（热能工程专业论文）气力式喷嘴雾化过程的实验研究与数值模拟.pdf

a b s t r a c t c w s g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi so n e o ft h ep i v o t a lt e c h n o l o g i e so fc l e a nc o a l u s e c w si sak i n d o fc l e a nf u e lw h i c hh a sc r u d ea d v a n t a g ea sm a t e r i a lo f g a s i f i c a t i o n a t o m i z a t i o ni s t h ek e yt e c l m o l o g yi nc w sg a s i f i c a t i o n t h ea i v b l a s t a t o m i z e r sa r et h eo n e sw h i c ha r em o s te x t e n s i v e l yu s e di nt h ec w s g a s i f i c a t i o nf i e l d b e c a u s eo ft h e i ra d v a n t a g e ss u c ha sf a v o r a b l ea t o m i z a t i o np e r f o r m a n c e , g o o d a p p l i c a b i l i t yf o rm a n yl i q u i df u e l sa n ds i m p l es t r u c t u r ea n ds oo n , t os t u d yt h e a t o m i z a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mo ff i r - b l a s ta t o m i z e r sh a v ei m p o r t a n tt h e n r y s i g n i f i c a n c ea n de n g i n e 甜n ga p p l i c a t i o nb a c k g r o u n df o rt h ee x p l o i t a t i o no f n e ws t y l e o f a i r - b l o ta t o m i z e r so f c w s t h ep a r i e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ea t o m i z a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mo f t w o - c h a n n e la n dt h r e e - c h a n n e la i r _ b l a s tn o z z l e s m o s t l yi n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , t a k i n gd r o p l e ts i z es m da st h ee s t i m a t et a r g e t , t h ep a p e rs t u d i e st h e f a c o r sw h i c hi n f l u e n e et h ea t o m i z a t i o np e r f o r m a n c eo ft w o c h a n n e ln o z z l es u c ha s o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，s t r u c t u r es i z ea n dt h ev i s c o s i t yo fl i q u i d a n dt h e na d o p tt h e l l i 曲s p e e dc a m c l at oo b s e r v e t h eb r e a k u po fl i q u i ds t r e a ma n da n a l y z et h e a t o m i z a t i o mm e c h a n i s mo f t w o - c h a n n e ln o z z l e s e c o n d l y , t a k i n gd r o p l e ts i z es m da st h ee s t i m a t et a r g e t t h ep a p e rs t u d i e st h e f a c o r sw h i c hi n f l u e n c et h ea t o m i z a t i o np e r f o r m a n c eo ft h r e e - c h a n n e ln o z z l es u c ha s o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，s