多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比

第32卷第5期煤炭学Vol.32 No. 52007年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay2007文章编号:0253 - 993(2007 )05 - 0526 -05多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比于海龙'，刘建忠，张超"，岑可法”(1.中原工学院能源与环境学院，河南郑州450007; 2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州310027)摘要:为了考察新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉的对比，应用数值模拟的方法，对该新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化进行了热态數值模拟研究。结果表明，新型水煤浆气化炉在炉内气化流场的组织和产出的有效气成分上均优于多喷嘴对置式水煤浆气化炉，在相同容量的气化炉内，新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式水煤浆气化炉对比，碳转化率高0.75%，水解率高近2.91%，干有效气成分高5.34%，冷煤气效率高7.09%，每产出1000 m'有效气(CO+ H2) 可节省氧气20m',节省煤36 kg.关键词:水煤浆;气化炉;气化;数值模拟中图分类号: TQ534.4文献标识码: AThe gasifying comparison between the multi-nozzle opposition gasifierand a new coal water slurry gasifierYU Hai-long' ，LIU Jian-zhong , ZHANG Chao' , CEN Ke-fa?(1. School of Energy & Enionment, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China; 2. State Key Laboratory of Clean Energy Unilization, Zhejiang Unirersity, Hanghou 310027, China)Abstract: In order to compare the new gasifier and the multi- nozzle opposition gasifier ，the numerical simulationmethod at hot state was applied to study the gasifying process both of the new gasifier and the multi- nozzle opposi-tion gasifier. The simulated results show that compared with the multi-nozzle gasifir, the gasifying low field andthe effective gases in the new gasifier is superior. In the gasifier of same capacity, the eficiency of carbon conver-sion of the new gasifier is more about 0. 75%，and percent hydrolysis is more about 2. 91% , while dry efective ga-ses components are more about 5. 34%，and cold gas eficiency is more about 7. 09%，compared with the multi-nozzle opposition gasifier. 