（工程热物理专业论文）基于无焰氧化的干法煤粉气化特性研究.pdf

摘要 摘要 煤气化技术是解决未来能源、环境和能源安全战略的核心技术之一，而我国 煤炭的特点是高狄熔点煤的储量多，现有的气流床气化技术大都无法满足其高效 气化的要求，因此亟待研发适合高灰熔点煤的先进煤气化技术。由于气化炉是煤 气化技术中的最关键设备，因此，本文以高灰熔点煤的高效气化为背景，归纳分 析了各种先进干煤粉气流床气化炉的炉型结构，将无焰氧化技术应用于粉煤气 化，提出了一种基于无焰氧化的新型干法进料煤粉气化炉，进行了炉内冷态、煤 粉气化的热态试验和数值计算，分析了高灰熔点煤在该气化炉中的气化特性，并 以此为基础，对气化炉的结构进行了优化，提出了无焰氧化分级气化炉，对高灰 熔点煤在该气化炉中气化特性进行了数值计算与分析。 首先，对各种先进干煤粉气流床气化炉的炉型结构进行了总结与分类，逐一 分析了每种类型的炉型结构特点、流场特性、温度分布及优缺点；根据不同形态 燃料实现无焰氧化的技术特征和形成机理，归纳得出了实现无焰氧化技术的两条 途径。由此设计了一种新型干煤粉气流床气化炉，并论证高灰熔点煤在该气化炉 上实现高效气化和液态排渣的可行性进。 其次，使用热线风速仪测量了冷态条件下煤粉气化试验炉炉内速度分布，分 析单喷嘴切向进风、双喷嘴错位切向进风和四喷嘴分级错位切向进风三种不同空 气入炉方式和不同空气流量情况下的炉内气流流动特性，以冷态试验方法验证该 煤粉气化炉实现煤粉无焰氧化的可行性。 再次，搭建了套小型煤粉气化试验装置，完成了系统调试，进行了高灰熔 点煤干法进料气化试验，观察炉内气化反应的火焰图像特征；研究不同工况下的 炉内温度场分布情况和煤气化特性，寻求高灰熔点煤在基于无焰氧化煤粉气化炉 中气化的合适工况参数，为后续研究积累经验。 进而，建立煤粉气化炉的物理和数学模型，运用概率密度函数( p d f ) 方法 对高灰熔点煤在基于无焰氧化的煤粉气化炉内的气化过程进行了模拟计算，参照 小试的试验工况，验证了气化炉模型；分析了不同氧碳原子比、蒸汽煤比和气化 压力对高灰熔点煤气化特性的影响，并可视化地研究在典型工况下高灰熔点煤在 该气化炉中气化过程，为进一步炉型结构和气化工艺的优化设计提供依据。 最后，将分级气化思想应用于无焰氧化的煤粉气化炉，对基于无焰氧化的煤 粉气化炉进行了进一步改进，提出了一种基于无焰氧化的分级气化炉，对高灰熔 点干煤粉在该无焰氧化分级气化炉中的气化特性进行了数值计算，分析氧碳原子 比、蒸汽煤比和分级进料情况对气化结果的影响，这为后续的中试研究提供参考。 摘要 关键词：无焰氧化煤气化气化炉干法进料液态排渣试验研究数值 模拟 i i a b s t r a c t a b s t r a c t c o a lg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e ym e a n st oa c c o u n tf o re n e r g y s o u l t c e s ，e n v i r o n m e n ta n de n e r g ys a f e t yi nt h ef u t u r e h o w e v e r , t h e r ei sp l e n t yo fh i g h a s hm e l t i n gp o i n tc o a li nc h i n aw h i c hc o u l dn o tb eg a s i f i e di na l m o s ta l le n t r a i n e d f l o wb e dg a s i f i e rc u r r e n t l y , s oi t si m p e r a t i v et h a tan e wc o a lg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y s h o u l db eb u i l to u tu r g e n t l y i nc o a lg a s i f i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h eg a s i f i e ri st h ek e y e q u i p m e n tw h i c hd i r e c t l y a f f e c t s g a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r ef l a m e l e s s o x i d a n tt e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt ot h ed e s