t r u c t u r es i z ea n dt h ev i s c o s i t yo fl i q u i d ，a n dt h e na d o p tt h e h i 曲s p e e dc a m g 栽dt o o b s e r v et h e b r e a k u po fl i q u i d s t r e a ma n da n a l y z et h e a t o m i z a t i o mm e c h a n i s mo f t h r e e - e h a n n e ln o z z l e f i n a l l y , t h ef i i 甩n ts o f t w a r ei si n t r o d u c e dt os m d yt h ea t o m i z a t i o np r o c e s so f t w o - - c h a r m e ln o z z l e a t 五r s t t h ep a p e rs i m u l a t e st h ef l o wf i e l do fe o m p r e s s i b l ea i r i n n e rt h en o z z l e a n dt h e ne m p l o y sv o fm o d e lt os i m u l a t et h ef l o w 丘e l do f g a s 1 i q u i d m i x t u r eo u t e rt h en o z z l e a n dl a s t l yu s e sd p mm o d e lt os i m u l a t et h eb r e a k u pp r o c e s s o f l i q u i ds t r e a ms u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：a i r - b l a s t ，n o z z l e ，a t o m i z a t i o n , m e c h a n i s m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学号：2 0 5 0 8 2 2 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 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适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：年月日签字日期：年 月 曰 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题研究背景 第一章前言 中国作为世界上人口最多的发展中国家，是一个能源消费大国；同时，中国 能源资源丰富，经济建设蓬勃发展，也是一个能源生产大国。目前，中国是世界 第二大能源消费国，也是世界上最大的煤炭生产国和消费国【l l 。据国家发展及改 革委员会能源研究所统计，2 0 0 1 年以来，中国能源需求出现了前所未有的高速 增长态势。能源消费的年平均增长速度接近l o ，是改革开放初期2 0 年平均增 长速度的两倍。能源消费总量由2 0 0 0 年的1 4 亿吨标准煤增长到2 0 0 5 年的2 2 3 3 亿标准煤，其中，煤炭产量由9 8 亿吨翻了一番多达到2 2 亿吨，2 0 0 6 年为2 3 8 亿吨。2 0 0 6 年能源消费总量为2 4 6 亿吨标准煤，比2 0 0 5 年增长9 3 。在我国 商品能源中，煤占主要地位，是世界上极少数几个能源结构以煤为主的国家之一。 且不说5 0 年代煤炭占到一次商品能源消费量的9 2 9 5 ，即使自6 0 年代中 期石油大量增产之后，煤炭的比重最低也在6 9 9 ( 1 9 7 6 年) ，整个8 0 年代则 在7 2 7 6 之间，9 0 年代前半期一直在7 5 左右。1 9 9 5 年为1 2 亿吨的煤炭 年产量提供了全国7 0 的工业燃料和动力，6 0 的化工原料和8 0 的民用商品 能源。煤炭在中国经济社会发展中占有重要地位，现在中国形成一个以煤炭为主、 多能互补、规模宏大的能源工业体系，预计今后二三十年内以煤为主的能源消费 结构不会有质的改变，也就是说能源需求的增长仍将主要靠增产煤炭来满足。然 而，作为一次性能源，煤炭的大量使用也给我们的生活和环境带来了许多问题。 煤炭占用了铁路运力的4 2 、公路的2 5 和水运的2 0 ，全国大部分大气污染 和相当一部分水污染直接或间接来自煤炭的燃烧与加i t ”。约8 0 的原煤以直接 燃烧的方式利用，总效率在7 0 左右，转化率低，环境污染严重。2 0 世纪重大 的大气环境污染事件，如酸雨、臭氧减小、全球气候变暖、光化学烟雾污染、城 市煤烟雾等，都与燃煤有关。2 0 世纪7 0 年代的石油危机，使人们开始思考如何 在煤炭开发及利用过程中减少对环境的伤害，同时能从煤炭这一传统的“不清洁” 能源获得“清洁”的气体与液体燃料，“洁净煤技术”这一概念也就产生了p j 。 煤的清洁利用是我国能源发展战略中的一个重要内容。