（热能工程专业论文）气流床燃烧气化及壁面熔渣沉积特性的数值模拟.pdf

气流床燃烧气化及壁面熔渣流动特性模拟 摘要 论文研究内容来源于国家重点基础研究发展计划 9 7 3 ”项目：“大规模高效气流床煤气化技术的基 础研究”一一子课题“高粘度煤灰熔渣流动、相变和传热规律研究”( 课题编号：2 0 0 4 c b 2 1 7 7 0 6 ) 。本 文主要研究炉内温度分布，出口煤气成分，以及煤颗粒的停留时间和壁面灰烬沉积率，这些都是气流 床大规模煤气化的关键技术之一。 本文使用c f d 商业软件进行数值模拟。在以西安热工院自主研究设计的二段式干煤粉加压气化炉 上为对象，本文进行了数值模拟计算。利用现场运行参数设置模拟条件，得出气化炉的温度梯度、出 口煤气成分及内部气流运动规律。基于标准工况，研究气化过程的影响囡素，主要研究了网格琉密、 二段给煤比、氧煤比、颗粒的分布和煤种等因素的影响，还对p d f 燃烧模型进行了对比。根据影响因 子，找出操作的最佳参数，为气化炉大型化提供操作条件的设置依据。 本子课题主要研究煤灰熔渣流动规律，因此本文还对煤颗粒进行了重点研究，首先深入掌握煤颗 粒在炉内运动的模拟方法，以及煤熔渣的物理特性。然后通过数值模拟得出颗粒运动的轨迹，然后进 一步得出煤灰在炉肇的沉积分布图。从而为课题组其他成员的熔渣流动研究提供了必备条件。 通过数值模拟和现场操作结果对比，本文能很好地再现了气化炉的煤气化过程，模拟数据与现实 数据的误差控制在1 0 以内，属于可接受的范围，圆满地完成了研究目标。 关键词：煤气化；气流床；数值模拟；煤颗粒运动；多相流的运动与燃烧 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d y i n gc o n t e n ti sf r o mt h en a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a m ( a l s oc a l l e d9 7 3p r o g r a m ) t h e t o p i co fp r o g r a mi s ”t h e f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fl a r g e - s c a l ea n dh i g h - e f f i c i e n c ye n t r a i n e df l o wc o a l g a s i f i c a t i o np r o c e s s ”i t ss u b - t i f f e di s ”f l o wo fh i g hv i s c o s i t ys l a g ，h e a tt r a n s f e ra n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n r e s e a r c h ”( n o ：2 0 0 4 c b 2 1 7 7 0 6 ) t h i sp a p e rs p e c i f i c a l l ys t u d i e st h et e m p e r a t u r ep r o f i l ei nt h eg a s i f i e r , t h e o f f - g a sc o m p o n e n t s , r e s i d e n c et i m eo fc o a l a s hp a r t i c l ea n dd e p o s i t i o na c c r e t i o nr a t e t h e s ea r e k e y t e c h n o l o g yo fe n t r a i n e df l o wg a s i f i c a t i o n f i r s tt h i n gi st os t u d ym a t h e m a t i c a lm o d e lo fn z m a r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e nu s i n gc f dc o m m e r c i a l s o f t w a r et os i m u l a t e t h ep a p e rs i m u l a t e sat w o - s t a g ed r yc o a lg a s i f i e ri nx i a n u n d e ro p e r a t i o np a r a m e t e r s ， t h ep a p e rg e t st