i g no fn e w g a s i f i e rf o rh i g ha s hm e l t i n gc o a l ， a n dg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h eg a s i f i e rw e r ec a r r i e do u t b yn o to n l y e x p e r i m e n t su n d e rc o l ds t a t ea n dt h e r m a ls t a t e ，b u ta l s on u m e r i c a ls i m u l a t i o n si nt h i s p a p e r f i r s t l y ，t h e a l la d v a n c e dt y p e so fd r yf e e d i n ge n t r a i n e df l o wb e dg a s i f i e r s n o w a d a y sa th o m ea n da b r o a dw e r es u m m e du pa n dc l a s s i f i e d ，t h es t r u c t u r a la n df l o w f i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ，g a s i f i c a t i o nr e a c t i o nm e c h a n i s m ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gi n s i d e t h eg a s i f i e ra n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h eg a s i f i e rw e r ed e t a i l e d l y a n a l y z e d ；a tt h es a m e t i m er e a l i z a t i o n c o n d i t i o n s ，f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d i m p l e m e n t a t i o na p p r o a c h e so ff l a m e l e s so x i d a t i o nt e c h n o l o g ya l s ob ee x p l o r e di n d e t a i l s o ，an o v e ld r yp u l v e r i z e dc o a lg a s i f i e rb a s e do nf l a m e l e s so x i d a n tw h i c hw a s a p p l i c a b l et oh i g ha s hm e l t i n gp o i n tc o a lw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fh i g h e f f i c i e n c yg a s i f i c a t i o na n ds l a gt a p p i n gf o rt h ec o a lo nt h eg a s i f i e rw e r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , c o l d s t a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a e r o d y n a m i c f i e l di n s i d et h e e x p e r i m e n t a lg a s i f i e r w a st e s t e du s i n gh o tw i r ea n e m o m e t e ru n d e rt h r e ek i n d c o n d i t i o n s ，n a m e l ys i n g l en o z z l et a n g e n t i a lf l o wj e t ，d o u b l en o z z l e st a n g e n t i a lf l o w j e t s y m m e t r i c a l l ya n ds t a g e d f e e d i n gf o u rn o z z l e st a n g e n t