到去离子水中。为了验证实验方.6-法的可行性，分别测量了颗粒在整个系统和示踪剂加入与溶解测量系统中(图2A、B)的逗留时间4-言‘分布。图3给出了颗粒在整个系统及示踪剂加入与.2-溶解测量系统中的停留时间分布(RTD)。从图中可以看出，颗粒在系统A+B中的逗留时间是很短的，而且基本处于平推流运动。因此在实验中，采0.1.1.5.0 25 3.0用直接方法去除该段时间。图5最短停 留时间的定义本文对同一工况进行了8组以上平行实验，图Fig. 5 Definition of lag time τ for paricle RTD4给出了某一工况下测量得到的8组电压信号，从图中可以得出该实验具有良好的重复性。2.3气化炉 内颗粒停留时间分布图6是颗粒直径为75 pm,气速分别为25、.---RTD in injection and detection system,100 m.s-'下Texaco气化炉和多喷嘴气化炉内颗m=0.36s, σ=0.042s2-粒停留时间分布函数图。从图中可以看出颗粒在两RTD in whole system,0-m 2.62s, σ=1.38s种气化炉内的分布是不同的。相比而言，多喷嘴气化炉内颗粒停留时间分布要窄，而且在2s前，流瓷出的Texaco气化炉的颗粒质量分数要远大于多喷4嘴气化炉(见表1)。图7~图9分别给出了不同气速下颗粒在两种气化炉内的平均停留时间、方差和最短停留时间。从图中可以看出，多喷嘴气化炉内20 12/s的颗粒平均停留时间与Texaco气化炉基本相等，图3颗粒在整个系统及加入 与.但方差要小，而颗粒最短停留时间却要大很多。造检测系统中的停留时间分布成如此大差别的原因可能是Texaco气化炉内，属Fig. 3 Particle RTD in whole system and受限射流的流场，部分流体和颗粒因短路而直接出injection and detection system气化炉，造成颗粒的最短逗留时间较小;同时射流|2流股因卷吸和壁面的束缚作用而形成一个大的回流区，颗粒在气化炉内的返混增大，导致颗粒具有较10大方差。而在多喷嘴气化炉内，由于4个喷嘴的轴线与气化炉轴线垂直，出喷嘴后的颗粒在惯性和相向运动的气流作用下来回振荡运动，最后在径向加速和重力作用下离开撞击流股和撞击区。撞击的作用导致颗粒在撞击区内的停留时间延迟，避免了Texaco气化炉中的短路现象。另外由于4股流体.81的撞中国煤化工约流体和颗粒速度减小，|YHCNMHG昆合更为均匀，因图4实验数 据的重复性此多喷嘴气化炉内颗粒的返混和死区比Texaco气Fig. 4 Reproducibility of RTD measurement化炉要小。.56●学报第59卷表1不同时刻离开 气化炉的颗粒质量分数Table 1 Mass fraction of particles leaving gasifier with different time intervalsF(I)Gasifierua(/m.g-1 一t=0.2st=0.6st=1.0st=1.4 st=1.8st=2.0sOMBEF250. 000. 100. 390.570.64.000.00.0.000.160.330. 40Texaco0. 130. 350. 520. 630. 680.090.210. 340.44.0.48Note: dp = 75 pm.1.0F4, d:=75μm, Texaco gasifier口dp=75μm, OMBEF gasifier0.8▲d=199um, Texaco gasifir30 d;=199μm, OMBEF gasificr25 m●s- OMBEF gasiier. 0.- 100 m. sI OMBEF gasifier一- 25 m. s " Texaco gasifier0.4----- 100m* s' Texaco gasifier20.2601280100tisug/m.s'图6多喷嘴 气化炉与Texaco气化炉内颗粒图8多喷嘴气化炉与 Texaco 气化炉内颗粒停留时间方差停留时间分布Fig. 8 Particle variance residence time in opposedFig.6 Particle RTD in opposed multi burnermuli-burner entrained flow and Texaco gasifierentrained-flow and Texaco gasifier (d, =75 pum)■dp=75yum, Texaco gasifier= dp=75um, Texaco gasifier。d;=75μm, OMBEF gasifer。d;=75μm, OMBEF gasifier▲dp=199μm, Texaco gasifier▲dp=199um, Texaco gasifier0 dp=199um, OMBEF gasifier0 dp=199μm, OMBEF gasifier告合:%2060u/m.s'ug/m.st图7多喷嘴气化炉与Texaco气化炉内颗粒平均停留时间图9多喷嘴气化炉 与Texaco气化炉内颗粒最短停留时间Fig.9 Particle lag time in opposed multi- burnerFig. 7 Particle mean residence time in opposedentrained flow and Texaco gasifiermulti- burner entrained-flow and Texaco gasifier随气速的增大，颗粒在两种气化炉内的平均停和回流速度增大，颗粒的返混和回流也增强，导致留时间和方差均增大。