氣流床氣化爐內(nèi)熔渣流動、傳熱傳質(zhì)及相變行為的模擬研究.pdf

1、大規(guī)模氣流床煤氣化技術(shù)是當(dāng)前最有前景的煤炭清潔利用技術(shù)之一，液態(tài)排渣是影響氣流床煤氣化爐穩(wěn)定運行的主要因素之一。氣流床煤氣化爐在運行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因為排渣不暢，而需要采取降負(fù)荷、升高爐溫等方式來保證氣化爐的穩(wěn)定運行的情況。
　　 氣流床煤氣化爐內(nèi)大部分熔融灰渣顆粒沉積到爐膛壁面，在壁面上形成流動的渣層，并從氣化爐下部的排渣口流出。渣層在向下流動過程中與爐內(nèi)合成氣、顆粒以及壁面進(jìn)行復(fù)雜的熱質(zhì)交換、并在與壁面?zhèn)鳠徇^程中有可能冷卻凝

2、結(jié)。氣流床煤氣化爐運行在高溫高壓條件下，受到觀測手段的限制，難以直接對氣化爐內(nèi)的壁面沉積以及渣層流動、傳熱傳質(zhì)和相變等行為進(jìn)行實驗觀測，尚沒有掌握氣化爐壁面渣層行為規(guī)律。因而，對氣流床煤氣化爐壁面渣層行為進(jìn)行研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。本文系統(tǒng)全面綜述了氣流床煤氣化爐壁面渣層行為相關(guān)的研究，系統(tǒng)全面總結(jié)了我國各煤種在還原氣氛中形成的煤灰渣物性的研究成果，進(jìn)而以理論分析、數(shù)值模擬和模擬實驗為手段對氣流床煤氣化爐內(nèi)渣層行為進(jìn)行了深入的

3、研究。
　　 在我國煤種的灰渣中，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO這5種組分占灰渣質(zhì)量的90％左右，對灰渣物性起主要作用。SiO2是煤灰渣中含量最多的氧化物，SiO2含量和流動溫度(FT)之間沒有明確的對應(yīng)關(guān)系。通常Al2O3含量在煤灰渣中占第二位，Al2O3含量增加，F(xiàn)T顯著升高。絕大多數(shù)我國煤種的灰渣中，CaO3含量低于30％，CaO含量增加，F(xiàn)T降低。Fe2O3含量增加，F(xiàn)T降低。MgO對FT的影響與CaO

4、類似。將國內(nèi)常用的煤灰渣FT預(yù)測準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的計算值與測量值進(jìn)行比較后，推薦了適合國內(nèi)煤種灰渣的最佳的FT預(yù)測準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。對煤灰渣黏溫特性進(jìn)行了分析，將煤灰渣黏溫特性預(yù)測準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的計算值與測量值進(jìn)行了比較，并對玻璃體渣、塑性渣和結(jié)晶渣分別推薦了最佳的黏溫特性預(yù)測準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。對灰渣的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和輻射系數(shù)也給出了經(jīng)驗值或經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。
　　 氣流床煤氣化爐壁面渣層和合成氣是伴有熱質(zhì)傳遞、相變和自由界面的復(fù)雜多相流動。對各種

5、常用的自由界面追蹤方法進(jìn)行研究比較后，選擇VOF方法追蹤渣層與合成氣之間的自由界面。在對氣流床煤氣化爐內(nèi)渣層和合成氣之間的流動、傳熱傳質(zhì)和相變行為進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，本文首次提出了基于VOF方法的描述氣流床煤氣化爐內(nèi)渣層和合成氣流動、傳熱傳質(zhì)和相變行為的數(shù)理模型，并分別對實驗室規(guī)模的Texaco氣流床煤氣化爐和某工廠實際運行的Texaco氣流床煤氣化進(jìn)行了模擬研究。Texaco氣化爐內(nèi)渣層厚度由上至下逐漸增加，由于灰渣黏度大，渣層表面

6、幾乎沒有波動。但是在氣化爐下部的錐體段，由于流通面積減少，氣體流速增加，氣體擾動增強(qiáng)，在氣體的影響下，渣層表面出現(xiàn)輕微的波動。耐火磚導(dǎo)熱系數(shù)低，通過耐火磚的熱流通量小，渣層內(nèi)的溫度梯度小，渣層在向下流動過程中，渣層平均溫度逐漸升高。爐膛溫度升高時，渣層溫度升高，渣層黏度降低，渣層流速增加，在相同沉積量下，渣層厚度減薄。氣流床煤氣化爐內(nèi)存在貫穿整個氣化爐的大回流和局部小回流，回流對爐內(nèi)渣層流動影響較小，但對渣層換熱有重要影響。
　　

