氧煤比对气流床煤气化过程的影响

第9卷第2期热科学与技术Vol.9 No.22010年6月Journal of Thermal Science and TechnologyJun. 2010文章编号: 1671-8097(2010)02-0177-06DOI: 10.3969/j. issn. 1671-8097. 2010. 02. 015氧煤比对气流床煤气化过程的影响陶明春'，杜敏'，郝英立"1,2(1. 东南大学能源与环境学院，江苏南京210096;2.东南大学空间科学与技术研究院，江苏南京210096 )摘要:为研究氧煤比对气流床煤气化炉气化过程的影响,对某厂运行的Texaco气化炉进行了数值模拟研究.利用所建立的数学模型,分析了Texaco 气化炉内的气化过程,以及氟煤比对炉内温度、气相咸分及炉膛出口合成气成分的影响规律。结果表明:Texaco气化炉内下行火焰的长度约占气化炉高度的1/3.炉膛上部火焰高度区城内气相温度及主要咸分浓度的变化梯度最大,而在炉膻下部气相咸分及温度的变化均不明显;随着氧煤比的增大(0.95~1.10),气化炉出口合成气有效成分(H2+CO)浓度逐渐降低,CO2和H2O的浓度及气化炉内气相温度逐渐升高;在保证顺利排渣和合适的出口合成气成分的条件下,存在一个最佳氧煤比。关键词: Texaco气化炉;气化过程;数值模拟;氟煤比中图分类号: TK546文献标识码: Afunction,PDF)模型对Texaco气化炉的气化过程0引言进行了数值模拟,并分析了煤浆浓度等操作参数煤气化是煤高效清洁利用的重要途径之一，对气化过程的影响。文献[6]则采用涡量-流函数特别是气流床煤气化技术以单炉容量大、煤种适方法和EBU模型对水煤浆试验台进行了二维数应性好、碳转化率高、变负荷能力强等特点而备受值模拟。关注。化石燃料的快速消耗,以及人们对环境要求文献[7]针对Texaco水煤浆气化炉发展了的日益严格,进一步促进了该技术的迅速发展.一套完整的数学模型,充分考虑了水煤浆液滴中Texaco气化炉是-种应用比较多的气流床水分的蒸发、挥发份的析出、气体与焦炭颗粒间异煤气化技术,其以水煤浆为原料,纯氧为气化剂，相反应和气相中均相反应等过程,以及气化过程在炉内高温、高压、强烈湍流和混合条件下,进行中颗粒粒径变化的影响,并采用工业运行数据验复杂而剧烈的煤气化反应,进而生成工程需要的证了模型的正确性。文献[7]还对Texaco气化合成气。由于其苛刻的运行条件和复杂的反应过炉内的气固两相流,温度和成分浓度分布,以及煤程,数值模拟已成为预测Texaco气化炉气化特性的有效手段.李政等[11在Wen和Chuang[C2)所建浆浓度对气化性能的影响进行了分析研究。本文模型的基础上建立了完整的小室模型，能够对在文献工作基础上,对Texaco气化炉内气化过Texaco气化炉出口合成气成分进行有效预测,但程,及氧煤比对气化过程的影响做进-步研究,为该模型不能给出炉内的流动过程.文献[3-5]分别工业气化炉的运行提供理论依据.采用简化概率密度函数(possibility density1研究对象及数学模型中国煤化工收稿日期: 2010-03-17;修回日期: 2010-04-20.基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项月(2010C227002).MHCNMHG作者简介:青明春(1982-),男,硕士生，主要从事煤的洁净燃烧与气化研究郝英立(1963-),男 ，辽宁沈用人，博士，救授，博士生导师，主要从事多相流理论与应用、煤的洁净燃烧与气化、微尺度流动与传热研究. E-mail: haoy@seu. edu. cn178热科学与技术第9卷1.1研究对象运动的过程中发生气化还原反应,同时,气相与气Texaco气化炉是典型的气流床煤气化炉。相之间存在着同相反应,最终生成合成气。炉内本文的模拟对象是某厂运行的1台8.5 MPa.日主要反应见表1,这些反应与气相湍流间存在着消耗煤约1000t的高压Texaco水煤浆气化剧烈的相互作用,本文采用有限速率模型对炉内炉[间,其主要结构和尺寸见图1.该气化炉高度化学反应过程进行模拟。水煤浆气化过程的详细约为7.3 m,内径约为2.1 m.水煤浆及纯氧(气描述见文献[7].化剂)经炉膛顶部外混式三通道喷嘴高速喷人气t 1水煤浆气化反应模型化炉内。其中,在标准大气压下纯氧体积流量为.Tab.1 Chemical reactions for slurry gasification23 231 m2/h,煤浆体积流量为50. 78 m2/h,煤浆主要反应.质量分数为60%。在喷嘴处,水煤浆在纯氧的高水分燕发(MJ●kmol-)速冲击下被雾化成几十微米的煤浆液滴,经过复Slurry一+Coal+H2O (g)吸热杂的气化反应生成的合成气,由炉膛底部出口排脱挥发份Coal-→挥发份十焦炭出。煤浆液滴反应后剩余的灰分则在炉内高温条异相反应件下以熔融态存在,并在炉内复杂湍流运动和颗C(s)+1/20%- +CO(R1) -111C(s)+O2-→+CO(R2)- 394粒惯性的作用下附着于炉膛壁面,形成的液态渣C(s)+CO2-→2CO(R3)+172C(s)+ H2O (g)- +CO+H2(R4) +131层在重力的作用下沿壁面向下流动,由炉膛底部同相反应出口液态排渣.