气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究

Vol.31 No. 3.华东理工大学学报(自然科学版)2005-06Journal of East China University of Science and Technology (Natural Science Edition)393研究简报文章编号:1006- 3080( 2005 )03- 0393-05气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究袁宏宇，瞿海根，任海平，王辅臣”，于遵宏(华东理工大学洁净煤技术研究所,上海200237)摘要:煤气化工艺中，气流床气化炉内的熔渣对耐火衬里的高温侵蚀十分严重,是影响耐火衬里寿命的重要因素。在实验室条件下建立了熔渣在气化炉内沉积过程的模拟实验装置,以石蜡作为模拟介质模拟熔渣,通过改变反应条件研究了它在双喷嘴对置式气化炉内的沉积规律。结果表明:炉内渣层达到稳定状态需要一定的时间;气体温度高、流量大或模拟介质温度高均不利于熔渣沉积;模拟介质流量对熔渣沉积的影响较小;相对于水冷,氨冷更有利于熔渣沉积。关键词:气流床气化炉;熔渣;石蜡;模拟介质;沉积规律中图分类号:TQ545文献标识码:AAn Experimental Study of Slag Deposit in the :Entrained-Flow GasifierYUAN Hong-yu,QU Hai-gen,REN Hai- ping,WANG Fu-chen* ，YU Zun -hong(Institute of Clean Coal Technology , East China University of Scienceand Technology ,Shanghai 200237 ,China)Abstract :In coal gasfication ,the molten coal slag corrodes the refractory lining of the entrained-flowgasifier severely ,which is an important factor affecting the life of refractory lining. The simulation device tostudy deposit of slag in double- nozzle -opposed gasifier is built in laboratory and paraffin is used as themedium. The experiment runs on different reaction conditions and its results show that deposit of slag needsome time to reach static state. It is also observed that the higher of air temperature and air flux and medi-um temperature are ,the less slag deposit thickness is , while the medium flux affect the deposit of slag lit-tle. The slag deposit is obviously thicker on ammonia- cooling part than that on the water- cooling part.Key words :entrained-flow gasifier ;molten slag ;paraffin ;simulation medium ;deposit rule气流床气化炉因生产压力高、负荷大、碳转化率蚀。气流床气化炉中耐火衬里有耐火砖和水冷壁两高,成为应用广泛、发展前景最好的煤气化技术之种。Texaco气化炉采用耐火砖衬里。耐火砖衬里一。 在生产中,影响气流床气化炉安全、稳定、长周期的中国煤化工的价格与气化炉受压壳操作的一个关键因素是炉膛内熔渣对耐火衬里的腐体YHCN MH G时里需要定期检修更换，目前Texaco气化炉向火侧的耐火砖最长寿命仅2基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2004CB217703)年[2]。