对于Texaco 气化炉，随气颗粒平均停 留时间和方差增大。随气速增大，气化速增大，炉内气体的回流量和回流速度增大[16]，炉喷中国煤化_顺粒最短停留时间颗粒的返混和回流也增强，导致颗粒平均停留时间臧小THCN MH.G流动的一个重要因和方差增大。对于多喷嘴气化炉，随气速增大，-方面气固两相的速度比增大，颗粒在撞击区内的振素，对颗粒平均停留时间、方差和最短停留时间都荡和逗留时间增大;另一方面，炉内气体的回流量有影响。从图7~图9中可以得出，颗粒的直径增第1期许建良等:气流床气化炉内颖粒停留时间分布大，两种气化炉内的颗粒平均停留时间、方差和最Chemical Engineering Journal, 2003, 91; 219-225短停留时间都减小，这与颗粒直径对颗粒的跟随性[5Yu Zunhong (于遵宏)，Gong Xin (龚欣)，Shen Caida(沈才大)，Yu Jianguo (于建国)，Wang Fuchen (王铺的影响一致。臣)，Xiao Kejian (肖克俭). Mathematical model of3结论residence time distribution on gasifier. Joural of ChemicalEngineering of Chinese Univrsities (高校化学工程学报)，采用一种新型脉冲示踪法测量了多喷嘴气化炉1993，7 (4): 322-329[6]Wang Fuchen (王辅臣)，Gong Xin (龚欣)，Wu Tao (吴和Texaco气化炉内颗粒停留时间分布，分析了气韬)，Yu Guangsuo (于广锁)，Yu Zunhong (于遵宏).速对两种气化炉内颗粒停留时间分布的影响，得出Investigation of macro mixing process for jet entrained以下结论。gasifier ( I ): Clod model residence time distribution.(1)本实验采用的脉冲化学示踪法具有良好的Journal of Chernical Industry and Engineering (China) .(化工学报)，1997， 48 (2): 200-207重复性和可靠性，可以用于气流床气化炉内颗粒停[7Zhao Tiejun (赵铁钧). Jetting behavior and global mixed留时间的研究。behavior study of tetra-nozle impinging steam reactor(2)由于气化炉结构的不同，颗粒停留时间分(TISR) [D]. Shanghai: East China University of Science布在Texaco气化炉和多喷嘴气化炉中有很大的差[8and Technology, 2000异。通过研究发现，颗粒在多喷嘴气化炉内的停留Xu Shouze (许寿泽)，Yu Guangsuo (于广锁)，L.iangQinfeng (梁钦锋)，Niu Maoren (牛苗任)，Yu Zunhong时间分布要比Texaco气化炉更为合理。(于遵宏)。Applying Markov chain to simulate residence(3)随气速的增大，两种气流床气化炉内的颗time distribution of gasifier. Chemical Reaction Engineering粒停留时间和方差都增大，而颗粒最短停留时间and Technology (化学反应工程与工艺)，2006, 22 (3):240-245减小。[9]Xu Shouze (许寿泽)，Yu Guangsuo (于广锁)，Liang(4)随颗粒粒径的增大，两种气流床气化炉内Qinfeng (梁饮锋), Niu Miaoren (牛苗任)，Yun 2unhong的颗粒停留时间、方差、最短停留时间都减小。(于遵宏). Stochastic model of residence time distribution inopposed ter burner gasifier. Journal of Fuel Chemistry符号说明and Technology (燃料化学学报)，2006, 34 (1): 30-35Rabits M C. van den Houten G J, et al. Modelling ofE (t)-停留时间分布密度函数，s-1residence time distribution in entrained flow coal gasificationF (t)-停留时间分布函数reactor. Chemsa, 1983, 9 (11); 220-223m一平均停留时间，s[11]Rhodes MJ, ZhouS, et al. Efects of operating conditionsU一电导率测量输出电压，mVon longitudinal solids mixing in a circulating fluidised bedux一喷嘴出口气速， m.s-'riser. AIChEJ., 1991，31 (10): 1450-1458方差，s[12]Ambier P A. Milne BJ，etal. Residence time distribution最短停留时间，sof solids in a circulating fluidised bed: experimental andmodeling stuidies. 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