h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t , o f f - g a sc o m p o n e n ta n dg a sm o v e m e n ti ng a s i f i e r t h ep a p e rs t u d i e s t h ep a r a m e t e r sw h i c hc o u l da f f e c t t h eg a s i f i c a t i o n , s u c ha st h eg - ds e n s i t i v i t y , c o a ld i s t r i b u t i o n , a i rr a t i o ，c o a l p a r t i c l e ss i z e ，c o a lt y p ea n do t h e rf a c t o r su n d e rt h es t a n d a r do p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h ep a p e ra l s os m d i e s d i f f e r e n tc o m b u s t i o nm o d e l s a c c o r d i n gt of a c t o r sa f f e c t , t h ep a p e rs e a r c h e s , c o m p u t e sa n da n a l y s e so ft h e b e s to p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rs e t t i n g 叩h r g e - s c a l eg a s i f i e m t h ea s s i g n m e n to fp r o g r a mi sa s hs l a gf l o w , s op a p e re s p e c i a l l yr e s e a r c h e sc o a lp a r t i c l e s f i r s t l yp a p e r d e e ps t u d i e st h em o d e lo f t h ec o a lp a r t i c l e sm o v e n l l n ti nt h eg a s i f i ha n dt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i e so fc o a l s l a g t h e nu s i n gn 衅m e f i c a ls i m u l a t i o n , t h ep a p e rg e t st h el o c u so fp a r t i c l em o v e m e n ta n da s hd e p o s i t i o n d i s t r i b u t i o np r o f i l eo nt h ew a l l i tp m v i d e sf o ro t h e rg r o u pm e m b e r sw i t hs l a gf l o wa san e c e s s a r yo p e r a t i o n c o l l d i t i o n r e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l do p e r a t i o n s , t h ep a p e rc o u l db eav e r yg o o dr e a p p e a r a n c eo f g a s i f i c a t i o np r o c e s s t h ee r r o rb e t w e e ns i m u l a t i o na n dr e a l i t yi sc o n t r o li n1 0 w i t h i na c c e p t a b l el i m i t s i t m e e t st h ed e s i r e o ft h es u c c e s s f u ls t u d y k e y w o r d s ：c o a lg a s i f i c a t i o n ；e n t r a i n e d - f l o wg a s i f i e r ；, n 朋m c r i c a ls i m u l a t i o n ；m o v e m e n to f c o a lp a r t i c l