Shell 气化炉采用水冷壁技术[],仅在向火面E-mail:wfch@ ecust. edu. cn有一层薄的耐火材料,正常操作时,依靠挂在水冷壁收稿日期:2004-09-16.上的熔渣层保护水冷壁。其水冷壁寿命约为25年，作者简介:袁宏宇(1978-),男,硕士生,研究方向为煤气化。394华东理工大学学报(自然科学版)第31卷喷嘴寿命1年以上。从长远考虑,水冷壁技术优于耐外水冷壁内通入冷却介质,冷却介质用水冷、氨冷或火砖,是今后的发展方向。空气冷却,见图2。熔融态的石蜡撞到炉壁上后,与水冷壁技术采用“以渣抗渣”[4的思想,在水冷壁面发生热交换，其温度低于石蜡凝固点的就凝固壁内侧附着-层均匀分布的熔渣层,抵御高温熔渣并附着在水冷壁上,形成-定厚度的石蜡层。在气化对水冷壁的腐蚀。因此研究熔渣在气化炉内的沉积炉模拟器上有8只E型热电偶(12),不断测量炉内规律对水冷壁的优化设计具有十分重要的意义。目温度，数据输入计算机。前我国还未见有气流床气化炉熔渣沉积规律的相关1.2 渣层厚度取样点及热电偶位置排布研究文献报道。实验需要采集的数据主要包括炉内温度场分布,以及模拟介质的厚度分布。实验达到稳态后,模1实验设计拟介质在壁面形成厚度一定的固态渣层。为方便表示其厚度分布,沿轴向方向把炉体几何分为13个单煤气化过程是在高温、高压、湍流多相流动的条元,其中喷嘴上部区域4个,下部9个,沿环向再均件下进行的,涉及复杂的物理和化学反应过程的交匀分为8个部分(如图2所示),分别测量这些部分互作用,因此在实验室很难完全重现工业气化炉内的渣层厚度,可以表示渣层厚度的轴向和环向分布。熔渣流动情况。考虑到气化炉中,熔渣的形成与稳定下文中的轴向分布的数据统-使用模拟气化炉北面“挂壁”主要与炉内的温度场分布有关,因此本实验的轴向测量数据作为比较;环向分布的数据统-使采用命题转化的方法,用模拟介质在气流床内的湍用模拟气化炉第9单元的测量数据作为比较。流多相流动来模拟熔渣,借以研究熔渣在气化炉内的流动沉积规律。本实验基于此进行了设计,在实验VaultNorth1th室条件下建立了熔渣在气化炉内沉积过程的模拟实验装置,以石蜡作为模拟介质模拟溶渣。3th26th( >8tl1. 1实验装置及流程Nozzle4th5th{模拟实验工艺流程见图1。4th\th_Sth6thOutlet of cooling_7thmediumWater wall9th11th-斗'°- t t. Inlet of colig7一J12th品[813th、 Bottom、 Intersection回一回p图2气化炉几何分区及热电偶排列位置图Fig. 2Geometry discretization and thermoelectric pair图1模拟实验工艺流程图.location of the gasifierFig. 1 Schematic diagram of the simulant experiment1- Simulation gasifier;2- Cool storage tank of paraffin;3- Storage1.3实验内 容tank of water;4-N2 eylinder ;5- Intelligent controller series AI;6-实验主要考察了实验时间、气体温度、气体流Storage tank of paraffin;7- Computer recorder;8- Air heater;9-量、模拟介质温度、模拟介质流量、冷却介质的不同Air compressor; 10- Air drier; 11- Nozzle; 12- Thermoelectric对模址介质在辟而厚庶分布的影响。pair;13- Water wall中国煤化工空气先经空气干燥器(10)干燥,经空气加热器YHCNMH G(8)加热至-定温度后送入喷嘴(11)外通道;在AI全通用人工智能调节器(5)的控制下石蜡被石蜡存2.1实验时间对模拟介质在壁面厚度分布的影响储加热槽(6)加热至设定的温度,在(4)内氮气压力在给定条件(环境温度16~18 °C,气体温度的作用下石蜡被送入喷嘴中心通道,在外通道空气70 °C,气量40 m2/h,模拟介质温度80 °C,水冷却,的作用下雾化，喷射进入气化炉模拟器(1)。