气化炉辐射废锅上部空间熔渣的流动特征

第41卷第10期化学工程Vol.41 No. 102013年10月CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Oct.2013气化炉辐射废锅上部空间熔渣的流动特征王剑，梁钦锋,沈中杰，许建良，刘海峰(华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室上海煤 气化工程技术研究中心，上海200237)摘要:国内气化炉在长周期运行中曾数次出现大块熔渣堵塞渣池出口的现象,严重制约了工业化装置的经济、安全、稳定运行。为了探讨大渣块形成的原因,文中搭建了气化炉及下部辐射废锅冷模装置,以糖浆作为介质模拟熔渣,对熔渣离开气化炉渣口后，在辐射废锅上部空间的流动特征进行了实验研究,考察了模拟介质黏度和渣口气速对熔渣流动特征的影响。研究发现:熔渣离开渣口落人废锅并非自由沉降过程,而是在人口处气流射流作用下发生破裂，由液膜形成液丝。当渣口气速较高时,部分熔渣在回流区气流卷吸作用下开始沉积到废锅壁面。熔渣在废锅壁面上的沉积率随着渣口气速的增大而增大,随着模拟介质黏度的增大而减小。而熔渣沉积区域离渣口的距离随着渣口气速的增大而减小，随着模拟介质黏度的增大而增大。关键词:气化炉;辐射废锅;熔渣流动中图分类号:TQ 545文献标识码:A文章编号:1005-9954(2013) 10-0058-05DOI:10. 3969/j. issn. 1005-9954. 2013. 10. 014Characteristic of slag flow in upper space of gasificationradiant syngas coolerWANG Jian, LIANG Qin-feng, SHEN Zhong-jie , XU Jian-liang, LIU Hai-feng( Key Laboratory of Coal Gasifcation and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education,Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East ChinaUniversity of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)Abstract:In China, there are often big slag blockage at the slag tap hole region of entrained-low gasifier duringlong time operation, which is an important threat to the economic, safe and stable operation of industrializationdevice. In order to explore the reason of slag blockage at the slag tap hole region of gasifier, a cold-model ofgasifier and radiant syngas cooler was set up to observe the flow characteristics of slag in the upper space of radiantsyngas cooler ( RSC) with syrup as the medium. The effects of medium viscosity and air velocity on the :characteristics of slag flow were investigated. The results indicate that the slag is broken up to slender liquidfilaments by the inlet jet flow rather than flows into a water quenching system vertically under the force of gravity.When the air velocity is relatively high, a part of the filaments begin to deposit on the wall of RSC by the .recirculating gas flow. The increase of air velocity enhances the deposition rate， while the increase of mediumviscosity decreases the deposition rate. The distance between the deposition area of slag and slag tap hole decreaseswith the increasing of air velocity, and increases with the increasing of medium viscosity.Key words : gasifier; radiant syngas cooler; slag flow气流床气化炉碳转化率高、负荷大、煤种适应性表明 ,在长周期运行中曾数次出现大渣块堵塞渣池出广,是目前煤气化技术发展的主流"。辐射废锅作为口,甚至形成灰渣堆积到气化炉内的现象,严重制约一种高温高压合成气的余热回收设备,通常直接安装了工业化装置的经济、安全、稳定运行2。因此研究在气化炉底部。近年来国内工业气化炉的运行结果熔渣在辐射废锅壁面上的沉积规律具有重要意义。