i a lf l o wj e ts y m m e t r i c a l l y , a c c o r d i n gt ot h ei m p l e m e n t a t i o na p p r o a c h e so ff l a m e l e s so x i d a t i o nt e c h n o l o g y , s oa s t od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ff l a m e l e s so x i d a t i o ni nt h eg a s i f i e r t h i r d l y ，at e s ts y s t e mf o rc o a lg a s i f i e rw a sd e s i g n e da n db u i l tu p ，s u b s e q u e n t l y d e b u ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d t h e n ，g a s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t so fh i g h a s h m e l t i n gp o i n tc o a lw i t hd r yp u l v e r i z e d c o a l f e e d i n gw e r ec a r r i e do u t o nt h e g a s i f i c a t i o nt e s ts y s t e m ，t h ef l a m ei m a g e sw e r eo b s e r v e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f f l a m e l e s sg a s i f i c a t i o ni n s i d et h eg a s i f i e r , a n ds y n g a sc o m p o n e n t sw e r em e a s u r e d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gi n n e rt h eg a s i f i e r u n d e rd i f f e r e n t o c 】a t o mr a t i oa n d i i i a b s t r a c t s t e a m c o a lr a t i oc o n d i t i o n s f r o mt h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev a l u er a n g eo fk e y g a s i f i c a t i o np a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g o c a t o mr a t i oa n ds t e a m c o a lr a t i om a i n l y , c o u l db eo b t a i n e dt h a tw i l la c c u m u l a t e e x p e r i e n c e sf o rt h es u b s e q u e n tr e s e a r c h d e e p l y f o u r t h l y ，p h y s i c a lm o d e l sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg a s i f i e rw e r eb u i l t t h e nt h r e e _ d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e g a s i f i e rf o rh i g ha s hm e l t i n gp o i n t p u l v e r i z e dc o a lw a sc o n d u c t e db yu s i n gp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) m o d e l f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ev e r a c i t ya n df e a s i b i l i t yo fn u m e r a