挥发份* +Or一→aCO2 +bH2O0+cC0+dHz +eCH,(不完全燃绕)(R5)放热水煤浆+氧气挥发份+O2 - +CO2+H2O(R6)Co+ H2O一CO2+H2(R7)-41*注:本模型中假设挥发份由可燃气体CO、Hz和CH,等组成。采用Eulerian-Lagrangian 方法模拟Texaco气化炉内复杂的气固两相流运动。其中,气相为有反应的连续介质,且为具有强烈回流的湍流流动,在Eulerian坐标系中采用带旋流修正的Real-izable kε湍流模型[°0]进行计算;雾化得到的水煤浆颗粒为离散相,在Lagrangian坐标系中采用牛顿第二定律计算其在气相中的运动轨迹。水煤浆出口颗粒在运动过程中发生所含水分蒸发、挥发份析(渣+合成气)出和化学反应,其粒径随之发生变化,粒径变化过图1Texaco气化炉结构示意图(单位:m)程的计算详见文献[7].另外,炉膛中的辐射传热Fig.1 Schematic structure of Texaco gasifier (unit:m)由P-1辐射模型计算。将这几种模型联立即可得1.2 数学模型到描述Texaco气化炉炉膛内部气固两相运动与在Texaco气化炉中,经喷嘴充分雾化而成气化反应过程的热态模型。的水煤浆液滴,被炉膛内的高温回流气体迅速加1.3边界 条件和计算方法热,煤浆液滴中的水分迅速蒸发,进而发生挥发份中国煤化工进口边界条件，的析出、挥发份与焦炭颗粒的燃烧等过程,同时氧并指YHCNMHG;出口采用压力气被迅速耗尽,在喷嘴下方形成一下行火焰。燃出口边界条件;壁面为无滑移和定温边界条件.烧生成的高温气体及未燃烬的焦炭颗粒在向下游对于颗粒相,喷嘴出口处水煤浆已被充分雾化成.第2期陶明春等:氧煤比对气流床煤气化过程的影响179细小颗粒,并以一定的速度和质量流量进入炉膛;该区域逐渐变为还原环境,高温燃烧气驱动部分当颗粒到达炉膛壁面时,则被炉膛壁面上的液态还原反应(R3-R4)向右进行,使得该区域CO和渣层所捕获,当颗粒到达炉膛出口时则离开气化H2的浓度迅速增加。随着氧气的进- -步消耗,气炉,终止该颗粒的跟踪计算。相温度及各主要成分浓度的变化趋势变缓。当离.计算中,采用SIMPLEC算法计算气相压力喷嘴的距离约2.3 m时,氧气被全部耗尽,气相速度耦合方程,采用--阶迎风格式离散控制方程温度达到最大值。可见,炉内下行火焰的长度约中的对流项,并采用气化炉进出口质量差和炉内占气化炉高度的1/3.随着离喷嘴距离的进一步固定点温度的稳定性作为判断计算是否收敛的标增大,高温燃烧气驱动吸热的还原反应(R3-R4)准.向右进行，使得炉内气相中CO和H2的浓度有所增加,CO2和H2O的浓度有所减小，气相温度2结果与分析也相应降低。当离喷嘴的距离大于3 m时,炉内2.1气化过程分析 :各气相成分浓度通过可逆反应(R7)达到平衡,又首先以文献[8]提供的运行工况作为典型工由于气相回流的存在[1]促进了组分之间的混合,况对气化反应过程进行分析。图2为模拟计算该使得炉膛下部气相浓度及温度的变化均不明显。工况得到的气化炉内横截面上的气相温度和主要喷嘴附近区域的气相温度及主要成分浓度变成分浓度(本文所涉及的浓度均指气体摩尔分数)化最为剧烈,且合成气中的有效成分(CO+ H2)的平均值随距喷嘴距离的变化。主要在这个区域产生,所以,该区域流场及化学反.0.45-应过程的良好组织对于整个气化过程的效率及合成中有效成分的提高起到至关重要的作用.400Co2.2氧煤比对气化 过程的影响:O20.15)0氧煤比是影响水煤浆气化的重要因素之一，l20本文分别对氧煤比为0. 95.1. 00.1. 03.1. 05和0.001.10的5个工况进行了模拟计算,其中氧煤比为H/m1. 00时的工况与实际运行工况- -致。图2气相成分浓度及温度沿高度方向 上的图3给出了不同氧煤比工况下气相成分浓度变化规律及温度沿炉膛高度方向的变化。可见,氧煤比对Fig.2 Variations of gas mole fractions and tempera-炉内成分浓度和温度,以及出口合成气有效成分ture along gasifier height(CO+ H2)含量的影响很大。随着氧煤比的提由图2可见,在喷嘴附近炉内平均温度及主高,促进了炉内燃烧反应(R1-R2 ,R5-R6) ,特别是要成分浓度的变化最为剧烈。在喷嘴附近,水煤完全燃烧反应(R2,R6)的进行,使得炉内CO和浆液滴中的水分蒸发完毕后,析出的挥发份以及H2浓度的整体水平逐渐减小，而COz和H2O的.形成的焦炭颗粒与氧气发生剧烈的燃烧反应浓度及炉内气相温度逐渐增加。随着更多氧气的(R1-R2 ,R5-R6) ,形成一下行火焰,放出大量的热加入,也使得炉内可燃气体CO和H2等进一步量,导致该区域内氧气浓度急速减小,气相温度迅转化为CO2和H2O,使得出口合成气有效成分速升高,燃烧反应产物CO2和H2O的浓度增加。中国煤化工气品质变差。随随着氧气的迅速消耗,焦炭与挥发份的燃烧反应MHCN M H G温度升高,炉膛出逐渐变为不完全燃烧反应(R1,R5),使得该区域口合成气CO2和H2O的浓度升高，而有效气体CO和H2的浓度增加。