干煤粉分级气流床的气化特性

第43卷第12期中南大学学报(自然科学版)Vol.43 No.122012年 12月.Journal of Central South University (Science and Technology)Dec.2012干煤粉分级气流床的气化特性曹小玲'，皮正仁'，彭好义”，蒋绍坚(1. 长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙，410076;2.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083)摘要:针对根据无焰氧化技术设计的分级气流床气化炉，运用试验和数值模拟计算的方法对F煤粉在炉内的气化过程进行研究，分析不同进料方式及氧碳摩尔比对合成气中Co, H2 和CO2体积分数、合成气热及碳转化率的影响。研究结果表明:实验结果与模拟结果基本吻合:相同进料方式F随着氧碳摩尔比的增大，合成气中co和H2体积分数、合成气热先增大后减小，而CO2体积分数和碳转化率-直上升;相对于另外2种进料方式，三层喷嘴进料方式能使炉内温度场更均匀，平均温度提高，气化强度增加，由此表明气化炉结构和进料方式使炉内实现了基于无焰氧化技术煤粉空间气化反应的基本特征:同时，氧碳摩尔比最佳范围为1.0-1.1。关键词:无焰氧化;分级气流床气化炉;干煤粉:气化特性中图分类号: TK224文献标志码: A .文章编号: 1672-7207(2012)12- 4923- 05Gasification characteristics of dry pulverized coal instaged entrained flow gasifierCAO Xiao-ling', PI Zheng ren', PENG Hao-yit, JIANG Shao-jian2(1. School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China;2. School of Energy Science and Engrneering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Experimental research and numerical simulation of staged entained-low gasifier for dry pulverized coalwhich was proposed based on flameless oxidtion technology were conducted. The infuence of changing mole ratio ofOto c and feeding condition on syngas components concentration of Co, H2 and CO2, calorific value of syngas, carbonconversion was analyzed. Results indicate that the simulations results are basically in agreement with the experimentallymeasured results. With the increase of mole ratio ofO to C, syngas components concentration of CO and H2, and calorificvalue of syngas increase frstly, then decrease, and components concentation of CO2 and carbonconversion ratioincrease continuously. The feeding condition of symmetrically staged feding nozzles on three layers can promote thetemperature field in the gasifier to be more even, the