20 m' oxygen and 36 kg coal can be saved while 1 000 m' effective gases are produced.Key words: coal water slurry (CWS) ; gasifier; gasification; numerical simulation为说明新型水煤浆气化炉的优越性所在，对额定工况下的多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉的气化过程进行了数值模拟计算，并将数值模拟计算结果进行了对比，从流场分布、温度分布、粗煤气组成、气化炉内平均温度、碳转化率、水解率、颗粒平均停留时间、单位产气氧耗等各个方面进行了详细的对比说明.数值模拟计算中多喷嘴对置式气化炉的运行工况为:气化炉容量600 kg/h,气化压力4 MPa,煤浆浓度62%，氧碳原子比0.98,单支喷嘴煤浆流量150 kg/h (共4支)，单支喷嘴氧气流量61.74 m'/h,气化炉内氧气总流量246. 96 m/h.数值模拟计算中新型水煤浆气化炉的运行工况为:气化炉容量600 kg/h,气化压力4 MPa,煤浆浓度62%，氧碳原子比0.959,炉顶喷嘴煤浆流量240 kg/h,炉收稿日期: 2006-07-28责任编辑:柳玉柏基金项目:国家重点基础研究发展计划基金资助项目(2004CB217701)作者简介:于海龙(1975-), 男，吉林镇赉人，博士，副教授. Tel: 0371 - 62506050, E - mail: suningbory@ sohu. com第5期于海龙等:多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比527侧单支喷嘴煤浆流量90 kg/h (炉侧共4支)，炉顶喷嘴氧气流量145 m'/h,炉侧单支喷嘴氧气流量24. 17 m'/h,气化炉内氧气总流量241. 68 m'/h.1数值模拟的控制1.1计算对象的描述本文进行数值模拟计算的物理模型分别为600 kg/h的新型水煤浆气化炉和600 kg/h的多喷嘴对置式水煤浆气化炉炉内三维空间.新型水煤浆气化炉内径为0.5m,净炉侧喷嘴入口炉炉顶喷嘴入口炉膛 炉侧喷嘴入口高1.5m,高径比为3 (图1).出口此模型对实际气化炉进行适当的简化处理，将炉膛两端对流场影响较小的圆角部分去掉，而护侧喷嘴入口位置炉侧喷嘴将气化炉视为一个圆柱状，这样:多喷嘴对置式气化炉新型水煤浆气化炉入口角度就简化了模型网格划分的麻烦和图1气化炉数值模拟计算的物理模型限制，而对实际数值模拟又不致Fig 1 Gasifier physical model of numerical simulation calculation产生较大的影响.物理模型决定以后，利用四面体和六面体对此模型进行了混合网格划分.1.2计算的数学模型根据前人的研究成果[1-4)，并总结其优缺点，数值模拟计算用的数学模型采用如下形式.(1)二维流动的控制方程 在数值模拟中，流动由质量、动量、能量守恒方程描述.连续性方程(质量守恒方程)的-般形式(51为+ d(pu) + (p) + d(puw)= 0.黏性流体的运动方程(动量守恒方”a3xadu;_ap.otu;。1.a (8u,)程)为N-S方程，其般形式为p本=pf.- a +Haxa, +藏就)0x模拟计算中湍流动能的控制采用K -ε黏性湍流流动模型[6)，其以张量表示的支配方程的-般形式为(pk) +0(pru) = Caxμe dK)+G -ρε,x(ρe) +(peu) =:(a,ua明)+C, EG. -C20号,式中，p为混合物的密度; u, 为i方向的速度分量; l 为时间间隔; G为由平均速度梯度引起的湍流动能;Ce, C2。为经验常数，由文献[6]给出，分别为模型常数C1e =1.42，C2e =1.68; uen为有效黏性.将以上方程加上边界定解条件,利用有限容积法可求得流场内流体运动的瞬时解，包括流体运动的速度分布、压力分布、湍流强度分布等.(2)辐射模型由于煤浆中存 在煤粉颗粒，其与气相间的对内、对外辐射不容忽视，综合考虑选用燃烧计算常用的P-1辐射模型17.8]，P-1 辐射模型是P- N模型的最简单情况，辐射流量为q. =- VC/[3(a +σ.) - Co,].(1)其中，C为人射辐射; a为吸收系数; σ, 为散射系数; C为线性各向异性相函数系数(详见后面阐述).如果引入参数I,则I=1/[3(a+σ,) -Co.],则式(1)可简化为q, =-rVG.(2)对于G的传输平衡方程可表示为V(IVG) -aG +4aoT*= Sc,(3)其中，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数; Sc 为用户定义的辐射源相，对于水煤浆气化过程的数值模拟，由于没528炭学报2007年第32卷(3)，得Vq, = aG - 4aoT*.