洁净煤技术是指煤炭从开 发到利用全过程中，旨在减少污染排放和提高利用效率的加工、燃烧、转化及污 染控制等高新技术的总称。按其生产和利用的过程，洁净煤技术可分为三类：燃 烧前的煤炭加工和转化技术、煤炭燃烧技术和燃烧后的烟气净化技术。其中，煤 炭气化技术作为其中的一种燃烧前的煤炭加工和转化技术是洁净煤技术的基础， 被认为是最清洁的煤炭转化利用方式，是提高煤炭资源利用率及保护环境的重要 方法。在现代煤气化技术，尤其是高压，大容量气流床气化技术在国际上已进入 浙江大学硕士学位论文第一章前言 商业化阶段，代表着煤气化技术的发展趋势。 水煤浆是气流床煤气化技术的主要原料之一。水煤浆是在原煤洗选加工技术 的基础上发展起来的一种比较清洁的新型燃料。作为一种新型低污染代油燃料， 它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有和石油一样的流动性和稳定性【4 】。自上 世纪7 0 年代初，瑞典、美国率先研制成功水煤浆，相继世界上许多国家推广适 用【5 1 。 液体燃料的雾化广泛应用于锅炉燃烧 o - r l 、航空航天嘲、冶金1 9 4 0 】、灌溉 n q 2 l 及烟气脱硫、煤气化1 1 3 - 14 】等领域。在煤气化领域，对于液体燃料，尤其是水煤浆 燃料而言，喷嘴是气化装置的关键部件。喷嘴的功能主要有两个：一是雾化，二 是与炉体匹配形成适宜的流场【1 5 1 。喷嘴结构型式按雾化能量来源可分为三大类： 机械式雾化喷嘴、气力式雾化喷嘴、其他类型喷嘴如静电雾化喷嘴等。其中气力 式雾化喷嘴是在燃料雾化中最常见的一种类型之一。因其结构简单、负荷大、原 料适应性广等特点而受到广泛的重视。 气力式雾化喷嘴的原理是利用有一定压力的空气作为能量的载体来通过各 种方式冲击或撕裂液体燃料，使液体燃料的比表面积迅速增大，变成粒度达一定 要求的分散相。其雾化的过程主要分为初次破碎和二次破碎两个阶段。初次破碎 是指液体刚开始破碎的阶段，主要发生在气液交界面上，由于气液两相之间的高 速摩擦使液体相表面出现滴状、丝状等小的液体单元。二次破碎则是在初次破碎 的基础上，液滴在气体的作用下进一步破碎和相互聚合，变成更多更细的液滴。 气力式喷嘴由于其雾化效果较好、液体燃料种类适用性强及结构简单等优点 广泛应用于锅炉燃烧和煤气化技术等领域。然而，气力式喷嘴同时也存在动力消 耗高、噪音大、效率低等缺点，因此，有必要对气力式喷嘴的雾化过程和雾化机 理进行进一步的研究，以便设计出性能较佳，符合实际生产需要的气力式喷嘴型 式。 1 2 论文主要研究内容 由上一节可知，气力式雾化喷嘴广泛适用于煤气化技术领域，而气力式雾化 喷嘴可分为内混式、半内混式及外混式三种，三种型式的气力式喷嘴各有优缺点。 为了更好地开发水煤浆气化喷嘴，有必要对气流式雾化喷嘴的雾化过程和雾化机 理进行研究。本次实验研究的气力式雾化喷嘴型式主要是外混式喷嘴：两通道圆 柱射流外混式喷嘴及三通道液膜射流外混式喷嘴。论文主要研究内容如下： ( 1 ) 利用激光喷雾粒径分析仪测定喷嘴出口液滴的索太尔平均直径s m d ， 以其作为评价雾化性能好坏的指标，研究影响两通道圆柱射流雾化性能的主要因 素：如操作工况、液体物性及喷嘴出口结构尺寸等。并利用高速摄影仪对圆柱射 流出口雾化情况进行观察，结合理论对其雾化情况进行分析。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章前言 ( 2 ) 研究影响三通道液膜射流雾化性能的主要因素：如操作工况、液体物 性和喷嘴出口结构尺寸等。利用高速摄影仪对液膜射流出口雾化情况进行观察， 结合相关理论对其雾化情况进行分析。 ( 3 ) 利用计算流体力学软件中的f l u e n t 软件对两通道平行式雾化喷枪内 部压缩空气的流动情况进行冷态数值模拟，利用多相流模型中的v o f 模型对喷 嘴出口的两相流的流场进行冷态数值模拟，并应用弥散相模型( d p m ) 对喷嘴 出口后射流的破碎及雾化过程进行冷态数值模拟。 参考文献 【1 i 庆一中国能源现状与前景 j 】中国煤炭，3 1 ( 2 ) ，2 2 - 2 7 ，2 0 0 5 【2 】吴传钧中国能源现状与问题【j 】中国经济地理 【3 】姚强，等洁净煤技术p “1 化学工业出版社，2 0 0 5 【4 】岑可法，等煤浆燃烧，流动、传热和气化的理论与应用技术【m 】杭州：浙江大学出版，1 9 9 7 【5 】候凌云，候晓春喷嘴技术手册【m 】中国石化出版社，2 0 0 2 【6 1 黄镇宇，周志军，曹欣玉，等撞击式多级雾化水煤浆喷嘴的试验研究【j 】热力发电， 3 0 ( 3 ) , 4 0 - 4 2 ，2 0 0 1 【7 】兰泽全，曹欣玉，周俊虎，等模糊模式识别在水煤浆锅炉结渣特性判别上的应用【j 】中 国电机工程学报，2 3 ( 7 ) ：2 1 6 - 2 1 9 ，2 0 0 3 【8 】徐行，郭志辉新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究【j 】航空动力学报，1 2 ( 3 ) ：2 9 3 - 2 9 8 ， 1 9 9 7 【9 】吕洪，陈振华，陈刚液体金属和合金的固气两相流雾化的研究【j 】中国粉体技术，1 0 ( 4 ) ； 1 3 1 7 。