另外,由于氧气的消耗，成分(H2 +CO)含量逐渐降低(见图4).所以在180热科学与技术第9卷0.42-0.36-0.38-.34-1.05--.-- 0.95.32-1.10-- 1.032。8H/m68(a) CO浓度变化(b) H2浓度变化0.18-0.10-。0.160.0R 0.14..-.0.95--1.050.04-..0.950.12- 1.0-一1.101.030.10十士5τ56广8HmHim(c) CO2浓度变化(d) H2O浓度变化0.801 900-0.7516000.70-.... 1.051 3001.00.- 1.10弄....0.95---1.050.65---1.10100十2↓↓古80.60士-一本6°g/m(e)温度变化(f)有效成分浓度变化图3不同氧煤比工况下气相成分浓度及温度沿炉膛高度方向的变化Fig.3 Variations of gas mole fractions and temperature along gasifier height for cases with different oxygen-coal ratios21 810.75FCO+Hz实际工业运行中,氧煤比的降低,既可降低氧耗，H1 7600.55又能提高合成气中有效成分的含量。-1 710xTexaco气化炉的排渣方式为液态排渣,工业0.3s-CO:+H2O1 660上通常控制气化温度高于灰熔点50C以上,防止0.1.95610出口处的结渣堵塞,以保证气化炉的稳定运行,所瓦煤化以氧煤比中国煤花 工生的来说,在保白丛a制图4氧煤比对出口合成气成分及温度影响证顺YHCNMH(支分的条件下，Fig.4 Effect of oxygen-coal ratio on syngas compo-Texaco气化炉运行甲存在一个最佳氧煤比。nent concentrations and temperature第2期陶明春等:氧煤比对气流床煤气化过程的影响[J]. ChemJ of Pow Eng, 2005, 25<2); 217-220.3结论(in Chinese)本文利用所建立的数学模型对某厂运行的[4] 贺阿特，冯胃，董绍平,等。德士古渣油气化炉Texaco气化炉进行了数值模拟研究。通过对气的数值模拟[J].高校化学工程学报，2001,15(6):化炉内气化过程的模拟计算,发现该气化炉运行526-531.中下行火焰的长度约占气化炉高度的1/3,且在HE A-te, FENG Xiao, DONG Shao-ping, et al.Comprehensive numerical model for residual oil火焰高度区域内气相温度及主要成分浓度的变化Texaco gasifier[J]. J of Chem Eng of Chinese最为剧烈;而在炉膛下部,气相温度及成分的变化Univ, 2001, 15(6) :526-531. (in Chinese)均不明显。本文研究了氧煤比对气化过程的影响规律,[5] 吴玉新，张建胜，王明敏，等.用筒化PDF模型对气化炉运行特性的分析[J].中国电机工程学报，发现随着氧煤比的增大(0.95~1.10),气化炉出2007, 27(32) :57-62.口合成气有效成分(H2 +CO)浓度逐渐降低,而WU Yu-xin, ZHANG Jian-sheng, WANG Ming-CO2和H2O的浓度及气化炉内气相温度逐渐升min, et al. Analysis of gasifcation performance of a高。在保证气化炉顺利排渣的前提下,实际工业Texaco gasifier based on presumed PDF Mode![J].运行中应该根据合成气的不同用途设定合理的氧Proc of the CSEE, 2007 , 27(32):57-62. (in Chi-煤比,使工业运行效率最大化。nese)[6] LIU X J, ZHANG W R, PARK T J. Modeling参考文献( References):coal gasification in an entrained flow gasifier[J].[1] 李政，王天骄，韩志明，等. Texaco煤气化炉数Combust Theory and Modelling, 2001, 5(4) : 595-学模型的研究一-建模部分[J]. 动力工程，2001,21608.[7] DU M, Hao Y, LIU s. Numerical study on coal(2) :1161-1168.LI Zheng, WANG Tianjiao, HAN Zhi-ming, etgasification in texaco entrained-flow coal gasifieral. Study on mathematical model of Texaco gasifier[C]. APPEEC2009, Wuhan, 2009.modeling[J]. Pow Eng.2001, 21 (2); 1161-1168.[8] 汪泽强，陈兆元,朱宁，等。煤气化试车总结.[J].