e s ； m o v e m e n ta n dc o m b u s t i o no f m u l t i p h a s e ； 气流床燃烧气化及壁面熔渣流动特性模拟 4 l ，4 2 ，4 3 常数，无因次 以 收到基灰分，w 4 颗粒表面积，m 2 c c 2 f ，c h经验常量 c ， 收到基碳，w c a s e # 数值模拟的c a s e 号，无因次 s i o k c s 曳力公式的c u n n i n g h a m 修正 c o 一氧化碳在气体占有的摩尔比，v c 0 2 二氧化碳在气体占有的摩尔比，v c p c d b d ， 颗粒比热，j k g - k 经验常量，无因次 平均直径，m 第i 组微粒直径，m 颗粒直径，m 符号表 煤灰熔融特征温度变形温度，1 0 ， 煤灰熔融特征温度流动温度，1 旷 入射辐射，w m 2 表示由平均速度梯度而产生的湍流动能 k 的产生项 对流给( 传) 热系数，w m z k 氢气在气体占有的摩尔比，v 水在气体占有的摩尔比，v 收剑基氢，w v 颗粒焓，k j 煤灰熔融特征温度半球温度x 1 0 3 c 辐射强度，w m 2 空气干燥基水分，w 颗粒质量，k g 颗粒初始质量，x 挛 全农分，w 微粒直径分布指数，无因次 氮气在气体占有的摩尔比，v 收到基氮，w 收到基氧，w 颗粒中组分i 的粘结概率 壁表面的粘结概率 对流传热量， 收到基高位发热量，m j k g 炭氧化放热量， 收到基低位发热量，m j k g 辐射传热量， 蒸发潜热量， 热解升华热量， 相对雷诺数( 颗粒雷诺数) ，无因次 非均相碳的氧化反应速率，a o l s 胛 ， 虬 唧 弘 。 虬 虬 q 懈 姚 瓯 幺 办 缈 k w 盯 g q 。 也 蹦 以 东南大学硕士学位论文 r ，颗粒化学反应而引起的质量变化率，k f j s j 0水份的蒸发速率，m o l s 凡热解挥发速率，r o l s s s s i ， s r s t 耳 t l “ 与实际颗粒具有相同体积的球形颞粒的 表面积，m 2 实际颗粒的表面积( 索太尔中径3 2 s ) ， m 2 用户自定义的源项 煤灰熔融特征温度软化温度，x 1 0 3 c 全硫，w 颗粒温度，k 颗粒自身的温度，取决于煤粉颗粒的性 质，k 壁面温度c i ) ，取决于壁面的性质，k 连续相的当地温度，k 流体相对速度，m s v i 颗粒速度，m s p 0 干燥无灰基挥发分，w 查篮主堡 耗散率，m 2 ，s 3 暑， 以 颗粒黑度( 辐射率) ，无因次 辐射温度 湍动能，m 2 s 2 气体分子平均自由程 斯蒂芬孙一玻尔兹曼常数， 5 6 8 * 1 0 - s w m 2 c 流体密度，k g m 3 颗粒密度( 骨架密度) ，k g m 3 与湍动能k 方程的对应p r a n d t l 数 与耗散率c 方程的对应p r a u d t l 致 流体动力粘度，p a s 空间立体角 i a p 一 q q 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了 谢意。 研究生签名：逸 e 1 期：圣孽! 呸1 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：丝导师签名： 、节 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 本章主要叙述了本课题研究的时代背景，前人已经发表的论文和研究成果，我国在煤 气化方面的进展和发展空间，以及国家对该课题的支持。同时还阐述了本论文主要的研究 内容。 1 1 引言 能源短缺、人口激增、环境污染是当今世界各国都要面临的三大社会问题。煤炭是世界上储量最大、 分布最为广泛的能源资源，我国的煤炭资源也十分丰富，煤储簧达1 万吨以上。占所有的能源的7 0 。 我国是世界上最大的煤炭产出国和消费国，而且在未来相当长的一段时间内，我国以煤为主的一次能源 结构不会有较大的改变；然而由于大量煤炭的长期非高效，非洁净利用，造成煤炭资源的极大浪费和生 态环境的严重恶化，并对能源，经济和环境的和谐发展构成了严重的威胁。能源问题己经成为我国经济 和社会可持续发展的主要制约因素之一，急待解决1 l l 解决问题的关键是让煤炭得到清洁利用。煤炭气化是煤炭清洁利用的重要途径，因此，大力开发和 利用高效、清洁的煤气化技术对于提高我国的能源利用效率，减轻能源短缺的压力，改善生态环境有着 重大意义。石油危机以来，美、欧及日本等发达国家大量投资开发煤气化工艺，如美国的“洁净煤技术 示范计划( c c t p ) ”，日本和欧共体“洁净煤的发展计划” 2 1 。