2 0 0 4 【1 0 】孙剑飞， 曹福洋，崔成松，等金属雾化过程中气体流场动力学行为 j 】粉末冶金技 术，2 0 ( 2 ) ：7 9 - 8 1 ，2 0 0 2 【1 1 】汪喜波，谢翔燕，刘相东，等脉动气流雾化试验研究叨粮食储藏2 0 0 5 ，3 4 ( 2 ) ：4 4 _ 4 8 f 1 2 】陈斌，郭烈锦，张西民，等喷嘴雾化特性试验研究【j 】工程热物理学报，2 2 ( 2 ) ：2 3 7 - 2 4 0 ， 2 0 0 l 【1 3 】王雷，章u y j ) , l ，周月桂，等活化器内液滴捕捉颗粒过程的数值模拟 j 】中国电机工程 学报，2 5 ( 1 1 ) ：8 5 8 9 2 0 0 5 【1 4 】周月桂，章明川，范卫东，等神木煤灰增湿活化脱硫的半工业性台架试验研究 j 】中 国电机工程学报，2 3 ( 9 ) ：1 8 2 1 8 5 ，2 0 0 3 【1 5 】王少云气流式雾化过程的实验研究与模型计算【d 】华东理工大学硕士学位论文，2 0 0 4 0 1 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 水煤浆气化装置的发展现状 2 1 1 煤气化技术简介 煤的气化过程是一个热化学过程，它以煤或煤焦为原料，以氧气( 空气、富 氧或纯氧) 、蒸汽为气化剂( 又称气化介质) ，在高温的条件下，通过部分氧化反 应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料( 即气化煤气、或简称煤气) 的过程1 1 。 从物理化学过程来看，煤的气化技术共包括以下几个阶段：煤炭干燥脱水， 热解脱挥发份，挥发份和残余碳( 或半焦) 的气化反应。煤的气化反应是指热解 生成的挥发份、残余焦炭颗粒与气化剂发生的复杂反应。与燃烧过程中保持一定 过氧量相反，气化反应是在缺氧状态下进行的，因此煤气化的主要产物是：可燃 性气体c 0 ，h 。和c l - h ，只有小部分碳被完全氧化为c 0 , ，可能还有少量的h 2 0 。 煤气化过程的反应主要是燃料中碳与气化剂中氧、水蒸气、二氧化碳和氢的反应， 也有碳与产物以及产物之间进行的反应 2 - 7 ： 1 碳与氧的基本反应 碳的完全燃烧反应c + 0 2 _ c 0 2 + q 1 ； ( 2 1 ) 1 碳不完全燃烧反应 c + l 0 2 - c o + q 2 ： ( 2 - 2 ) 上 1 一氧化碳燃烧反应 c o + 妄0 2 c 0 2 + q 3 ； ( 2 3 ) z 二氧化碳还原反应c 0 2 + c 斗2 c o - q 4 ； ( 2 4 ) 2 碳与水蒸汽的基本反应 水煤气反应 c + h 2 0 - - c o + h 2 一q 5 ： ( 2 5 ) c + 2 h 2 0 , - c 0 2 + 2 h 2 一q 6 , ( 2 - 6 ) 水煤气平衡反应( 一氧化碳变换反应) c o + h 2 0 卜焦些型jc 0 2 + h 2 + q 7 ； ( 2 7 ) 3 甲烷生成( 转化) 反应：c + 2 h 2 型堕bc i - h + q 8 ； ( 2 8 ) c o + 3 h 2 焦趔c h 4 + h 2 0 + q 9 ： ( 2 9 ) c 0 2 + 4 h 2 卜堕些型一c h 4 + 2 h 2 0 + q 1 0 ( 2 1 0 ) 2 c + 2 h 2 0 卜焦些型寸c h 4 + c 0 2 + q 1 2 。 ( 2 1 1 ) 4 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 此外，煤加热到热裂解反应的反应温度时将发生热裂解反应： 煤_ c h + 气体烃+ 焦油+ c o 、c 0 2 、h 2 + 焦 ( 2 1 2 ) 煤气化方法有多种分类方法。按供热方式分类可分为：自供热气化方式。 即气化过程中没有外界供热，煤与水蒸气反应所需的热量由煤的氧化反应所提 供，又称部分氧化供热。间接供热气化方式。考虑让煤仅与水蒸气反应，热量 通过气化炉壁从外部传给煤或气化剂，也可用电热和核反应热进行间接供热。 热载体供热方式。即在一个单独的反应器内，用煤和空气燃烧加热热载体供热， 通常以熔渣、熔盐或熔铁作为热载体。按照气化炉内原料煤和气化剂的混合方式 和运动状态分类可分为：移动床气化法、流化床气化法和气流床气化法。其相应 的三种气化方法对原料煤的粒度和黏结性、操作条件等有不同的要求，同时热效 率、碳转化效率、处理能力及煤气组成也有明显的区别，因此是最常用的气化分 类方式。 表2 1三种典型气化方式的比较【1 】 由上表可知，水煤浆气化技术属于气流床气化技术。气流床气化法是2 0 世 纪5 0 年代初发展起来的新一代煤气化技术，最初代表炉型是k t 炉。其后随 着s h e l l 、t e x a c o 、e - g a s 等一批新型工艺的开发，气流床气化技术因其出色的生 产能力和气化效率，在世界范围内得到了广泛的应用。气流床煤气化具有减少空 气排放物，生成许多具有商业价值的副产品，如高纯度的硫、c 0 2 和无毒的炉渣 等优点，随着环境标准的日趋严格，气流床气化的优势越来越突出。