大氮肥, 2007 ,30(6) :430-433.2] WEN C Y, CHUANG T Z. Entrainment coal gasi-WANG Ze-qiang, CHEN Zhao-yuan, ZHU Ning,fication modeling[J]. Ind Eng Chem Process Deset al. Summary on commissioning of coal gasifica-Dev, 1979,18(4) :684-695.tion plant[J]. Large Scale Nitrogenous Ferilizer3] 于海龙，赵翔，周志军，等.煤浆浓度对水煤浆Ind，2007, 30(6) :430-433. (in Chinese)气化影响的数值模拟[J].中国动力工程学报，[9] 陶文铨.数值传热学[M].第二版.西安:西安交2005 ,25(2) :217-220.通大学出版社，2001; 70-376.YU Hailong, ZHAO Xiang， ZHOU Zhirjun, etTAO Wen-quan. Numerical heat transfer[M]. 2nded, Xi' an; Xi' an Jiaotong Univ Press, 2001 : 370-al. Numerical simulation of the efct of coal-waterslurry' s concentration on its gasification process中国煤化工YHCNMHG182热科学与技术第9卷Effect of oxygen-coal ratio on gasification process in entrained-flow gasifierTAO Ming-chun', DU Min'， HAO Ying-1i*1.2( 1. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China; :2. Institute of Space science and Technology, Southeast University, Nanjing 210096, China )Abstract: To study the effect of oxygen-coal ratio on gasification process in entrained-flow gasifier, asimulation study for a Texaco gasifier running in a factory was carried out. Using the CFD modelproposed, the gasification process in Texaco gasifier was analyzed under typical cases. And the effectsof oxygen-coal ratio on the gas temperature, composition concentrations in the gasifier and the productgas compositions were obtained. The results show that the length of the downward flame is about onethird of the height of the gasifier. The variation gradients of gas temperature and main compositionconcentrations are the biggest in the zone about the height of the flame in the Texaco gasifier, and thechanges of gas temperature and compositions are not obvious in the lower part of the gasifier. Withincreasing oxygen-coal ratio (0. 95~ 1. 10), the concentration of effective composition (CO+ H2) inproduct gas decreases gradually, and the concentration of CO2 and H2O and the temperature in thegasifier increases gradully. There exists a best oxygen-coal ratio for ensuring the discharge of themolten slag smoothly and gaining the most suitable product gas components.Key words: Texaco gasifier; gasification process; numerical simulation; oxygen-coal ratio中国煤化工MYHCNMHG