(4)则式(4)可以直接带人能量方程来计算热辐射.(3)水分蒸发的处理通常在进行水煤浆滴水分蒸发计算时，可以应用Spalding的水滴蒸发理论来建立蒸发过程的数学模型(9].对于水煤浆气化过程，由于炉温较高，水分蒸发迅速，其水分蒸发时间占燃尽时间的比例很低，在1%的数量级[10]，因此，在对水煤浆气化过程进行数值模拟计算时，可以认为水分-进入气化炉就立刻蒸发完毕，但其蒸发所需汽化潜热应包括在整个计算过程中.(4)挥发分析出模型由H. Kobayashi 等人”1提出的用2个平行的、互相竞争的-级反应来描述挥发分的析出过程比较合适，即2个平行的反应同时将煤的一部分(ax, a2)热解成挥发分V和V2,另一部分则变成炭R和R.这个模型的特点认为存在着2个不同活化能: E和E,以及2个不同的频率因子K,和Kop的热解反应，且认为E>E，Ko2> Ko.根据文献[11],对于烟煤，当取E =74 kJ/mol, E2=250 kJ/mol, Ko1 =3.7x10'/s, Kq=1.46x10'/s, a;=0.38, a2 =0.8,则能取得比较好的结果.其析出挥发分的质量m, (1) 可由下式求得( 各量全部为分析基数据)m,(t) .(1 -f.o)mpo -m。; = [i(ak, +ak)exp[ - [(n +.)由]1d,(5)式中，m, (1)为1时刻已析出的挥发分质量; f.o 为水煤浆中水分和挥发分总的质量分数; m,o为喷射源的初始颗粒质量; m.为颗粒的含灰量;后，k后 为2个反应的反应速率,其中k =3.7x10'exp (-17 700/RT); hz=1.46x10"exp ( -59 800/RT); R为气体常数; T为反应温度.(5)焦炭燃烧模型 焦炭燃烧反应不仅在炭的表面进行，也可以在炭的内部孔隙中进行，高温时，受到氧气向颗粒内部扩散和燃烧产物向颗粒外部扩散的双重控制，此时扩散控制占主要地位，因此动力-扩散控制的燃烧反应模型更接近于实际情况12,13].焦炭燃烧后生成的气相物质-部分扩散到空间中，与其他气相物质发生均相反应，-部分向焦炭内部扩散，与焦炭发生还原反应.1.3边界条件和计算方法在数值计算中，氧化剂的人口边界条件选择速度人口，此时在进行氧化剂人口速度的计算时应注意压力和密度、体积的关系;在确切知道人口尺寸的情况下，应指定入口湍流强度和水利直径.出口边界条件可以选择压力出口边界条件，压力出口需要指定出口处的测量压力和返流温度等边界条件，在确切知道出口尺寸的情况下，应指定出口湍流强度和水利直径.壁面采用无滑移边界条件，热流密度为0.采用结构化网格，在计算过程中收敛条件规定各支配方程迭代计算的余量至少小于10~3，而对于能量方程和P-1辐射模型迭代计算的余量至少小于10-6.2数值模拟计算的结果2.1流场分布图2为多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉内的速度分布等高线和速度矢量.从图2多喷嘴对置式气化炉中可以看出，热态情况下多喷嘴对置式气化炉内流场分布与冷态流场数值模拟计算相似，互相对置的两对喷嘴射流在相互撞击后形成了向上和向下的两股撞击流股，向上的撞击流股直接冲向其化炉拱顶，与拱顶撞击后沿气化炉炉顶边壁折返，向下的撞击流股沿气化炉中心轴线向下推进，速度逐渐衰减，直至气化炉底部多喷嘴对置式化炉新 型水煤浆”化炉出口上方.向上的撞击流股对气化炉拱顶产生一定的冲刷作用，高温的气流对气化炉拱顶耐火砖的直接冲刷将图2 气化炉内的速度分布Fig.2 Velocity distribution in the gasifer第5期于海龙等:多喷嘴对置与新型水煤浆气化炉气化的对比529寿命产生- -定的影响，折返回流的高温气体对气化炉上部耐火砖也产生了- -定的冲蚀作用，因此也势必影响耐火砖的使用寿命,进而影响气化炉的安全运行，向下的撞击流股有可能部分直接冲向气化炉底部出口，增加了气化炉内反应物质“短路”现象发生的可能性.而这种情况在新型水煤浆气化炉中未曾发现，而且新型水煤浆气化炉在炉侧喷嘴射流下方形成了明显的折返流区，折返流区体积较大，这对炉侧喷嘴射流卷吸周围高温烟气起到了良好的作用，折返气流加入到撞击区内，增加了撞击区内的湍流混合效果，其携带的热量为撞击区内的着火燃烧提供了稳定的热源，使气化炉的着火更加稳定.因此从热态流场分布来看，新型水煤浆气化炉在保护炉内耐火砖、抑制“ 短路”现象、着火燃烧等方面均在- -定程度上优于多喷嘴对置式气化炉.2.2温度分布图3为多喷嘴对置式气化炉和新型水煤浆气化炉内的温度分布等高线和温度分布灰度.