目前，煤气化技术，特别是高压，大容 量的气流床技术在国际上已经进入商业化阶段，这是当今世界煤气化技术的发展趋势，我国还处于起步 阶段，需要研究学者和工程技术人员潜心研究。 中国的煤炭资源丰富，油气匮乏，当前国内环境污染严重，能源利用效率低。把煤转化为一种清洁 的能源，实现煤的洁净高效利用，可以很好解决这些制约我国经济和社会可持续性发展的瓶颈。而气流 床煤气化是现在最清洁的煤利用技术，是沽净煤技术的龙头和关键。煤气化技术，尤其是高压、大容量 气流床气化技术，显示了良好的经济和社会效益，代表着未来发展趋势。【3 l 就目前而言，工业化的气流床相关技术均为国外公司所垄断，水煤浆加压技术有t c n 、i k s t e c 气 化工艺，干煤粉加压技术有g s p 、s h e l l 、p r e n f l o 气化工艺。f 1 8 0 年代末，我国花费大量外汇，相继引进 了2 l 套以水煤浆为原料的t e x a c o 气化装置，其中第一套建于兖矿鲁南化肥厂经过1 0 多年的运行，已经 积累了丰富的工程经验，并且在工艺和技术上有了诸多改进和提高m ，此后上海焦化厂、陕西渭河煤 化工公司、安徽淮南化工总厂、浩良河化肥厂和中石化金陵石化公司又相继引进了t e x a c o 水煤浆气化技 术。近年来，s h e l l 司以其更为先进的粉煤加压气化技术积极抢占中国市场，现在有1 5 多套s h e l l 干煤粉气 化工艺设备在建或已签合同，已经在湖北应城、湖南洞庭、广西柳州、安徽安庆等地新建日处理9 0 0 - 2 0 0 0 吨煤粉煤气化装置，其中湖北双环项目己于2 0 0 6 年建成投产。嗍 作为煤炭资源大国，为了摆脱国外技术的垄断，国家正积极组织力量，投入巨额资金，在国家“八 五”、“九五”和“十五”攻关、8 6 3 、9 7 3 等科技计划的支持下，通过国内企业、科研单位和高校联合 攻关，已开发具有自主知识产权的水煤浆加压气流床气化技术、干煤粉加压气流床气化技术和灰融聚流 床气化技术。其中多喷嘴水煤浆气化技术己达到1 0 0 0 t d 级规模，干煤粉气化技术已进行了3 6 t d 规模的 中试，灰融聚流床气化技术达到了百吨级规模，这标志了我国自主的煤气化技术正在逐步缩小与世界先 进水平距离，相信在未来几年内将迈向工业化。正是在这样的国情下，国家设立了9 7 3 科研项目：。大 规模高效气流床煤气化技术的基础研究加大基础理论研究力度全面掌握具有自主知识产权的煤气 化技术以满足国家实现可持续性发展和广阔的煤炭清洁利用的市场需求。 煤气化主要应用于以下几个方面：( 1 ) 生产燃料煤气，通过不同的气化方法，可以制得低、中、高 3 种热值煤气，以满足钢铁工业、化学工业、联合循环发电和民用等不同对象要求。( 2 ) 生产合成气， 用作合成氨、合成甲醇和甲醚以及合成油的原料气。( 3 ) 生产氢，煤气化制氢将是未来氢能的主要技术 东南大学硕士学位论文 路线。 1 2 研究综述 本论文主要研究的是为i g c c 服务的煤气化技术，主要对i g c c 系统、煤气化过程和炉内气化与 壁面熔渣的相关文献综述分析 1 2 1i g c c 系统 整体煤气化联合循环( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，l g a ) 发电技术是将煤气化技术和高 效的联合循环相结合的先进动力系统。越来越多的实践证明：i g c c 是最有发展前景的洁净煤发电技术。 美国、西欧、日本等国相继提出并推行洁净煤的计划。根据相关资料，d o e 自1 9 8 6 年开始实施洁净煤 计划以来，经过长达9 年，在5 轮竞争性的论证后，目前共选中4 5 个项目，项目总投资近6 9 7 亿美元，其 中l g c c 占的份额最大 - q 。欧、日也在进行i g c c 的试验研究。发达国家的试验研究都已经取得了较好的 成果，正在往大规模化发展，现在正在建造和拟建的l o c c 项目有近三十个 i g c c 系统多数由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气一蒸气联合循环发电部分。第一部 分的主要设备有气化系统、空分装置、煤气净化设备( 包括硫的回收装置) ，第二部分的主要设备有燃气 轮机发电系统、余热锅炉、蒸气轮机发电系统。i g c c 的主要工艺过程如下：煤粉经过气化成为中低热值 煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气 轮机燃烧做功，燃气轮机捧气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸气驱动蒸气轮机做功。嗍 根据我国煤多油少的资源现实和环境问题日趋严重的现实国情，电力行业已经开始评估、研究、试 验和应用各种洁净煤发电技术，i g c c 就是其中主要攻关项目之一。