lg a s i f i c a t i o nm o d e l c o u l db ev e r i f i e db yc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c er u l e so f 【o 】 c 】a t o mr a t i oa n ds t e a m c o a lr a t i oo ng a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i g ha s h m e l t i n gp o i n tc o a lc o u l db ed r e w , a n dt h ef l o wa n dc o m p o n e n t sc o n c e n t r a t i o nf i e l d i n n e rt h eg a s i f i e rc o u l db es t u d yv i s u a l l y ，t h a tw i l lp r o v i d ee v i d e n c e sf o ro p t i m a l d e s i g nf u r t h e ro ft h eg a s i f i e rs t r u c t u r ea n dg a s i f i c a t i o nt e c h n i q u e s f i n a l l y ，s t a g e dg a s i f i c a t i o nw a sa p p l i e dt ot h es t r u c t u r ed e s i g no ft h eg a s i f i e r ，s o as t r u c t u r ei m p r o v e dg a s i f i e r ，n a m e l ys t a g e dg a s i f i e rb a s e do nf l a m e l e s so x i d a t i o n w a sp u tf o r w a r d t h e nt h eg a s i f i c a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fh i g ha s hm e l t i n g p o i n tc o a li nt h es t a g e dg a s i f i e rw e r ec o n d u c t e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s oa st o a n a l y z et h ee f f e c t so f o c 】a t o mr a t i o ，s t e a m c o a lr a t i oa n ds e c o n ds t a g er e a c t a n t s s u p p l yr a t i oo nt h eg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h es t a g e dg a s i f i e r , a l lt h a tw i l l s o m e w h a to f f e rr e f e r e n c e sf o rp i l o tt e s ts u b s e q u e n t l y k e yw o r d s ：f l a m e l e s so x i d a t i o n ，c o a lg a s i f i c a t i o n ，g a s i f i e r , d r yf e e d i n g ，s l a gt a p p i n g ， e x p e r i m e n tr e s e a r c h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名潞l 习 作者签名：2 里! ! 翌 。7 年f 咱 第l 章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 煤炭是地球上蕴藏量最丰富、分布地域最广的化石燃料。据世界能源委员会 评估，至2 0 0 6 年底，世界煤炭可采资源量达4 8 4 x 1 0 4 亿吨标准煤，占世界化石 燃料可采资源量的6 6 8 嘣。目前在世界能源消费构成中，虽然新兴可再生能源 的消费比例在迅速增长，但煤炭仍然以2 7 0 的比例占据第二位。世界能源展 望预测煤炭的消耗量将以1 7 的年增长率保持增长，到2 0 2 0 年仍然保持在 2 4 。