多喷嘴对置式气化炉炉内平均温度为1 644.5 K,而新型水煤浆气化炉内平均温度为1663.2 K,两者相比差别不大，但与GE气化炉相比增加了近100K,这可能对炉内耐火砖的性能要求有所增加，存在一-定不利因素.多喷嘴对置式气化多喷嘴对置式气化炉新型水煤浆气化炉炉内靠近喷嘴出口附近和两股撞击流股内的温度较高，图3气化炉内的温度分布气化炉拱顶和气化炉上部靠近边壁处温度也较气化炉内Fig3 Temperature distributing in the gasifer其他位置温度要高，管流区内温度分布不够均匀，回流区内温度较低，因此这对燃烧着火不利，高速喷嘴射流不能卷吸周围高温烟气，进而推迟了着火.而新型水煤浆气化炉管流区、折返流区和回流区内温度分布比较均匀且温度较高，这对燃烧和气化反应均有利.2.3数值模拟表1为GE、多喷嘴对置和新型水煤浆气化炉出口粗煤气组成、气化炉内平均温度、碳转化率、颗粒平均停留时间的数值模拟计算结果对比，其中水解率、干有效气成分、单位有效产气氧耗和煤耗、单位有效产气节氧量和煤量是对数值模拟计算结果分析得到的.表1 GE、 多喷嘴对置和新型水煤浆气化炉数值模拟计算结果对比Table 1 The comparison of numerical simulation for the GE, the multi-nozzlesopposition gasifer and a new coal water slurry gasifier气化炉型(气化压力为4.0 MPa)项目GE气化炉φ(CO)43.1346.84φ(H2)19.7421.7723. 43出口煤气组成/%φ(CO2)19.5915.5511.46o(H20)22.5419.5018.25φ(CH2)0.040.02φ(02)≈00.01炉内平均温度/K1572. 01644.51 663.2碳转化率/%95. 1097.1497.89颗粒平均停留时间/s6. 0456. 2516. 976水解率/%47.5354.6157.52干有效气组成/% :74. s580.6285. 96单位有效产气氧耗(每1 000 m'的CO+ H2的耗氧)/m’41038(360单位有效产气煤耗(每I 000 m2的CO+ H2的耗煤)/kg618514单位有效产气节省氧气量/%07.3212. 2011.0016 83530煤炭学报2007年第32卷由表1可以明显看出，多喷嘴对置式气化炉与GE气化炉相比存在较大的优越性，而新型水煤浆气化炉与多喷嘴对置式气化炉相比，在水解率、干有效气组成、单位有效产气氧耗和煤耗等方面也存在较大优势.因此通过数值模拟计算的结果表明，新型水煤浆气化炉与其他2种形式的水煤浆气化炉相比，其优越性非常明显.3结论(1)水煤浆气化过程可以很好地利用非预混燃烧方法进行数值模拟计算研究.(2)通过对GE气化炉、多喷嘴对置式水煤浆气化炉的数值模拟计算结果的对比表明，多喷嘴对置式气化炉较GE气化炉干有效气成分提高5. 07%，碳转化率提高2.04%，水解率提高7. 08%，单位有效产气氧耗节省约7.32%，单位有效产气煤耗节省约11. 00%.(3)新型水煤浆气化炉较多喷嘴对置式气化炉干有效气成分提高5. 34%，碳转化率提高0.75%，水解率提高2.91%，单位有效产气氧耗节省约5. 26%，单位有效产气煤耗节省约6. 55%.(4)从热态数值模拟计算结果来看，新型水煤浆气化炉的优势不言而喻，且新型水煤浆气化炉若采用笔者自行研制的新型水煤浆气化喷嘴'4*15,其成本将会大幅降低.参考文献:[1] 王辅臣，刘海峰，龚欣，等.水煤浆气化系统数学模拟[J]. 燃料化学学报, 2001, 29 (1): 33 ~38.[2]于海龙，赵翔，周志军，等氧煤比对水煤浆气化影响的数值模拟[J]. 煤炭学报, 2004, 29 (5): 606 -610.[3]于海龙，赵翔， 周志军,等煤浆浓度对水煤浆气化影响的数值模拟[J].动力工程，2005, 25(2): 217 ~220,238.[4] 于海龙，赵翔，周志军，等.氧碳原子比和水煤浆质量分数对水煤浆气化影响的数值模拟[J]. 燃料化学学报,2004, 32 (4): 370~374.[5]费祥麟.高等流体力学[M].西安: 西安交通大学出版社，1995.[ 6] Choudhury D. 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