average temperature of gasifier increases, and the gasifcaionintensity can be boost up, which shows the structure and feeding way of the gasfier can realize gasification reaction ofpulverized coal with flameless oxidant characteristic. Moreover, the optimal range of mole ratio ofO to C is fom 1.0 tol.1.Key words: flameless oxidation; staged entrained- flow gasifier, dry pulverized coal; gasification characteritics煤气化技术作为洁净煤技术的重要研究方向之同时极大地改观对环境的污染状况1-21。气流床气化技一，是减少环境污染、节约能源的重要途径，我国适术具有煤种与粒度适应性广、碳转化率高、单炉容量合于气化的煤炭资源非常丰富，占全国煤炭总储量的大、变负荷能力强等优点，是今后煤气化技术发展的70%左右，通过煤炭气化可有效地提高热能利用效率，方向之一_BI。 根据无焰氧化技术的形成机理及实现条收稿日期: 2012 02 22:修回日期: 2012-06- 08基金项目:国家自然科学基金资助项目(51276023);湖南省高校创新平台基金资助项目(09K069);湖南省科技厅计划项目(011GK3111)通信作者:彭好义(1974-), 男， 湖南邵阳人，博士，副教授，从事燃料燃烧与气化研究:电话: 13107488345; E-mail; pengay@csu edu.cn4924中南大学学报(自然科学版)第43卷件14-5)，本文作者自行设计了一种新型干煤粉分级气流5~80 um之间，颗粒直径大于80 μm的占10 %左右。床气化炉，并搭建一套粉煤气化实验系统, 在对现有气化炉气化特征进行分(681的基础上,设计不同进料方式，气化剂B代运用试验与数值模拟计算19相结合的方法来考察不同2氧碳摩尔比时炉内干煤粉的气化特性，探索实现具有无2A煤整煤粉焰氧化特征的高效粉煤气化反应的最佳运行参数。c厂门E1分级 气流床结构及煤粉特性A-A截面1.1 分级气流床结构及炉内煤粉气化过程简述分级气流床气化炉采用立式结构，如图1所示。体内径480 mm,上部气化室高875 mm,下端收缩部分高125mm,下口直径160mm,该气化炉共布置的C-C截面、E-E截面3层喷嘴，分别位于A-A，C-C和E E截面上,每层:图1分级气流床结构示意图包括2个对置布置的径向煤粉喷嘴和2个平行于煤粉喷嘴且等距离偏置的错位切向气化剂喷嘴，为保证炉Fig,1 Structure profile of staged entrained-flow gasifier膛内流场分布均匀，中层喷嘴、下层喷嘴 与上层喷嘴成错向90°布置。此布置方式将煤粉和气化剂喷嘴置表1煤的工业分析与元素分析(质量分数)于炉体上部同一高度水平面上，煤粉由一定速度的载lable 1 Coal industrial and elemental analysis %工业分析气经2个径向喷嘴送入炉内，而气化剂则从2个切向喷嘴高速喷入炉内。喷入炉内的2股气化剂形成高速FCarVaAarMar旋转气流，冲散煤粉，并携带卷吸与其发生气化反应，51.5913.3933.651.37其在进料水平截面分成的3个作用区，包括旋转卷吸元素分析区1、气化反应区2和对撞区3,如图1中A-A截面.aHarNuSar所示。气化剂从B点高速切向喷入炉内，迅速卷吸气53.4202.8186.1520.9001.691化反应2产生的高温反应气体，经过旋转卷吸区1后注:低位发热量为20 935.7 kJ/kg。气化剂中的氧浓度降低,在到达C点时形成了局部低氧气氛，同时由于其混合了高温的反应气体和高温炉2试验研究壁的热辐射作用，其温度急剧上升到煤粉着火点以上:在C点，煤粉径向喷入高速旋转的气化剂气流中，在气化剂射流的驱动下呈散射状向下游迅速扩散，并与2.1干煤粉实验 系统高温低氧的气化剂物流充分接触，迅速升温，温度升干煤粉实验系统如图2所示。