气化炉第3期袁宏宇,等:气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究395水温20~23°C)下,研究了不同实验时间(10、30、增强,渣膜厚度易变薄,当炉内温度变低时,模拟介60、120min)对模拟介质在壁面的沉积厚度分布影质的粘度升高,其流动性降低,渣膜厚度又易变厚;响,结果如图3所示。另一方面.炉内温度升高,气体与渣层的对流换热系数增大,热流密度增大,造成渣层温度升高,部分固昌号[ (a)1/mi:态渣层融化,渣层总体厚度变薄。变薄后其导热系数变大,将增加的热流量导出。:-i20昌14[ (a)12上 :-600C11 13Axes cell i(b)t/ min:1113.- 120Axes cellib)2123456789E 10:-60°CRadial celli图3实验时 间对模拟介质轴向厚度(a)与环向厚度(b)分布的影响Radial cell iFig.3 Effect of reaction time on axes and radia thicknessof medium图4气体温度对模拟介质轴向厚度(a)与环向厚度(b)分从图3可以看出随着实验时间的增加,壁面沉积的模拟介质厚度在开始10~30min内增加较快，Fig.4 Effect of gas temperature on axes and radial thick .但当时间大于60 min后，模拟介质厚度变化不大，ness of medium可以认为此时趋于稳定。这主要是由于实验达到热稳定状态很快,在本实验条件下,60 min左右实验[ (a)即达到热稳定状态。工业条件下,渣膜达到稳态也需要-定的时间。故在正式生产之前,可以使用高灰分含量的煤(产渣量也较多)在炉内生产一段时间,使得炉内壁上附着135上一层均匀稳定的熔渣层,利用以渣抗渣，保护耐火衬里，延长耐火衬里的使用寿命。: (b)1- 80°C2.2气体和模拟介质温度对模拟介质厚度分布的●-72C影响保持实验条件(环境温度16~18 °C,气量60m3/h,模拟介质温度80 °C,水冷却,水温15~17 °C,实验1 h)不变,改变气体温度,分别在60、70 °C进行实验,实验结果见图4。图5模拟介质温度对其轴向厚度(a)与环向厚度(b)分布保持其他实验条件不变,改变模拟介质温度,分的影响别在72.80 °C时进行实验,结果见图5。从图4.5可Fig中国煤化工rture on its axes and radial以看出，气体温度、模拟介质温度对模拟介质沉积的:HCNMH G厚度分布有着相似的影响。温度越高，模拟介质厚度头验十及比Nry呗佣必温度明显偏高且模拟介越薄,反之则越厚。这是因为如果气体或是模拟介质质沉积厚度薄于其他地方,与第9单元相比,炉壁温温度较高,那么带入炉内的热量也多,相应炉内温度度平均要高15~20 °C,模拟介质的沉积厚度平均要也较高,这时在气化炉内部存在两方面的影响。-方少6~7mm。因此,对于工业水冷壁气化炉,要特别面,炉内温度升高,模拟介质的粘度降低,其流动性注意喷嘴区域的水冷壁保护,加强此处的冷却效果396华东理工大学学报(自然科学版)第31卷2.3气体流量对模拟介质在壁面厚度分布的影响所示。从图7可以看出,在-定范围内变化的模拟介保持实验条件(环境温度16~18 °C,气体温度质流量对其厚度的轴向和环向分布几乎没有什么影65 °C,模拟介质温度80°C,水冷却,水温16~响。因此当模拟介质流量变化不是很大时,可以忽略17 °C,实验2 h)不变,分别在40、50 m3/h的气量下其影响。进行实验,实验结果如图6。从图6可以看出,气体流量对模拟介质沉积厚度分布有一定的影响,气体昌ζF (a6--- 14.0 kg/h流量变大,模拟介质相对变薄,反之变厚,但其影响g5●-18.3kgh.不如温度显著。?「(a)11 130f ●- 40 m3/bAxes cell i8+●-50 m3/h6|昌(b)a5t●-18.3 kg/h8r (b)1234567 89二sRadial cell i图7模拟介质流 量对其轴向厚度(a)和环向厚度(b)分布:-40 m3/h●- 50 m3/h的影响Fig. 7 Effect of medium flux on its axes and radial thicknesRadial celli模拟介质流量对其厚度分布的影响很小,是由图6气体流量模拟介质轴向厚 度(a)与环向厚度(b)分布于渣层的厚度主要受温度场的影响。而本实验中模拟介质流量的改变对炉内的温度场影响很小，例如Fig. 