可见在未来2 0 5 0 年之间，煤炭在世界的能源结构中仍然占据着相当重要 的地位。 煤炭在我国经济发展中的地位更为重要。我国煤炭储量占世界煤炭总储藏量 的1 1 1 ，但同时我国煤炭生产和消费总量均为世界第一，且占世界总量的 3 0 - - 4 0 咄2 1 。据专家预测，2 0 2 0 年我国一次能源需求量将达到3 3 亿吨标准煤， 将是2 0 0 0 年的两倍左右，煤炭需求量为2 0 5 - 2 9 亿吨。到2 0 5 0 年，一次能源 需求量将达到5 0 亿吨标准煤，煤炭所占据的比例仍将在5 0 左右【3 1 。可见，煤 炭是我国最主要的能源资源，在未来相当长时期内，中国能源结构中煤炭的主导 地位不会发生变化。 煤炭的大规模开采和使用，一方面推动了社会的不断进步和人民生活水平的 提高；另一方面，其开采、储存、运输和转化利用过程也带来了许多社会和环境 问题。这些问题主要表现在两个方面：其一，煤炭综合利用效率低，能耗高。我 国煤炭燃烧技术比较落后，综合利用效率约为3 2 ，与世界先进水平相比有很 大差距，相当于r 本的5 2 6 ，美国的5 8 8 ，西欧的7 5 ，比发达国家整体 平均水平落后2 0 年；其二，煤炭在开采和利用过程中给生态环境造成严重污染， 据统计，其排放的污染物占全国烟尘和c 0 2 排放量的7 0 、s 0 2 的9 0 、n o x 的6 7 【4 1 。因此，改变传统的煤炭粗放利用方式，发展洁净煤利用技术已经成 为我国乃至全世界煤基能源、煤化工和电力系统技术升级的关键核心技术1 5 7 。 煤炭气化技术指在一定温度、压力条件下利用气化剂( 0 2 ，h 2 0 或c 0 2 ) 与 煤炭反应生成煤气( 主要成分是c o 和h 2 ，也称为合成气) ，是对煤炭进行化学 加工的一种重要方法：也是洁净煤利用技术的重要方向之一，是发展煤基化工品、 煤基燃料、i g c c 、多联产、燃料电池等过程工业的先导性技术和核心技术【8 以。 与常规的煤炭燃烧技术相比，煤气化排放的污染物量少，而且较易处理( 主 要是h 2 s 、n h 3 等) ，气化所排出的灰渣也是低危害性的材料，可以综合利用或 第1 章绪论 简单处理。所以，世界各国都在积极研发和完善煤气化技术，并以煤气化技术为 基础，积极研究开发各种新型煤基能源利用和化工系统，在提高煤炭转化效率的 同时，减低污染物的排放 1 2 , 1 3 】。 煤气化技术的优劣不仅由其自身的技术特点和工艺参数决定，而且也受所采 用的气化煤种特性约束。我国煤种的煤灰特性与国外不同，主要表现在：平均厌 含量高，平均大于2 0 ，动力煤的平均灰含量达到2 5 ，商业动力煤的平均灰 含量甚至更高，达到2 7 - - 2 8 ，而且灰熔点普遍偏高，灰渣流动温度( f t ) 大于l4 0 0 的高次熔点煤种储藏量巨大，约占我国煤炭储量的5 0 。淮南煤就 是典型高次熔点煤种，灰分高达2 5 3 2 ，灰熔点高达16 1 0 ，其远景储 量4 4 4 亿吨，探明储量1 5 3 亿吨，约占全国的1 9 【l l ，1 4 , 1 5 】。 这种高灰熔点煤种的特性给煤气化技术的实现带来了较大的困难【l l 1 5 】。首 先，高灰熔点对于煤气化技术的影响主要表现在：( 1 ) 气化运行温度根据灰渣 的粘温特性及煤的化学活性而定，一般高于煤灰熔点5 0 7 0 。由于现行 煤气化技术大都采用液态排渣，需要提高操作温度以利于碳转化和顺利排渣。但 操作温度如果过高，则会减少价格昂贵的耐火砖使用寿命；( 2 ) 为了维持较高 的操作温度，需通过供应较多的氧与碳的氧化放热来维持，相应地耗氧量增加， 降低了有效气的产率。同时，灰分对于煤气化技术的影响主要表现在：( 1 ) 如 果操作温度低，除了会引起排渣堵塞外，还会容易使得未反应的碳和灰分混杂， 甚至粘结在一起，降低了碳的转化率；( 2 ) 排出的高温灰渣会带走大量的显热， 降低了气化系统的热效率；( 3 ) 有一部分粉尘随粗煤气夹带而出，使得后续净 化处理过程较复杂。 因此，淮南煤被公认为国内最难气化的高灰熔点高灰分煤种【l5 1 。解决淮南 煤气化技术难题，不仅解决淮南煤化工基地建设的瓶颈问题，而且对我国能源结 构调整、环境污染治理、拓展延伸煤化工产业链、煤炭资源综合利用等方面都具 有重要的指导意义和示范作用。所以，煤炭气化技术的发展方向应基于煤炭的特 点【l6 1 ，研究开发适合高灰熔点煤的先进干煤粉气流床气化技术，为新型煤化工 和能源转化提供技术安全保障，可以说高灰熔点煤气化技术才是真正意义上的先 进煤气化技术。 1 2 国内外煤气化技术研究概述 1 2 1国内外先进气流床气化技术概述 自上世纪6 0 年代以来，煤气化技术的研究与开发得到了较大的发展，尤其 是2 0 世纪7 0 年代世界石油危机的刺激和日益突出的严重燃煤环境污染问题，国 内外各国政府和科研院所都对煤气化技术给予了极大的重视。