收稿日期:2012-12-17基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(973)(2010C22700S);国家高技术研究中国煤化工:国家自然科学基金资助项目(21106046);教育部新世纪优秀人才支持计划项目( NCET-08-077作者简介:王剑( 1983-),男,博士研究生,研究方向为气化炉渣口熔渣流动,电话:1MYHCN M H Gy 163. com;刘海峰，教授,通信联系人,电话:(021 )64251418 E-mail:hliu@ ecust. edu. cn。王剑等气化炉辐射废锅 上部空间熔渣的流动特征●59●国内外- -些学者对气化炉壁上熔渣的沉积进行35p了实验及数值模拟研究[141。Segianil0) 提出了渣层生成模型,通过求解质量和能量守恒方程组,得到了渣层厚度以及温度分布特性,并对变工况条件下渣层厚度变化趋势进行了分析预测。Ni 等[0]利用商用CFD软件,建立了气流床气化炉内熔渣贴壁流动和相变模型,该模型深入分析了近壁面低温高黏塑68101214161820222426性流体的流动,考虑了温度对导热系数以及表面张圈2糖浆的黏度温度曲线力对熔渣流动特性的影响。Liu 等"、Sun 等[2]、Fig.2 Vscoity-temperature curve of syupYang等”分别对Texaco气化炉Shell 气化炉和新型清华妒壁面渣层的流动和传热进行了研究。袁宏实验装置流程如图3所示,主要由4部分组成:宇等I*.以石蜡作为模拟介质,研究了熔渣在气化炉--是供气系统，主要由鼓风机、流量计组成:二是供壁面上的流动沉积规律。程相宣等^5)在实验室小糖浆系统,主要由压力罐、氮气钢瓶、分配罐、溢流槽型水冷壁气流床气化炉上,采用高温内窥镜研究了组成;三是由气化炉、辐射废锅及二者接口组成的系熔渣的沉积和流动过程。统;四是实验测量系统,主要由摄像机、电子秤组成。由于辐射废锅内部结构复杂,工作条件苛刻,相气化炉按几何相似原则等比例缩小,实验采用的冷关热模实验研究难以展开。本文采用冷模研究方模气化炉体和辐射废锅由有机玻璃制成,气化炉炉法,用糖浆模拟液态熔渣流动,开展了熔渣离开渣口膛直径和高度分别为0.4 m和0.43 m,拱顶高度进入辐射废锅上部空间的流动特征实验,探讨气化0.15 m,气化炉顶部人口直径为0. I m, 接口段和辐炉渣池内形成大渣块的原因及影响因素。射废锅的高度分别是0.14m和1 m。木1实验系统实验采用糖浆来模拟液态熔渣流动,液态熔渣与糖浆的物性参数见表1。由表1可知,糖浆的黏溢流想度范围与液态熔渣相当,只是密度稍小。图1和图2分别为液态熔渣和糖浆的黏度η随温度θ的变79接一上济口化图。对比2图可知,随着温度的变化,糖浆黏度的品分段1C招像机流敏计变化与液态熔渣也相似。压力罐鼓风机表1液态熔渣 和糖浆的物性参数Table 1 Physical propeties of liquid slag and syrup回收桶样品黏度/(Pa.s)_ 密度/(kg.m2)液态熔渣5-252 535电子梓糖浆.4.41- -29.621330.图3实验流程Fig.3 Flow chart of expeimental processs5「0来自鼓风机的空气经气化炉顶部进入气化炉,输送罐中的糖浆在压力罐内气体压力的作用下,经分配罐沿6个管道均匀流进溢流槽后,沿着气化炉内壁均匀地向下流出渣口。实验开始前,用电子秤=...标定渣口糖浆的流量;实验开始后,用流量计控制空气流量,摄像机捕捉糖浆流动形态。当沉积在辐射9320 1360 1400 1440 1480 1520废锅上的糖中国煤化工,实验即终止。團1液态熔渣 的黏度温度曲线在100%负荷YHCNMHGuo为10m/s,Fig. | Viscosity-ternperature curve of liquid slag糖浆流量为0. 22 kg/min。化学工程2013 年第41卷第10期2结果与讨论2.2.1模拟介质黏度对渣口熔渣流动形态的影响2.1气相流场煤在气化过程中生成的大部分灰烬在高温下变辐射废锅内气体的流动可视为典型的受限容器为液态渣并在重力作用下沿气化炉壁流到炉底,以中渣口直径为d的圆形射流过程16-17]。在本文实.液态形式排出炉外。为使气化炉能顺利排渣,通常验中,渣口直径d为70 mm,辐射废锅直径D为184其液态渣的黏度在5- -25 Pa.s。由此,设计了改变mm。因此,在辐射废锅顶部会存在一高速射流区,模拟介质黏度的实验,研究黏度对熔渣流动形态的射流周边存在明显的回流区,随着射流逐渐衰减后，影响。 渣口气速uo为10 m/s时,模拟介质黏度η辐射废锅下半段的流场结构更加简单,趋向于管流改变时的实验结果见图6。流动,流场示意见图4。(a)n =29.62Pa.s(b)n =20.58Pa.s(cin=14.96Pa.s(d)n=10.28Pa.s↓↓I -射流区;II回流区;Ml -管流区34 辐射废锅内气体流动过程示意圄Fig.4 Diagram of gas flow process in Radiant Syngas Cooler圉6黏度对熔渣流动行为的影响Fig.6 Inluence of viscosity on flow behavior of slag2.2熔渣离开渣口的流动形态图5(a)为辐射废锅内没有气体流动时,模拟介由图6可知,随着模拟介质黏度的改变,其形成质离开渣口的流动图,可见其在接口段沿壁面作层的液丝数目会发生变化。表2为不同实验工况下的流流动,当到达接口段出口时,熔渣形成环形收缩液液丝个数统计数据。从表2可以看出,渣口气速一膜,并自由沉降落人废锅;但是当辐射废锅内有气体定时,随着模拟介质黏度的增大,黏性力会抑制和阻流动时,接口段表面出现了明显的波纹,而环形液膜碍气流扰动波的增长,因此由液膜形成液丝的数量受废锅人口高速气体射流作用而破裂,由液膜形成降低;模拟介质黏度-定时,随着渣口气速的增大,液丝,液丝因回流区气体的卷吸作用均匀地粘附到废锅人口处气流的射流作用增强,液膜破裂形成的废锅壁面上,具体见图5(b)。液丝数量增加。表2液丝个数Table 2 Number of liquid ligamentsuo/(m.s"')η/(Pa.s)-10202:3029.621- -22-32-320. 