采用液化石油气预高导致在煤粉颗粒表面逸出大量的挥发分，该挥发分热及启动煤粉燃烧，螺旋输粉机输送煤粉，热电偶测一旦与旋转气流中的高温氧气分子接触，立即发生气量炉内的温度，气化剂采用空气，并用总管涡街流量化反应，生成Co, CO2 和焦炭等，并放出大量反应计测量其总流量，各分气化管配备一个玻璃转子流量热，从而在其下游形成气化反应区2;从D点和A点计，用于调节各分气管的流量。高温合成气和灰渣采喷入的气化剂和煤粉又重复以上过程:两股中心对置的用自来水激冷。煤粉气流采用撞击式喷入，在进料平面的中心形成撞击2.2 试验过程区域，这种方式旨在加强混合，强化热质传递0-1。(1)打开冷却水阀门，喷水至冷渣槽内液面封住1.2 煤粉特性排渣口，启动引风机和鼓风机，打开气化剂总管道阀实验所需的煤粉采用空气输送，为了保证气化所门]， 调节各气化剂分管道阀门开度，然后将液化石油需的温度,给煤量30 kg/h,煤种灰渣流动温度t> 1 410气燃烧器点火后插入直径比燃烧喷嘴稍大的圆形燃烧C，使用的煤种其工业分析和元素分析见表1。在煤器插孔中，对炉膛进行升温预热，调节排烟管道阀门粉颗粒粒径分布上，90%左右的煤粉颗粒直径介于开度，以保证炉膛内的升温速率，当炉膛内靠近炉壁第12期曹小玲，等:干煤粉分级气流床的气化特性492533日182二]合成气(116煤粉气粉混合物空气立1s液化呻814石油气813i冷渣槽瑟冷却水↓灰渣1-电机: 2-煤粉仓: 3- -螺旋输粉机: 4- 载气管道阀门; 5一气粉混合物涡街流量计: 6- 鼓风机:7--气化剂管道阀门: 8一气化剂总管涡街流量计: 9- 气化剂分管玻璃转子流量计: 10- -气化炉:11-热电偶测温孔: 12- 液化气罐: 13- 阀门: 14-减压阀: 15- 液化气涡街流量计: 16 -合成气管道阀门;17-引风机; 18- 热线风速仪: 19- 取样袋: 20-25- 气化剂分管道: 26~31- 输粉分管道:32- -冷却水阀门: 33- 数据采集及处理系统平台图2测量系统示意图Fig.2 Schematic diagram of measurement system处温度达到1 000 C时，预热完成:应流动过程，包括了炉内流体的流动过程、传热和传(2)打开载气总管道阀门，启动螺旋给粉机，调质过程、组分间的化学反应过程以及它们之间的相互节各输粉分管道阀门开度和螺旋给粉机电机频率，使耦合作用。由于煤粉气化过程可以看作是煤粉贫氧燃空气以一定的速度将煤粉送入炉内:同时调节到各气烧反应过程，所以气化过程也可以分为湍流流动过程、化剂阀门的开度来调节气化剂流量，此时炉内煤粉完颗粒运动过程、辐射传热过程、挥发分的析出与氧气全燃烧，炉内温度迅速升高:反应过程、焦炭与氧气异相反应过程等。气化炉炉内(3)当炉温升高到预定温度后，调节指定工况下流体处于充分发展的湍流状态，属于典型的湍流受限相应的给粉管道阀门和气化剂管道阀门开度，待工况.射流过程，使用Realizable k-e模型模拟满流气相流稳定后，开始实验，调整插入各层测温孔内热电偶的动2;采用拉格朗日离散相模型模拟炉内复杂的气固深度，使得数据采集系统自动采集各测点的温度值，两相流运动，采用随机轨道模型来跟踪煤粉颗粒的运通过取样袋收集合成气,使用1903型奧氏气体分析仪动轨迹并同时考虑湍流脉动对焦炭运动的影响，采用分析气体成分，并使用热线风速仪测定合成气管道中Rosin-rammler 分布来描述固相颗粒分布特征;采用较气体流速;为简单的PI模型计算炉内辐射传热:采用非预混模(4)实验结束，首先停止给煤，待炉膛温度降到型中的平衡混合分数/PDF模型模拟气相湍流燃烧"3,200 C以下后关停鼓风机，然后关闭引风机，最后关简化PDF模型采用β函数分布:采用两步竞争反应速冷却水阀门，完成停炉操作。率模型模拟煤粉挥发分的析出，采用动力/扩散控制反应速率模型模拟焦炭颗粒表面燃烧4-15]。3.2网格划分、 边界条件及计算方法3数值模拟研究在炉体上半部分，由于结构较复杂，故采用非结构化适用性四面体网格对其进行网格划分并对喷嘴部3.1数学模型分进行加密:下半部分， 采用以结构网格为主的六面煤粉气化反应过程是-一个具有化学反应的湍流反体网格，采用约40万网格数对炉体进行网格划分。