美国先后提出了洁 2 第l 章绪论 净煤技术示范计划( c c t p ) 和2 1 世纪展望( v i s i o n2 1 ) ，欧盟和日本也先后提 出了洁净煤技术发展计划。在这些发展规划和项目的带动下，一批先进的大型煤 气化技术应运而生。 到目前为主，世界上已经工业化的煤气化工艺有几十种，按生产装置的化学 特征可归纳为五类【8 ，9 】：以b g l ( b r i t a i ng a s & l u r g i ，德国鲁奇炉) 为代表的固 定床气化技术：以h t w ( h i g ht e m p e r a t u r ew i n k l e r ，德国高温温克勒炉) 、灰 熔聚( 中国) 为代表的流化床气化技术：以t e x a c o 【1 7 】( 美国德士古) 、s h e l l 1 8 】 ( 荷兰壳牌) 、g s p 1 9 】( 德国g a s k o m b i a n ts c h u a r z ep u m p e ) 、n e t d l 2 川( 日本 n e we n e r g yd e v e l o p m e n to r g a n i s a t i o n ) 、多喷嘴对置式水煤浆气化技术 2 1 , 2 2 】( 中 国华东理工大学) 和t p r i f 2 3 2 5 1 ( t h e r m a lp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，中国西安热工 研究院) 为代表的气流床气化技术以及熔融床气化和地下煤炭气化技术。 在煤气化技术开发与应用中，熔融床技术和地下煤炭气化技术均处于研究开 发阶段，离实际的工程应用还有一段距离。在剩下的三种煤气化技术中，从i g c c 电站示范装置以及大型化工厂的煤制气( 或h 2 ) 气化技术来看，与固定床、流 化床相比，如表1 1 所示。 表1 1 不同煤气化类型典型工艺的技术性能比较计算参数 代表炉型阃定床( u g i )流化床( h t w )气流床( s h e l l ) 气化压力m p a 0 0 1 8 0 0 21 o 3 02 0 4 0 气化温度 9 0 0 - 10 0 010 0 011 0 014 0 0 一- - 17 0 0 气化荆空气、蒸汽空气、蒸汽、氧气氧气、蒸汽 适应煤种无烟煤生物质、褐煤、烟煤半焦褐煤、烟煤、石油焦 煤种要求 煤粒度m m 1 5 5 00 1 0 0 9 0 小于o 1 5 含水量慌 8 0 l2 0 0 l2 5 0f t l3 5 0 气化炉结构复杂，炉内有转动部件简单，炉内无转动部件复杂、废锅制造要求高 单炉生产 能j j t ( 煤) d 。】 5 0 1 2 07 2 0 20 6 0l0 0 0 26 0 0 排渣方式固态固态 液态 灰渣含c 2 0 9 8 ；比煤耗 9 3 ，总碳利 j 率 碳转化率 9 8 ( 干煤粉) ， 9 5 ( 水煤浆) 9 8 冷煤气效率 7 3 7 9 ( 干煤粉) ， 7 3 ( 水煤浆) 合成气有效气成 7 2 之8 9 ( 干煤粉) ， 8 0 ( 水煤浆) 分( c o + h 2 ) 含量 3 3 0n m 3 0 2 10 0 0 _ 7 2h 稳定运行时间 山西煤化所自上世纪8 0 年代开始研究开发流化床煤气化技术，对普通沸腾 流化床作了重大技术改进，形成了灰熔聚流化床煤气化技术。该技术保留了传统 流化床技术的优点，并对气化炉底部的中心射流管和环管进行了重新设计，这一 方法可以在床层中形成局部射流区，通过射流管喷入的工业纯氧在炉内形成了局 部高温区，使灰渣熔聚成球，并在气化反应过程中体积不断变大、质量不断变重， 最终从床层中分离出来并通过环管排出。该技术于2 0 0 1 年在陕西城固化肥厂建 立了工业化常压示范装置，2 0 0 8 年9 月在石家庄金石化肥有限公司建成了第一 套加压灰熔聚流化床气化示范工业装置( o 6m p a ) ，并成功试车，这是灰熔聚 流化床煤气化技术在加压、大型化、工程化方面取得的重大进展。该技术在气化 阳泉无烟煤的技术指标为：煤气有效成分( c o + h 2 ) 占6 6 0 4 ，碳转化率 8 4 ， 气体热值87 2 2k j m 3 ，气体产率1 9 5m 3 l ( g ，比氧耗 4n e d o 、c c p 切圆喷入式 2 1 1 上置单喷嘴下喷式 在气流床气化炉中，属于多喷嘴对撞喷入式的炉型主要有g s p 和t e x a c o 炉， 其中g s p 采用干煤粉进料。 第2 章基丁无焰氧化煤扮气化炉的概念模型设计与分析 以g s p 为代表的上置单喷嘴下喷式气化炉，其外部为圆筒型结构，内部则 分为上部气化室和下部激冷室：气化室为一段式结构，在炉顶布置单一煤粉和气 化剂混合喷嘴向一r 喷射物料，合成气和液渣通过下部的出渣口排出进入激冷室。 