其中，t e x a c o 气化炉是最典型的水煤浆迸料的加压气流床气化炉，是由美国德士古石油公司在 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 以重油和天然气为原料制造合成气的德士古工艺基础上开发的，始于1 9 4 8 年， 起初采用高压水煤浆先经预热干燥后旋风分离出干粉入炉，后因预热干燥器中干 煤粉容易结块堵塞而长期没有解决干式加料技术。在2 0 世纪8 0 年代初随着耐高 温抗熔渣耐火材料和高浓度水煤浆制备技术的成熟，才改用水煤浆湿式直接进 料，并获得成功。其结构简图如下。 图2 1t e x a c o 气化炉结构简图图2 2 e - - g a s 气化炉结构简图 e g 勰气化炉原称为d e s t e c 炉或d o w 式炉，其主要特点是水煤浆迸料和 两段气流床加压气化。它是d o w 化学公司在德士古气化炉基础上开发的。其结构 简图如图2 2 所示，其中，1 一水煤浆，2 一氧气，3 一灰渣激冷水，4 一灰渣或水 浆，5 一第一段，6 一第二段，7 一煤气。 表2 2 几种典型气流床气化炉的性能及煤气组成比较 项目k t 常压气s h e l l 气化炉p r e n f l o 气化炉t e x a c o 气化e g 够气化 化炉炉炉 供料方式 干煤粉干煤粉干煤粉水煤浆水煤浆 气化压力肝a o 14 52 1 4 气化温度 1 5 0 0 1 6 0 01 4 0 01 3 2 0 1 4 2 0 氧气消耗量( k g k g 0 7 3 0 9 3o 8 煤) 煤 c o6 4 36 5 16 3 94 9 33 8 5 气 h 22 7 12 5 62 4 43 6 o4 1 4 组c h 4o 1o 0 lo 4o 1 1 成c 0 2 6 9o 84 4 1 2 8 1 8 4 6 n 2o 98 0 36 5 7o 91 4 8 热值( k j m 3 ) 1 1 0 4l l1 0 81 1 2 4l o 2 1 煤气产率( m 3 k g 1 5 7 1 5 2 3 5 煤) 6 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 碳转化率 9 0 9 9 9 99 7 冷煤气效率 7 0 8 0 8 07 7 7 9 热煤气效率 8 89 5 单炉最大规模 2 0 0 0l 1 0 0 2 2 0 0 ( t d ) 2 1 2 国外水煤浆气化炉的发展现状 国外的水煤浆气化炉以c h e v r o nt e x a c o ( t e x a c o ) 、g l o b a le g a s ( d e s t e c ) 为主 【8 1 。美国t e x a c o 于2 0 0 2 年初成为c h e v r o n 公司一部分，2 0 0 4 年5 月被g e 公司 收购。其开发的水煤浆气化工艺是采用浓度为6 0 - 6 5 的水煤浆，用纯氧作气化 剂，气化压力在3 0 8 5 m p a 之问，气化温度约为1 4 0 0 c ，液态排渣，煤气成份 c o + h 2 为8 0 左右，不含焦油、酚等有机物质，对环境无污染，碳转化率9 6 - - 9 9 ， 气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤适应范围较宽。目前 c h e v r o nt e x a c o 最大商业装置是t a m p a 电站，属于d o e 的c c t - 3 ，1 9 8 9 年立项， 1 9 9 6 年7 月投运，1 2 月宣布进入验证运行。该装置为单炉，日处理煤2 0 0 0 - - 2 4 0 0 吨，气化压力为2 8 m p a ，氧纯度为9 5 ，煤浆浓度6 8 ，冷煤气效率7 6 ，净 功率2 5 0 m w 。喷嘴、气化炉、激冷环等为t e x a c o 水煤浆气化的技术关键。从已 投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看，由于工程设计和操作经验的不完善， 还没有达到长周期、高负荷、稳定运行的最佳状态，存在的问题还较多。至于 g l o b a le g a s 气化炉，目前已建设两套商业装置：l g t i ( 气化炉容量2 2 0 0 t d ， 1 6 0 m w ，2 8 m p a ，1 9 8 7 年运行，1 9 9 5 年停运) 与w a b a s hr i v e r ( - - 台炉，一开一 备，单炉容量2 5 0 0 f f d ，2 6 2 m w ，2 8 m p a ，净发电效率( h h v ) 为3 8 9 ，1 9 9 5 年投运) 。炉型类似于k - t ，分第一段( 水平段) 与第二段( 垂直段) 。在第一段中， 两个喷嘴呈1 8 0 度对置，最高反应温度约1 4 0 0 c 。为提高冷煤气效率，在第二 段中，采用总煤浆量的2 5 进行冷激，反应温度约1 0 4 0 0 ，出口煤气进火管锅 炉回收热量。熔渣自气化炉第一段中部流下，经水冷激固化，形成渣水浆排出。 e - g a s 气化炉采用压力螺旋式连续排渣系统。其气化技术缺点为：二次水煤浆停 留时间短，碳转化率较低；设有一个庞大的分离器，以分离一次煤气中携带灰渣 与二次煤浆的灰渣与残炭。美国p o r ta r t h u rg c cv r o j e c t 计划采用e g a s 气化技 术气化石油焦，并于2 0 0 5 年建成3 台气化炉，生产的煤气用于发电( 1 1 0 0 m w ) 。 