入4926中南大学学报(自然科学版)第43卷口边界选用质量流量入口，并指定湍流强度和水力直温度相对偏低，造成气化反应速率相对缓慢，使得气径;出口边界选择自由出口流;采用无滑移壁面，固化反应进行得不够彻底，并导致合成气中Co, H2和定外壁温度，计算收敛后根据炉内温度对其进行修正。CO2的体积分数均较低，而N2的体积分数较高，碳转为了防止伪扩散，采用QUICK格式对方程进行化率较低，合成气热较低;但随着氧碳摩尔比逐渐增离散，并采用SIMPLEC算法进行求解。迭代计算中，大，气化炉炉内氧化气氛增强，碳的燃烧反应放出热压力、动量松弛因子取0.3,离散颗粒源相松弛因子取量所占的比例增加，气化温度升高，而气化温度的升0.5，其余松弛因子取0.8和0.9,每迭代30步后控制高进一步加速了CO2的还原反应，使合成气中Co,方程进行- -次颗粒轨道计算以修正计算结果，每次离H2和CO2的体积分数相应上升，而N2体积分数降低，散相计算追踪1 800 条颗粒轨迹。计算收敛判据是控碳转化率提高，合成气热提高，但随着氧碳摩尔比的制方程残差控制(能量方程和P1辐射模型迭代计算的继续增大，CO和H2体积分数则呈缓慢下降趋势，这余量小于1X10*， 其余方程迭代计算的余量小于是因为氧气过量，炉内还原气氛减弱，过量的氧气与1X103)。合成气中的CO和H2发生氧化燃烧反应，使合成气中CO及H2的体积分数降低，合成气热下降，而CO2体积分数和碳转化率却继续上升，由表2可以看出最佳4结果分析氧碳摩尔比为1.0~1.1。从单层喷嘴进料工况到3层喷嘴进料工况，相同4.1不同进料方 式及氧碳摩尔比时气化炉运行特性氧碳摩尔比时，CO和H2的体积分数也逐渐升高，这不同进料方式及氧碳摩尔比时，干煤粉在此气化是因为从单层双喷嘴增加到3层六喷嘴时，炉内旋流炉上的气化特性试验测得结果和模拟计算结果如表2强度增大，温度分布越来越均匀,温度梯度逐渐减小，所示。从表2可以看出:随着氧碳摩尔比的升高，同整体温度水平升高，气化效率增加。种进料工况下合成气中CO和H2体积分数、合成气热从试验结果与对应工况下的模拟计算结果对比可均呈现先上升后降低的趋势，而CO2体积分数和碳转以看出:出口处的CO和H2的实测值要稍低于模拟计化率稳步上升。这是因为当氧碳摩尔比较小时，炉内算值，CO2 则基本相同，这是因为试验过程炉壁有散表2不同进料方式及氧碳摩尔比时气化炉的运行特性Table 2 Operational characteristics of gasifer in dferent mole ratios of 0 to C and feeding conditions试验结果模拟结果进料氧碳合成气成分碳转化率/煤气热/碳转化率/煤气热/方式摩尔比 Q(CO) q(H2)V q(CO2)o(CO)/ q(H2)/ q(CO2)V%(kJ-m~3)(kJ-m3)0.818.6.9.772.92 59192.6.973.42 734单层0.919.52.58.283.62 78521.78.884.13114喷嘴1.023.39.088.6341925.25.10.388.93838进料1.191.2333I24.84.410.91.33 698221.53.212.793.9291323.73.12.594.23 49519.82.26.378.121.06.578.73 0002层.20.4.084.02 96322.58.33292喷嘴.22.85.190.33 53424.30.190.83814.192.7362225.95.210.592.93 939.222.612.494.93 25424.14.11.936120.55.982.0291221.92.8.382.83 1273层0921.387.93 1794.7.588.3 54724.75.67.792.83 83925.66.8.641183 74926.710.795.14 2024.512.095.73 63425.15..11.695.3 851第12期曹小玲，等:干煤粉分级气流床的气化特性4927速度/(ms):速度/(m's-1);(a)(b)1.28X1011.22X 10!1.15x1011.15X10!1.09Xx 1011.09x 10!1.03X 1011.03X10!9.61X1008.97X 1008.97x1008.33x 1008.33X107.69x 1007.69X 1007.05X 1006.41X1005.77X 1005.13X 1004.49x 1004.49X 1093.85X 1003.85X 10"320X 103.20X 10"420X 1006.41X10-1z一-X6.41x10-1z- +X速度/(ms5):速度(m's1):1.28x 10!