7、 雖然基于VOF方法的渣層模型的計算精度高，能夠?qū)υ鼘有袨檫M(jìn)行深入研究，但是其計算量大，計算耗時長，僅適合于基礎(chǔ)研究，不方便工程中使用。考慮到工程需要，本文又建立了單獨描述氣流床煤氣化爐內(nèi)渣層行為的數(shù)理模型，并發(fā)展了相應(yīng)的算法。模型中包括渣層表面顆粒沉積、渣層表面反應(yīng)以及渣層流動、傳熱傳質(zhì)和相變等過程，模型中首次考慮了渣層表面反應(yīng)對渣層行為的影響。模擬發(fā)現(xiàn)在采用對置噴嘴布置的兩段式干煤粉氣流床氣化爐和Shell氣流床煤氣化爐中渣層表面

8、反應(yīng)速率高，渣層表面反應(yīng)對渣層行為和氣化爐碳轉(zhuǎn)化率有重要影響。而在Texaco氣流床煤氣化爐中，由于渣層表面反應(yīng)速率低，渣層表面反應(yīng)中消耗的碳少，可以忽略渣層表面反應(yīng)的影響。模擬發(fā)現(xiàn)，在水冷壁結(jié)構(gòu)的氣流床煤氣化爐中，適當(dāng)降低氧煤比可以增加固態(tài)渣層厚度，更好的保護(hù)水冷壁，但氧煤比過低，會導(dǎo)致氣化爐碳轉(zhuǎn)化率降低，渣層含碳量明顯增加，甚至?xí)鹋旁粫?，影響氣化爐運行。因而，選擇合適的氧煤比對氣流床煤氣化爐的穩(wěn)定運行，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益有至關(guān)

9、重要的作用?；以靥匦允菦Q定氣流床煤氣化爐排渣效率的重要因素，對渣層行為有重要影響，最好選擇灰渣為“長渣”的煤種作為氣流床煤氣化的原料煤。
　　 搭建了氣流床煤氣化爐壁面沉積實驗系統(tǒng)，分別對采用兩通道噴嘴和三通道噴嘴的氣化爐壁面沉積規(guī)律進(jìn)行了研究。對于兩通道噴嘴，氣體流量增加，壁面沉積量增加；液體流量增加，壁面沉積量增加；噴嘴氣體流量和液體流量同時按相同比例增加，壁面沉積量增加。三通道噴嘴在噴嘴中心通道和外環(huán)通道氣體比例不變的

10、情況下，氣體流量增加，壁面沉積量增加；液體流量增加，壁面沉積量增加；噴嘴氣體流量和液體流量按相同比例同時增加，壁面沉積量增加。其他條件不變的情況下，中心通道氣體流量增加壁面沉積量減少，外環(huán)通道氣體流量增加壁面沉積量增加。氣化爐上部的壁面沉積量比下部的壁面沉積量要小得多，噴嘴工況改變時，氣化爐上部壁面沉積受到的影響要比下部壁面沉積受到的影響要小。
　　 搭建了模擬氣流床煤氣化爐壁面顆粒沉積和渣層流動、傳熱傳質(zhì)和相變行為的實驗系統(tǒng)，

11、以十二醇模擬爐內(nèi)熔融灰渣，對渣層表面沉積以及渣層的流動、傳熱傳質(zhì)和相變行為進(jìn)行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)：噴嘴十二醇流量增加，壁面沉積量增加，液膜溫度升高，固態(tài)層厚度減少；噴嘴氣體流量增加，液膜擾動加劇，液膜和氣體和水冷壁的換熱強(qiáng)化，液膜溫度降低，固態(tài)層厚度增加；儲罐中十二醇的溫度和水冷壁溫度降低，都會使液膜溫度降低，但是儲罐中十二醇的溫度對液膜的影響要遠(yuǎn)大于水冷壁溫度對液膜的影響。噴嘴工況改變時，液膜溫度變化規(guī)律比固態(tài)層厚度要復(fù)雜的多，其中在距