2 1 3 国内水煤浆气化炉的发展现状 目前国内水煤浆气化炉主要有：t e x a c o 气化炉和四喷嘴对置式气化炉。2 0 0 4 年科技部立项“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”正在进行中，近2 0 年来我国共引进1 0 余台t e x a c o 气化炉。t e x a c o 气化炉应用厂家较多( 渭河、淮 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 化等) ，技术经过国内厂家几年摸索已相对成熟。2 0 0 5 年，中石化在南京的金 陵石化和南化采用t e x a c o 气化技术分别建成投产水煤浆气化装置，由于生产稳 定，可以连续开车5 0 天以上。四喷嘴对置式气化炉由华东理工大学洁净煤技术 研究所研发，“九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程 公司承担了国家重点科技攻关项目“新型( 多喷嘴对置) 水煤浆气化炉开发”( z 2 吨煤天装置) ，中试装置的结果表明：有效气成分 8 3 ，比相同条件下的c h e v r o n t e x a c o 生产装置高1 5 也个百分点；碳转化率 9 8 ，比c h e v r o nt e x a c o 高2 3 个百分点；比煤耗、比氧耗均比c h e v r o nt e x a c o 降低7 。“十五”期间多喷嘴 对置式水煤浆气化技术已进入商业示范阶段。四喷嘴对置式气化炉目前只有德州 华鲁恒升和山东国泰化工使用，虽然开车初期出现些问题，但经过一段时间运行， 目前在各项指标均达到或超过t e x a c o 气化炉。特别是对大型化气化炉，多喷嘴 表现出了更好的优点，其压力等级主要是4 0 m p a 、6 5 m p a 。国内自主知识产权 的新型煤气化示范装置已在建设之中，技术特点是：四喷嘴对置的水煤浆气流床 气化炉及复合床煤气洗涤冷却设备；分级净化的煤气初步净化工艺；蒸发分离直 接换热式含渣水处理及热回收工艺。待示范成功，将扭转我国煤气化技术长期依 赖进口的局面，为发展我国的洁净煤技术奠定良好的基础。 2 1 4 水煤浆气化炉对喷嘴性能的要求 喷嘴是煤气化技术中最关键的技术之一，它直接决定了其工艺的效能和系统 的稳定。一般而言，对水煤浆气化喷嘴有如下要求【9 】： 1 雾化效果好；好的气化喷嘴，雾化颗粒细度要小，颗粒大小尽量均匀。这样， 在气化过程中煤颗粒和氧气的接触面积才会加大，扩散阻力就小。因为在气 化炉条件下，气化过程是靠扩散控制的，扩散阻力小，反应速度才会加快。 此外，流量密度分布均匀，和氧气混合充分。如果在局部地方出现氧气过剩， 过剩的氧气会和碳反应生成c 0 2 ，此外也会和气化产物发生反应，从而使产 物气体的有效成分( 地+ c o ) 减少。而氧气不足的地方，则会出现未反应完 全的碳粒，从而降低了碳转化率。 2 喷嘴的最佳工作状态应与气化炉匹配：在设计参数状态下，经喷出的煤浆与 氧气的张角( 喷嘴的雾化角) 应该合理，不得直接冲刷到耐火砖。雾炬射程 也应该合理，反应高温区位置不能太长也不能太短，以避免对耐火砖及喷嘴 本身带来不利的影响。 3 操作弹性大：要能够满足开车时的低负荷、正常生产时的满负荷以及单炉运 行时必要的超负荷( 5 0 - - 1 3 0 ) ，在操作范围内应保证其工作性能。 4 使用寿命长：在保证工作性能的前提下，最大限度地延长使用寿命，以确保 装置的长周期稳定运行及经济运行效能。 g 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 总之，对水煤浆气化喷嘴的评价，可以通过对喷雾液滴平均粒径、喷雾直径 分布、雾化角和液雾流量密度分布等指标的测定来获得，但最终是以生产中的工 艺指标来评定。 2 1 4 1 国外气化喷嘴 日本专利4 2 1 7 7 0 4 ( 1 9 9 2 年) 年公布的双通道外混式气化喷嘴( 见图2 3 ) 。 喷嘴中间通氧气，环形通道通水煤浆、预热燃料以及预混合空气。 抛币置畚_ 奎i l 牌 象攀蒜删喇翻。 图2 3 日本开发的气化喷嘴示意图【l ” 美国专利4 3 6 4 7 4 4 ( 1 9 8 2 年) 公布了一种预混式水煤浆气化喷嘴。在水煤浆 气化炉中，采用外混式平口喷嘴时，可以防止喷嘴端部被烧毁( 氧气和燃料之间 的混和反应均发生喷嘴外一定距离) ，但是存在的问题是燃烧的不稳定及效率低， 比如气化装置开始运行1 0 个小时内，多次会出现以下问题：( 1 ) 反应室顶部的 温度上升很快，而底部温度不上升或上升很慢；( 2 ) 有效气产率下降，而c t h 含量增加；( 3 ) 颗粒尺寸和未转化固体增加。当操作压力提高时，以上这些变化 发生更快。为了解决这个问题，可以通过改变喷嘴结构来获得燃料和氧气的良好 混合。 该专利公布的预混式喷嘴可以有多个预混室。图2 4 ( a ) 为一级预混双环喷 嘴。氧气从中心通道2 0 进入预混室2 5 内( 1 0 0 - - 6 0 0 英尺s ，1 0 0 - - - 6 0 0 * f ， 7 6 - 4 5 0 0 p s i a ) ，和从环形通道1 7 出来的水煤浆( 或其它固体碳氢化合物的液相 浆状燃料，2 - 2 0 f e e t s ，室温5 0 0 ，7 6 - - 4 5 0 0 1 0 l s i a ) 混合，最后通过出口2 3 高速喷 出。