5814.964.416-76-8中国煤化工(a)(b)圉5熔渣流动形态典型圄2.2.2渣[YHCNMHG影响Fig.5 Typical images of slag flow patterm实际生产中,当渣口发生堵渣时,该处气速可高●62化学工程2013 年第41卷第10期100r[4] HSH, WU Y x, WHITTY K J. Ash deposition beha-vior during char-slag transition under simulated gasifica-80tion conditions[J]. Energy & Fuels, 2010, 24 (3):o1868-1876.E。40η/(Pa.s) .[5] NARUSE I, KAMIHASHIRA D, MIYAUCHI Y, et al.量29.62◆20.58Fundamental ash deposition characteristics in pulverized0coal reaction under high temperature conditions { J].+4.41Fuel, 2005, 84(4): 405- 410.0 1s20 25 30[6LIXY,uGY,CAOZD,etal.Researchonflowu/(m's'characteristics of slag flm in a slag tapping gasifier[J]. .图10不同黏度 下气速对沉积率的影响Energy & Fuels, 2010, 24(9): 5109-5115.Fig. 10 Effect of gas velocity diference on deposition[7] 韩志明，李政,倪维斗. Shell气化炉的动态建模和仿rate at different values of viscosity真[J].清华大学学报:自然科学版, 1999, 39(3):2.4渣池 出口堵塞机理分析11-114.上述实验研究表明,当渣口气速较高时,由于辐[8] 周俊虎,匡建平,周志军,等.粉煤气化炉喷嘴受热射废锅人口气体的射流和回流区气流的卷吸作用，分析和渣层模型的数值模拟[J].中国电机工程学报,2007, 27(26): 23-29.熔渣离开渣口落人废锅过程中会部分沉积到废锅壁[9] SEGCIANI M. Modelling and simulation of time varying面上。实际工业生产中,不断沉积在废锅壁面上的slag flow in a Prenlo entrained -low gasifier[J]. Fuel,熔渣因水冷壁的冷却吸热而凝固增厚。当渣层生长1998, 77(4): 1611-1621.到--定厚度时,可能因重力大于渣与壁面间的黏合[10] NIJJ, ZHOUZJ, YU Gs, et al. Molten slag flow and力而整块掉落,堵塞渣池出口。因此,熔渣在水冷壁phase transformation behaviors in a slagging entrained-面的沉积生长涉及到复杂的热质传递和相变过程,flow coal gasifer[J]. Industry & Engineering Chemistry本文的冷模实验方法已不再适合探讨这一问题，今Research, 2010, 49(23): 12302-12310.后可采用其他方法进- -步研究。[11] LIU Sheng, HAO Yingli. Numerical study on slag flow inan entrained-low gasifer{ C} // ASME International Me-3结论chanical Engineering Congress and Expositional. NewYork: AMER Soc Mechanical Engineers, 2008: 793-(1)熔渣离开渣口并非自由沉降过程。渣口气800.速较低时,熔渣不会沉积在辐射废锅壁面上;但是当[12] sUN B, LIU Y w, CHEN X, et al. Dynamic modeling渣口气速较高时,因废锅人口气体的射流和回流区and simulation of shell gasifer in ICCC[J]. Fuel Pro-气流的卷吸作用,部分熔渣将会沉积在废锅壁面上。cessing Technology, 2011, 92(8): 1418-1425.(2)随着模拟介质黏度的降低、渣口气速的增[13] YANGZ w, WANGz, WUY x, et al. Dynamic model大,熔渣的液丝数量增加,熔渣在废锅壁面上的沉积for an oxygen-staged slagging entrained flow gasifer[J].率增大,同时熔渣沉积区域向渣口靠近。Energy & Fuels, 2011, 25(8) : 3646-3656.[14]袁宏宇， 瞿海根，任海平，等.气流床气化炉熔渣沉参考文献:积模拟实验研究[J].华东理工大学学报:自然科学[1] 王辅臣，于广锁，龚欣，等.大型煤气化技术的研究版, 2005, 31(3): 393-397.与发展[J].化工进展, 2009, 28(2) :173-180.[15] 程相宣,侯国君，梁钦锋，等.水冷壁气化炉熔渣流2] 李继炳,汤永新,芦涛,等.皖北刘二煤在Shell气流动的实验研究[J].化学工程, 2012, 40(3): 58-62.床气化过程中熔渣形成机理初探[J].化工时刊,[16] 戴干策.化工流体力学[ M].北京:化学工业出版社，2009, 23(5): 4246.[3] U BZ, BRINK A, HUPA M. Simpified model for deler-[17]王辅臣，龚欣,代振华,等. Shell 粉煤气化炉的分析mining local heat fAlux boundary conditions for slagging与模拟[J].华东理工大学学报:自然科学版, 2003,wall[J]. Energy & Fuels, 2009, 23(7): 3418-3422.29(2) :202-205.中国煤化工HCNMHG