(c1.28X 10!()1.22X 101.22X 1011.15X101.15X 10!.1.09X 10!1.09x 1011.03X 101.03X101 .9.61X 108.97x 108.97x100 .8.33X1006.41X 10-1(a)竖直截面: (b)A -A截面; (c)C-C 截面; (d)E-E 截面图3炉内速度分布云 图Fig.3 Velocity distribution in gasifier热作用。但总的来看，模拟计算值与试验测量值基本小，炉膛中心区域的切向速度则逐渐增大，速度梯度吻合。也逐渐减小。在炉膛轴向方向上，靠近炉壁附近气流4.2 典型工况下各参数的分布特性速度从上至下逐渐减小，其中进料水平面上速度最大，根据以上结果，取典型工况为3层喷嘴进料，氧而炉膛中心区域附近气流速度从上至下逐渐变大，在碳原子比为1.1,煤粉由空气携带煤粉进入炉内，每1.合成气出口时轴向速度达到最大。kg空气携带1 kg煤粉，3层进料方式完全相同，3级4.2.2气化炉 内温度场分布特性供料质量比为1:1:1.气化炉的温度场分布均匀程度是实现具有无焰氧4.2.1气化炉 流场的分布特性化技术煤粉空间气化的关键，如果温度过低会导致碳气化炉炉内的流动状态是气化反应优劣的关键因转化率过低，气化效率不高，而局部温度过高会影响素。图3所示为炉内截面的速度分布云图。由图3可气化炉的使用寿命，影响气化炉的安全运行。以看出:炉内存在强烈旋转流动气流，在炉膛径向方图4所示为炉内截面温度分布云图。由图4可以向上，越往炉膛中心区域靠近，切向速度越小，在炉看出:在进料平面上，气化剂喷嘴由切向高速喷入，膛中心切向速度达到最小，其中，进料水平面上速度在喷入空间附近强烈卷吸上游的煤粉，煤粉颗粒迅速梯度最大，但随着物料的下行，气流旋转有所速度减被烟气加热，挥发分快速析出并燃烧，从而引起强烈4928中南大学学报(自然科学版)第43卷温度/K:a)2.10X 103(b)2.01X 102.01X 1031.92X 1031 92X 101.83X 1031. 83X 101.74X 1031.65X 103.1.65X 1031.56X 103I .56X 101.47X 1031.38X 103.1.38X 1031.29X 1031.20X 1031.11X 1031.02X 1031.02X 109.29X 1028.39X 1027.49X 1027 49x 1026.60X1026.60X 1025.70X102 .5.70X 1024.80X1024.80X 1023.90X 103.90X102 z- →x3.00X102 z-→X3.00X 1022.10X 10c)2.10x1011 92X 1031 ,83X 1031 83Xx 103I 74X 1031.65X10，1.56X 1031.38X 10l.02X 103.29X 105.70x 1024.80x102 z-→x4.80x102 z←x3.90X1023.90X 102(日)竖直面: (b)A A截面: (c)C-C 截面: (d)E-E 截面图4炉内温度分布云图Fig.4 Temperature ditribution in gasifier的旋流氧化反应，使该区域的温度较高，在2 000 K度水平增加，气化强度增强，碳转化率提高，能够实左右:同时，由于携带煤粉的空气量较少，在未达到现干煤粉气化反应的空间化，到达气化炉设计的初始炉膛中心区域前已耗尽，而沿切向喷嘴喷入的空气也目的。