按照流体力学分析，g s p 炉内流场属受限射流，可分成3 个区：射流区i 、 回流区i i 和管流区i l i ，如图2i 所示”j 。从喷嘴喷出的射流具有较高的卷吸携带 能力，能够将周围高温气体卷吸进射流场并与之强烈混台，射流速度在轴向上沿 气化炉轴线衰减，同时沿径向发展并与气化炉内壁相交，形成射流区；由射流产 生的负压力在射流四周环向形成一股逆流向r 的区域为回流区：射流区r 游的气 流速度较低区域到气化炉出口为管流区。 按照化学反应特征，炉内煤粉气化反应过程可分为挥发分析出和燃烧区、傅 炭燃烧区和气化区。挥发分的析出和燃烧发生在射流区上游和回流区的上内侧， 焦炭燃烧发生在射流区下游和川流区的下内侧，气化反应则发生在回流区外侧和 管流区。因此词将气化炉内流场划分为射流燃烧区、管流气化区和凹流燃烧气化 共存区。在挥发分的析出 x _ - f f n 燃烧区，煤颗粒被迅速加热释放出挥发物，裂解产 生的挥发物迅谜与氧o t 发生反应。因为该区域的氧浓度高，所以挥发物完仝燃烧 并产生大量热：在焦炭燃烧区，脱去挥发物的煤焦或其他碳颗粒，一方面与残余 的氧反应生成c o 和c 0 2 ，另一方面与水蒸气和c 0 2 反应生成c o 和h 2 ，c o 和 h 2 又在气相中与残余的氧反应，产生更多的热量。射流燃烧区进行的反应均为 放热反应，导致该区为炉内高温区；在气化区，未完全反应的焦炭会和c 0 2 发 生还原反应，和水蒸气发生水蒸气分解反应，和i t 2 发生甲烷转化反应，生成的 c o 再和水蒸气发生水煤气反应q 减c 0 2 和h 2 ，这些反应均为吸热反应，浚区的 温度稍低。 i 斟￥训a j 痕渣合成气 圈2 1g s p 炉内流场和温度场分布 1 一日 流i x ；一吲流；1 1 1 一管流篷 炉内气圃两相在炉内温度变化趋势是不一样的p i ，喷入炉内的气相( 水蒸气 一铽刚掣 鳕两姐 第2 章基于无焰氧化煤粉气化炉的概念模型设计与分析 和氧气) 在挥发份燃烧和烟气稀释加热下温度急剧升高，在射流区的上段就达到 很高的温度水平，这些气化剂迅速参与化学反应，生成气相物的温度也保持了该 温度水平；固相则在由煤粉颗粒一焦炭一灰渣的全过程转换中，温度稳步上升。 g s p 采用的合成气和液渣向下并流方式，也使得排渣口的固相一灰渣的温度维持 在很高的水平，使灰渣呈液态，并利用高温合成气对高粘度熔渣的良好携带作用， 顺利实现了高灰熔点煤粉的液态排渣。 由于g s p 采用单喷嘴射流方式，煤粉颗粒比较集中分布在射流燃烧区，炉 内颗粒分布均匀性差，炉内温度场梯度较大，在射流燃烧区形成明显的喷射火舌； 炉顶单喷嘴也使得炉内湍流混合强度较低，回流区较小；进料喷嘴与出口设置在 同一轴线上，在惯性力作用下，高速度的进料射流使得相当一部分气固两相混合 物根本来不及反应就直接冲向出口，形成了“短路”，使得一部分煤粉和气化剂在 气化炉里的停留时间远远小于整体物料的平均停留时问，影响了气化指标的提高 【2 1 。 2 1 2 下置多喷嘴对撞喷入式 在气流床气化炉中，属于多喷嘴对撞喷入式的炉型主要有e g a s 、s h e l l 、 p r e n f l o 、t p r i 和多喷嘴对置式气化炉( 华东理工大学) ，其中p r e n f l o 、s h e l l 和 t p r i 采用干煤粉进料。 p r e n f l o 炉与s h e l l 炉均是k t 炉的加压气化形式，工艺流程中的磨煤与干燥、 粉煤加压与进料、气化与煤气冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤等系统几乎相同， 均为废锅流程，采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷，气化炉和煤气冷却器均 采用水冷壁和螺旋盘管换热器的结构，二者的气化炉反应区几乎相同，其区别主 要表现在：( 1 ) p r e n f l o 采用横向布置的盘管式水冷壁，s h e l l 采用纵向布嚣的膜 式水冷壁；( 2 ) 二者的煤气冷却器结构不同，煤气冷却流动路线不同。在废锅 的设置上，s h e l l 在经过导气管后的侧面设置废锅，而p r e n f l o 气化工艺中废锅设 置在顶部【4 5 】。 对于t p r i 炉，与其它下置多喷嘴对撞喷入式气化炉不同的是，其采用两段 式炉膛结构，下炉膛是第一反应区，为一个两端窄中间宽的腔体，在其侧壁上对 称布置2 个或4 个粉煤、水和氧气喷嘴，其中喷入的煤粉约占总给煤量的8 0 8 5 ；上炉膛是第二反应区，高度较长，在侧壁上布置对称的2 个煤粉和水喷嘴， 喷入1 5 2 0 的煤粉【4 - 6 j 。 