我国已经决定在山东烟台建立一个 3 0 0 m w - 4 0 0 w m 量级的i g c c 示范电站。华能集团下属公司绿色煤电公司已经决定在天津建设l g c c 项 目，投资2 2 亿元、年发电1 5 亿千瓦时、年销售收入7 5 亿元的节能环保项目2 5 万千瓦级i g c c 示范电站 及绿色煤电技术国家实验室落户天津滨海新区。 影响i g c c 过程总效率的诸多因素中，以煤气化效率的影响最为显著，在其他因素不变的情况下， 煤气化效率每提高l ，i g c c 的总效率可提高约0 5 。因此，煤气化技术的选择应尽可能有利于整个 i g c c 系统总效率的不断提高，并尽快向最优化靠近。气化炉的问题是i g c c 电站长期运行的主要症结。 经济有效地将煤转化为煤气并从中去除有害物质成为示范电站评判的关键。下面将具体介绍煤气化工艺 过程原理，并指出适宜在l g c c 中使用的方案 1 2 2 煤气化技术 煤气化目前存在流化床、气流床、移动床、熔融床等煤气化工艺类型。对它们各自特点的介绍如下： 一、移动床煤气化 移动床煤气化也称固定床煤气化。移动床煤气化工艺是逆流反应过程，煤从气化炉顶部加入，气化 剂从炉底送入。气化过程进行比较完全，灰渣中残炭少，气化效率高，是一种理想的气化方式。燃烧区 内，碳与0 2 发生燃烧反应生成c 0 2 和c o ，这些高温气体作为载体向上面各反应区提供热量并参与反应。 鲁奇炉( l u r g i ) 是典型的加压固定床气化技术，技术成熟，能利用高灰分煤并且能在2 4 1 m p a 压力下 运行，适合合成液体燃料，可节约投资和能耗，鲁奇炉的产品气适合做城市煤气。鲁奇炉生产合成气时， 气体成分中甲烷含量高( 8 9 扣1 0 ) ，且生产流程长，投资大，因此，鲁奇气化炉不适宜生产合成气。i g , t o l 二、流化床煤气化 流化床煤气化技术是粉煤气化的主要方法，其主要特点有：气化剂从底部鼓入，炉内的煤粒被气化 剂流化起来，在一定温度下发生煤的气化反应。流化床气化过程易于控制，有利于大规模生产，但由于 流化床煤气化过程偏低的操作温度和较多的粉尘含簧、灰渣含碳鼍，其仅适_ i 于活性高的褐煤、年轻的 第一章绪论 烟煤。另外，为了回收利用飞灰和灰渣，还需要建立辅助的沸腾燃烧炉，设备复杂。 常见的流化床气化炉有温克勒( w i n l d e r ) ，灰团聚( u - g a s ) 、循环流化床( c f b ) 、加压流化床( p f b 是p f b c 的气化部分) 以及中国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉等。目前较成功的流化床 气化炉有鲁奇公司开发的循环流化床( c f b ) 和中国科学院山西煤炭化学研究所研发的灰熔聚气化炉。鲁 奇公司开发的循环流化床气化炉( c f b ) 可气化各种煤，也可以_ j 碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原 料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是同定床的2 倍，碳转化率高( 9 r 7 9 幻，炉底 排灰中含碳2 3 。中国科学院山西煤炭化学研究所独立研究开发了具有国际先进水平的灰熔聚流化床 粉煤气化技术。灰熔聚炉属单段流化床，结构简单，煤种适应性宽，对煤的灰熔点没有特殊要求。缺点是 碳转化率较德士古和鲁奇炉低。怫l o j 三、气流床煤气化 气流床煤气化是指粉煤与气化剂均匀混合通过特殊的喷嘴进入反应器瞬间者火，直接发生气化反 应，火焰区温度高达2 0 0 0 ，形成液态炉渣。粉煤和气化剂在火焰中作并流运动，粉煤急速通过高温区， 来不及熔结而迅速气化，反应时间极短。在高温下，所有干馏产物都迅速分解，转变为水煤气反应的组 分，因而生成的煤气中只含有很少的c 4 气流床气化的最大特点是消除了燃料的粘结性对气化过程的 影响。气流床气化的工艺有如下特点：煤在气流床中的停留时间短，单台设各处理能力大；煤种适应性 强，原则上各种煤均可使用；出炉煤气不含焦油、酚类及重烃化合物，无污染物的排放；缺点是飞灰带 出量大，需采用循环回炉的方法提高碳转化率，出炉煤气温度高，显热损失大 德士古( t e x a c o ) 炉是水煤浆气流床气化，一种率先实现工业化的气化技术，由于其进料方式简单 工程问题较少，又有重油气化经验，近十几年来得到长足的发展，具有大的气化能力，处理煤8 0 0 t d s e s l 5 0 0 t d ，操作压力3 1 8 m p a - 6 1 5 m p a ，最大的一套处理能力达到2 4 0 0 t d t “1 。