在混合室内，发生热交换( 氧气和水煤浆之间，喷嘴外部高温气体和水煤浆 之间) ，水煤浆中2 - 8 0 的水分蒸发。喷嘴四周有冷却管，端部有环形冷却通道 2 4 。喷嘴出口气浆多相混合物的速度为1 5 0 - - 3 5 0 f e e t s ，高于火焰传播速度。预 混室内气浆多相混合物温度必须低于自燃温度。煤浆初始温度低于其压力下水的 饱和温度。水煤浆和氧气可以互换通道。图2 4 ( b ) 为喷嘴出口的另外一种形式， 没有冷却系统。图2 4 ( c ) 中所示为在喷嘴出口内侧嵌入耐磨材料，如硅碳化合 物或钨碳化合物，以提高喷嘴寿命。 9 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 萋国回 图2 4 美国开发的气化喷嘴示意图i l l 】 2 1 4 2 国内气化喷嘴 华东理工大学在专利9 7 2 3 5 4 5 8 1 ( 1 9 9 9 年) 公布了一种五通道负荷可控式水 煤浆气化喷嘴( 见图2 5 ) 。其中两组通道通燃料，三组通道通气化剂，配有冷却 系统。通过开启和关闭某一燃料通道及其对应的气化剂通道，可以大幅度调节负 荷。气化剂在水煤浆膜两侧形成双面震荡，从而有效地改善喷嘴的雾化性能。以 水煤浆为燃料时，浓度可以为5 8 , - - 7 5 。气化剂可以为氧气、空气或富氧中的一 种，气化剂在喷嘴出口处的速度为3 0 3 4 0 m s ，燃料在喷嘴出口处的速度为 o 1 l o m s ，氧气与燃料中的碳量之比为o d 1 6 n m 3 k g ，操作压力为常压- 1 2 m p a 。 以5 8 7 5 的水煤浆为燃料，9 9 8 的富氧为气化剂，试用后( 1 ) 负荷调节范围 可以到达5 0 ( 2 ) 有效气( h 2 + c 0 2 ) 含量比当时技术提高1 ( 3 ) 有效气产率 为1 7 3 n m 3 k g 干煤，比当时技术提高2 - 4 ，比氧耗( 1 0 0 0 n m 3 有效气的氧气 耗量) 为3 8 2 0 n m 3 n m 3 ，比当时技术降低2 , - 4 ，碳的转化率为9 7 5 ，比当 时技术提高了3 。 图2 5 华东理工大学开发的气化喷嘴示意图i l 可 西北化工研究院公布的专利2 0 0 4 2 0 0 4 1 9 8 0 1 ( 2 0 0 5 年) 为一种多原料浆气化 喷嘴( 如图2 6 所示) 。该喷嘴结构简单，使用寿命长，加工、组装及维修方便。 其中心管1 进多原料浆，环形通道2 进气化剂。多原料浆和气化剂在喷嘴头部 的入射夹角为2 0 - - - 5 0 。水冷套夹管3 上设有一个冷却水引入管4 。气化喷嘴以 陕西神府煤为原料，制成浓度为6 0 - - - 6 2 的多原料浆( 水煤浆) ，气化剂为氧气。 煤元素分析( 干基) ：c 为7 0 8 0 ，h 为4 8 5 ，n 为0 9 0 ，s 为0 4 0 ，o 为 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 1 2 0 9 。煤高热值为2 8 0 7 0 k 3 k g 。气化压力为4 0 m p a ，气化温度：1 3 5 0 - , 1 3 8 0 。c 。 经过该喷嘴气化，生成的合成气组成为( 体积) ：c 0 4 6 2 3 ，1 - 1 2 3 5 7 6 ，c 0 2 1 7 5 0 ， n 2 + a r 0 3 8 ，h 2 s + c o s 0 1 3 。产气率为2 0 0 n m 3 k g ，比氧耗为4 0 5 n m 3 1 0 0 0 n m 3 ( c o + h 2 ) ，比煤耗为6 1 0k g 1 0 0 0 n m 3 ( c o + h 2 ) ，冷煤气效率7 3 5 ，碳转化率9 8 0 。 a a 图2 6i h i ：l t ；化工研究院开发的气化喷嘴示意图切 2 2 雾化性能的表征及粒径的预测 2 2 1 喷嘴雾化性能指标 对于喷嘴的性能，我们主要从三个方面进行比较：雾化能力、负荷调节性及 其耐用性。其中，喷嘴的雾化能力及雾化性能是考察喷嘴优劣的最重要因素。考 察喷嘴的雾化性能通常有很多指标，如：雾滴尺寸、雾化均匀度、雾滴速度、雾 滴数密度、液雾体积流量以及液雾体积通量等【l ”。 ( 1 ) 雾滴尺寸 雾滴尺寸的评定方法主要有以下几种： 质量中间直径以；( m m d ) 石= 鬻 它的定义是：大于或小于这个直径的雾滴的质量各占 r o s i n - r a m m l e r 分布则： d 。5 = d 。( i n 2 ) ”= d 。( 0 6 9 3 ) ” ( 2 1 3 ) 5 0 。如果按 ( 2 1 4 ) d e 的物理意义是表示大于尺寸d e 颗粒占总颗粒体积份额的3 6 8 时所对应的 颗粒直径。 容积一表面平均直径( 索太尔直径s m d ) 。它的定义是：假定一群雾滴大小均 相同，其直径为d s ，这群假定雾滴的表面积和体积与真实雾滴的表面积和体积 之比相等，即 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 1 垒m v o d ? ：逝 m v o d ；石n i d ； s m 劂。