以下以s h e l l 炉为例说明下置多喷嘴对撞喷入式气化炉的炉内流场与物料的 温度特性。 s h e l l 炉应用撞击流原理，将干煤粉与氧气、蒸汽气化剂通过同一水平面上 四只对称布置的烧嘴喷入炉内，两两相对的两股等量的气固两相流沿径向相向射 1 7 第2 章基于无焰氧化煤糟气化炉的概念模酗i 殳计与分析 流撞击形成了高度湍动的撞击区和湍动区，在惯性力的作用下，煤粉和焦炭颗 粒穿过撞击面渗入反向流，使干煤粉与气化剂在炉内实现良好混合气化反应，生 成的粗合成气和液渣一起向下进入气化炉激冷室中激冷分离。 王辅臣等l 曾采用激光多普勒动态粒子分析仪研究了冷态下炉内多喷嘴对 霹射流的流动特征，并将s h e l l 炉内的流动过程分为5 个区域，即射流区i 、撞 击区l i 、撞击扩展流区i i i 、回流区和管流区v ，如图22 所示。气固两相流从 喷嘴高速喷出后卷吸周围流体并向下游流动形成射流区i ；当四个对置的喷晡射 流交汇后在交汇中心| 塞：域形成了相向射流的剧烈撞击区i i ：经过撞击混台后的 流体迅速改变流动方j 甸，沿着气化炉的轴线方向向上和向下运动，形成了两股撞 击扩展流区i i i ：四股射流与两股撞击流股周边均出现回流区，强化了流体间相 互混合；在气化室上部，流体的轴向速度沿径向分布大致保持不变的区域称为管 流区v 。 台成气 - ， 化剂 黻 图2 2s h e l l 炉内流场和温度场分布 一射流区j | 一捕击区：i i i - - 掩击扩碰巍区z 一回诫区；v 一管诫匦 与o s p 炉相类似，s h e l l 炉内流场也可按反应特征分为射流燃烧区、管流气 化区和回流燃烧气化共存区。射流燃烧区包括射流区i 、摘击区i i 及撞击扩展流 区i i i 的一部分，在该区域进行的是挥发分析出和燃烧以及焦炭燃烧，并伴有射流 卷吸的h 2 和c o 的燃烧反应这些放热反应导致该区域为炉内高温区：管流气 化区包括管流医v 和撞击扩展区i i i 的一部分进行的是c 、c h a 等的气化反应和 逆变换反应，这类吸热反应导致该区域温度相对稍低：在回流共存区射流卷吸 作用和湍流扩散使回流区、射流区i 和撞击流扩展区1 1 1 发生质最交换，其中以 卷吸为主，但也存在湍流流动，使得个别氧气分子经湍流扩敝作用进入回流区 第2 章基于无焰氧化煤粉气化炉的概念模型设计与分析 中。因此在回流区中既有燃烧反应，亦有气化反应，但以气化反应为主。 气固两相在s h e l l 炉内的温度变化趋势与g s p 炉内不刚引，在射流区i 内， 喷入炉内的气相( 水蒸气和氧气) 在挥发份的燃烧和生成烟气的稀释加热作用下， 温度急剧直线上升，到达撞击区i i 时，由于焦炭的燃烧放热反应使得其温度进一 步提升，并达到最高温度，也使得该区域为炉内最高温度区；随后进入撞击扩展 流区i i i 、回流区和管流区v 发生气化吸热反应，并与焦炭一灰渣发生热交换， 炉顶出口煤气温度降低，减少了后续冷却单元：由于煤粉颗粒表面热阻较大，温 升较慢，在煤粉颗粒一焦炭一灰渣的转换过程中，温度稳步上升，在随气相上升 至炉内最高轨迹点时，温度达到最高，在随后的下降过程中，其温度基本维持不 变，直至下段的出渣口。 然而，下置多喷嘴对撞喷入式气化炉也存在一些不足之处：( 1 ) 由于气化 圆筒内的径向尺寸小，在细长形的圆筒内采用径向射流直接对撞，从各喷嘴喷出 的径向射流还未能充分发展即相互碰撞，动量相互抵消，使得煤粉无法充满整个 气化炉空间；同时也使得煤粉的氧化反应在局部中心区域，使得炉内高温区集中 在这一水平面上，炉内温度梯度较大；( 2 ) 射流直接碰撞产生的向下撞击流股 沿径向迅速向外侧扩张，减弱了喷嘴射流对四周高温烟气的卷吸作用，降低了射 流区内煤粉升温着火燃烧的速度：( 3 ) 喷嘴的直接对冲并不能保证所有的煤粉 颗粒都在撞击区内相互碰撞而衰减，必有一部分直接冲向对侧喷嘴，对喷嘴周围 水冷壁的使用寿命造成极大的威胁，如果气化炉温度稍低，就可能在喷嘴周围乃 至喷嘴上结渣，从而影响喷嘴的使用寿命和性能；( 4 ) 喷嘴射流的两两对撞势 必使部分煤粉气流的动量为零，并直接冲向气化炉底部出口，形成了“短路”现象 【6 1 o 2 1 3 下置多喷嘴切圆喷入式 在干煤粉气流床气化炉中，属于下置多喷嘴切圆喷入式气化炉主要有日本的 日立n e d o 气化炉和c c p 气化炉。这两种炉型均为两段式结构，在炉侧的中下 部位切圆布置多只煤粉和气化剂喷嘴向炉内喷射物料以形成炉内旋转，粗合成气 从炉顶排出，液渣通过炉底部的出渣口排出。 n e d o 炉采用一室两段的设计思想，炉内设置了上下两层喷嘴，每层各有4 个喷嘴按切线方向安装，上下喷嘴有不同的切圆半径f 5 8 ，9 1 。按流体力学分析，