6.Effect of gas flux on axes and radial thickness of在18.3、14.0kg/h的流量下进行的两次实验,炉内medium .的温度场几乎没有改变。气体流量对模拟介质厚度分布的影响主要有两个方面:一、实验中,模拟介质温度-般都高于气体昌14 |a)温度,因此气体流量增大，气体与模拟介质通过喷嘴1- Ammonia10.-Water n雾化后进入气化炉的混合物的温度相对降低,从而影响了炉内的温度场分布,进而影响了模拟介质的厚度分布。二、气流对模拟介质表面有冲刷作用。当气体流动方向与模拟介质液态层流动方向相反时，相互间的摩擦阻力阻碍了液态层的流动,渣膜会变昌121[ (6)厚:当气体流动方向与模拟介质液态层方向相同的8时候,液态渣层流速变大,渣膜会变薄。61在直桶段与下锥体交接处(见图2),模拟介质■-. Ammonia2t●- Water沉积厚度大大超过水冷壁处，常常达到20 mm。由.234567 89于此处熔渣由竖直流动变为倾斜流动,熔渣流动变慢,渣层必然增厚,严重的时候可能会造成排渣口堵中国煤化工塞。因此.在工业生产中,需要注意熔渣的流动情况，图{MHCN M H G厚度(a)与环向厚度(b)分避免排渣口堵塞,影响正常的生产。布时彭啊y2.4 模拟介质流量对其厚度分布的影响Fig.8 Effect of cooling medium on axes and radial thick-保持其他条件(气体温度70 °C,气量40 m2/h,ness of medium水冷,实验l h)不变,改变模拟介质流量,分别在流2.5冷却介质对模拟介质厚度分布的影响量为18. 3、14.0 kg/h时进行实验,实验结果如图7保持其他实验条件(气量40 m*/h,气体温度第3期袁宏宇，等:气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究39770 °C,模拟介质温度80 °C,实验1 h)不变,分别研未水冷条件下渣层厚许多,本实验条件下,模拟试验究了氨冷和水冷对模拟介质厚度分布的影响。从图介质石蜡在水冷壁上的沉积厚度在7~8 mm间,模8可以看出,在氨冷条件下,模拟介质厚度明显比水拟介质石蜡的粘度为0.01 Pa●S。而工业上,液态冷条件下的厚。氨冷条件下渣层最大厚度为15排渣炉的正常排渣粘度在5~10Pa●S,最高不超mm,而水冷条件下的渣层最大厚度只有8 mm左过25Pa●S5],考虑到熔渣的流动受粘度的影响很右。氨冷的效果显著,是因为氨冷时,氨气有相变发大，所以工业条件下,在水冷壁上形成几十个毫米厚生,吸收了大量的热,造成炉内温度降低，进而使得的均匀分布的石蜡层是完全可行的。渣层温度降低,厚度显著增加。(3)气化炉内熔渣流动沉积规律比较复杂,牵扯到气、液、固多相流动与传热,对相关的规律还需3结论要进一步的研究。(1)通过改变实验条件(实验时间、气体温度、参考文献:气体流量、模拟介质温度、模拟介质流量、冷却介质)考察了不同条件下渣层在模拟气化炉内壁的厚度分[1]徐振刚,吴贤贤.Texaco气化技术及其在中国的应用[J].煤炭布情况。渣层约在1 h左右达到稳定:空气及模拟介转化,1995,18(1):20-21.质温度对气化炉中渣层的厚度分布影响显著,温度[2]焦树建. 干法供煤和水煤浆供煤的气化炉性能之比较[J].燃气轮机技术,2000.13(2):2-7.越高,厚度越薄,反之越厚;气量对渣层厚度分布有[3] 于广锁,牛苗任,王亦飞,等.气流床煤气化的技术现状和发展一定影响 ,但其影响不如温度显著;模拟介质流量在趋势[J].现代化工，2004,24(5):23-26.-定范围内变化时,对渣层厚度分布以及温度分布[4] 郑振安.浅析SHELL煤气化技术在化工生产中的应用[J].化没有显著影响;冷却效果对渣层厚度分布影响显著,肥设计,1998,36(3):6-9.氨冷比水冷效果好,水冷又比空气冷却好。通过模拟[5] 岑可法.樊建人,池作和，等.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京:科学出版社1994.实验得出的规律,结合工业实践进行了思考。(2)水冷壁的使用效果明显,水冷的条件下比(.上接第392页)华东理工大学学报(自然科学版) ,2003.29(2):148-151.[6] Zhang Y. 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