= 渊 ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) 其中：n i 一直径为d i 的液滴数 n o - - 平均直径为d s 的液滴数 由s m d 的定义可以知道，它最能反映出真实的雾滴群的蒸发条件，因此最 能反映燃烧及干燥属性，因此在液态工质雾化中得到了广泛的应用。本文亦主要 应用雾滴的s m d 来考察喷嘴雾化性能的好坏。 ( 2 ) 雾滴尺寸分布 雾滴尺寸分布通常用于考察雾滴的雾化均匀度。其具体表示方法有许多中， 主要分为两类：图示( 曲线) 法及数学函数表达式法。 图示( 曲线) 法 图示法中最为简单的是直方图，横坐标为雾滴的直径，纵坐标是在直径 ( 硪一等 历 ( 威+ 警 范围内的雾滴相对数量，或相对质量。如果a d 取值很 小，直方图可变为反映雾滴尺寸分布特性的频谱分布曲线或累积分布曲线。频谱 分布曲线是微分曲线，表示雾滴的数量，相对质量、相对面积、相对体积在单位 尺寸范围内的变化曲线。该曲线有一最大值，若最大值与最小雾滴直径越接近， 则表示雾滴直径分布约均匀。累计分布曲线则是频谱曲线的积分图，表示小于给 定尺寸雾滴的相对数量、相对面积、相对容积、相对质量。 数学函数表达式法 数学函数表达式法是在有限次的雾滴尺寸的测量数据上通过拟合关联起来 的。数学关系表达法通常有：r o s i n - - r a m m l e r 分布，高斯分布( 正态分布) ，对 数正态及上限对数正态分布等表达式【1 5 】。 r o s i n - - r a m m l e r 分布函数主要从重量或容积累积分布曲线着手来总结试验 数据，认为液滴累积曲线比分布密度曲线对液滴尺寸和数量变化的反应迟钝一些 【，r o s i n - - r a m m l e r 等人在经过大量的试验进行并进行统计回归分析后，给出 如下的颗粒重量分布累积公式【”】： 卜“叫“；( 2 一1 7 ) i 巴= 1 一o ，= p “； 式中，中，一液滴直径小于d 。的重量( 体积) 份额 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 一液滴直径大于d 。的重量( 体积) 份额 由公式组( 2 5 ) 可以推导出最大相对重量分布密度、此密度对应颗粒直径、 体面积平均直径、比表面积等重要参数。利用r o s i n - - r a m m l e r 分布函数推导出 的各重要参数表达式形式比较简单，在雾化试验的分析中也得到广泛的应用。 其它分布是以概率论为基础的，表明了雾滴尺寸产生的随机性。这些分布表达式 较复杂，不如r r 分布简单实用。 ( 3 ) 雾滴数密度 是指在单位采样体积内含有的雾滴的数目。 ( 4 ) 液雾体积流量 是指在单位时间内通过采样体单位探测截面的液体体积。 ( 5 ) 液雾体积通量 是指在单位时间内通过采样体单位探测截面积的液体体积。 其中雾滴尺寸和雾滴尺寸分布对着火燃烧的性能影响较大，是评价喷嘴性能 最为重要的质量指标。 2 2 2 喷嘴雾化粒径预测模型 由于喷嘴雾化过程的复杂性，雾化的机理还不是很清楚，影响因素众多，大多 数的研究都旨在给出可供实际应用的经验模型。一般是在实验数据的基础上，利 用数学方法将其拟合成符合实验用喷嘴及其一定范围工况内的雾化粒径预测半 经验公式，部分数学模型如下： ( 1 ) v a r g a 模型【1 8 1 v a r g a 等人研究了两通道圆柱射流的雾化过程，认为液体表面张力、气体 速度等是影响雾化质量的重要因素，在实验数据及雾化情况观察分析的基础上得 出s m d 的预测公式： 。、。o 6 8 y “2 ( 岛4 盯” s m 。2 p 3 4 u s ( 二l + 历笠二型) - u t u s ( 2 1 8 ) ( 2 ) r i z k 模型1 9 】 黜z l 【等人研究了预膜喷嘴( p r e f i l m i n g n o z z l e ) 的雾化过程，在试验研究了气 相速度、气液比、初始液膜厚度等参数变化对雾滴平均直径和粒径分布的影响， 结果表明随着初始液膜厚度的增加，雾化效果明显变差，且对水和煤油而言满足 下述关系： s m d 占”8 ( 2 1 9 ) 由实验结果确定雾化边缘液膜厚度的无因次方程为： 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 竺：1 3 2 r e ，如，“8 d 。1。(2-20) 研究结果发现，随着液体工质粘度的增加及流速的增加，雾化边缘液膜厚度增加， 而随着气体流速及气体密度的增加，液膜厚度随之减小，从而使雾化效果得到改 善。 ( 3 ) s o n i a o 模型【2 0 】 s e m i a o 等对l e f e b v r e 提出的预膜式喷嘴s m d 计算公式的研究发现，该雾化粒径预 测公式的计算值与测量值差近一个数量级，于是提出对预膜式喷嘴雾化过程s m d 的预测可分为两部分：低粘度液体雾化s m d 。( 由阡馓决定) 和高粘度液体雾化 s m d 2 ( 由喷嘴几何特征参数与0 h 数决定) ： 蚴= 1 5 8 x 1 0 a i 。一。 t o 5 d 。谢w “5 阻川 舶6 老丌p o u l ，a o1 j ”以(