来不及旋至炉膛中心周围空间，使该区域氧气浓度较4.2.3气化炉内组分浓度 场分布特性低，氧化反应较弱，还原反应较强烈，由于还原反应气化炉炉内竖直截面及出口处各组分浓度分布直吸热，导致该区域温度较低，在1 300 K左右，如图接关系到气化炉结构和气化工况的优劣。本气化炉在4(b)-(d)所示。在炉膛轴向方向上，可以看出，炉内温气化工艺参数氧碳摩尔比为1.1 情况下，炉内竖直截度场非常均匀，除了炉壁周围局部空间外在2000 K面上组分CO,CO2和H2和O2的体积分数分布如图左右，其余区域的温度基本维持在1300 K左右，说5所示，炉膛出口截面处的CO和H2摩尔分数分别明该炉型结构能使煤粉气化过程空间化，同时，炉内达到0.267和0.065,合成气中有效气体组分摩尔分数温度梯度减小，温度峰值明显减小，大大减少了高温达到0.332，与试验数据基本吻合。喷射火焰和局部超高温区域的出现，提高了气化炉的从图5可以看出:在煤粉进料口壁面附近，由于使用寿命:另外，物料分布趋于空间化，炉内平均温从切向气化剂喷嘴喷来的空气温度较低且来不及与煤第12期曹小玲，等:干煤粉分级气流床的气化特性4929口(CO)%:0(CO2)%:3.29X 10-1(a)1.80x1013.13X 10~11.71X1012.96X 10-11.62X 1012.80X 10~!2.63X 10-11.44X10~12.47X 10~12.14X 10-11.98X10-1.81X 10-18.08X 10-27.18X 10-21.15 》6.28X 10-29.88)5.39X 10~28.23X 10-24.49X 10~26.58X10-23.59X102 z4.94x102个2.69X 1021.80Xx102 yL1.65X10-2一28.98X 10-2o(H2)%:0(O2)/%:(C)d)9.44X 10~-2.00x 10-18 50X 10-21.89X 10~!8.03X 10-21.79X 10~!7.55X 10-2.1 .68X 10-17.08X102158x10-16.61X 10-11.47X 10 !6.14X 10~21.37X 1011.26X 1015.19X 10-21.16X10-11.05X10~↑4.72x 109.45X 10-23.78X 10-28.40X10-23.31x 10-2.7-35X 102.83X 10-22X 102.36X1021.898 10044x944X10-r以 -21.05X102 r- -X(a)CO: (6b)CO2: (c)H2; (d)O2图5炉内各组分体积分数分布云图Fig.5 Ditribution of species volume faction in gasifer粉混合，此处没有发生燃烧反应，所以O2体积分数较高，随后，烟气卷吸空气使其温度迅速上升，煤粉挥5结论发分析出并燃烧，CO2 体积分数迅速提升，而此区域由于O2过量，co和H2体积分数较低:在炉膛中心(1)同种进料工况下，随着氧碳摩尔比的增加，.附近的大部分空间，由于O2体积分数相对于较低，属合成气中co和H2体积分数、合成气热均呈现先上升于还原反应区域，残炭与CO2反应生成CO, CO再与后降低的趋势，而CO2体积分数和碳转化率稳步上升。水蒸气反应生成H2及CO2,此区域各组分体积分数与(2)当氧碳摩尔比相同时，从单层喷嘴进料工况前者相反，CO2体积分数较低，CO和H2体积分数较到三层喷嘴进料工况，CO及H2的体积分数、合成气高:下炉膛炉壁周围空间是焦炭的燃烧反应区域，脱热及碳转化率均呈现升高的趋势。去挥发分的残炭颗粒，- -方面与残余的氧反应生成CO(3)该气化炉三层进料方式能够使炉内温度场更及CO2，另一方面残余O2又与CO和H2反应，放出均匀，温度峰值减小，炉内温度梯度显著降低，平均大量的热量，导致此区域温度较高，Co和H2体积分温度水平上升，气化强度增强，从而实现了基于无焰数有所下降，CO2体积分数则有所上升。氧化技术煤气化反应的基本特征，大大避免了高温火4930中南大学学报(自然科学版)第43卷焰和局部超高温区的出现,延长了气化炉的使用寿命。TANG Zhiguo, TANG Chao-jun, MA Pei-yong, et al. 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