干煤粉进料气流床气化 技术其代表技术有壳牌( s h e l l ) 、p r e n t l o 等。s h e l l 采用自行研究的s c g p 工艺；p r e n f l o 工艺是常压1 0 t j 户 的继承和发展，特点为加压气化，干粉进料，与s h e l l 的s c g p 基本相同，只是炉体设计有所不同。 9 , 1 0 l 四，熔融床煤气化 熔融床煤气化也称为熔浴床气化或熔融流态床气化。它的特点是有一个温度较高( 一般为1 6 0 0 1 7 0 0 ) ，且高度稳定的熔池，煤粉和气化剂以切线方向高速喷入熔池内，池内熔融物保持高速旋转。 此时，气、液、固三相密切接触，在高温条件下完成气化反应，生产h 2 和c o 为主要成分的煤气。1 1 2 综合各种工艺比较，气流床煤气化是目前最成熟最适合于i c - c c 的煤气化技术。迄今世界上己商业 化的i g c c 大型( 2 5 0 m w 以上) 电站都是采用气流床气化炉，可见其技术优势。纵观煤气化技术发展史， 特别是近十多年来的大容量i c , - c c 电站示范与商业化运行状况均证明，与固定床、流化床相比，气流床具 有较大的煤种与粒度适应性和更优良的技术性能，是大容量、高效、洁净、运行可靠的燃气与合成气制 备装置的首选技术，高压、大容量气流床气化技术，显示了良好的经济和社会效益，代表着未来发展的 趋势 i 2 3 我国气化炉研究最新进展 针对我国煤种多、烟煤多，粉煤多、煤质变化大的特点，我国加大力度研制开发先进的煤气化技术。 在流化床( 含循环) ，煤及煤浆燃烧，两相流动与混合，传热和传质煤化学和气化反应，煤岩形态、磨 煤与干燥，高温脱硫与除尘等科学领域与工程应用等方面取得了大量研究成果，并在较短的时间内开发 出了具有自主知识产权的水煤浆气化炉和干煤粉气化炉的中试装置。 2 0 0 5 年6 月初，由华东理工大学等单位合作开发建设的四喷嘴对置式水煤浆气化工业装置运行成功。 该装置日处理煤7 5 0 1 d ，气化压力6 s m p a 。运行结果表明，该炉工艺指标优于德士古气化炉：比煤耗降 低约9 ，有效气( c o + h 9 成分高约1 ，碳转化率大于9 8 。在操作方面也有铰多优势，如激冷室液位 稳定、易于控制，带水量降低，交叉流式洗涤冷却水分布器其水均布、洗涤、冷却性能好等。至2 0 0 5 年7 月累计运行已超过6 0 0 , j , 时。目前还在进一步调试，加强稳定性改进。1 1 3 1 西安热上院自主开发的二段式干煤粉加压气化炉，于2 0 0 4 年7 月止式投运。该装置日处理煤1 5 - 4 5 “d , 3 东南大学硕士学位论文 操作压力2 0 - 2 5 m p a ，操作温度1 3 0 0 - 1 5 0 0 c 。运行结果表明，该干煤粉气化炉气化运行指标高于水煤浆 气化炉。该技术具有自主知识产权，验收达到了如下技术指标：碳转化率：9 8 9 ；有效气成份( c o + h 2 ) ： 9 1 7 4 ；冷煤气效率：8 3 2 ；其中冷煤气效率i 土s h e n 气化工艺提高了粥个百分剧1 “ 1 2 4 气流床气化和壁面熔渣 一、气流床气化 气流床气化是十分剧烈的过程气流床气化炉内气化模拟国内已经有一些研究，对于炉内温度分 布，颗粒停留时间，压力分布都有研究成果文献。国内开展这些研究主要有华东理工大学和西安热工 院，西安交通大学也有些研究1 1 4 1 。屈强等进行了炉内温度分布的研究，得到了炉内的温度轮廓分布【1 5 i 牛苗任，粱钦锋进行了炉内压力分布测试研究，通过压力诊断炉内火焰状况【l “。于广锁等进行了炉内 颗粒停留时间的数学模拟，得出了与实验较吻合的结果i l ”。华东理工大学主要研究的是一段式下流对 撞式水煤浆气化炉，而西安热工院主要研究的是二段式上流干煤粉气化炉。 二、熔渣物理特性 煤中除了碳氢化合物可燃成分以外，含有硅、铝、铁、钙、硫、钠等所组成的各种形式的无机矿物 质。矿物质的主要成分是s i 0 2 ，a 1 1 0 3 ，f e _ 0 ，c a o ，大体上以页岩、高岭土、碳酸盐、硫酸盐、氧化 物形式存在。气化时煤中的无机矿物质及金属有机物便形成了残渣，这残渣就是平常说的灰渣或煤灰。 灰渣的组成极为复杂，除以氧化物形式存在外，还有的以硅酸盐、硅铝酸和硫酸盐等多种形态的化合物 存在。所以灰渣成分中各种氧化物按其含量多少，大致次序如：s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e z 0 3 ，c a o ，m g o ，n a 2 0 ， k ：o 等。表1 2 为我国几种典型煤种的灰渣成分。l l q 表1 1 煤的灰渣成分 成分( ) s i 0 2a 1 2 q c a o m g of e 2 0 3 f e 0 n a 2 0 + 酷，o 无烟煤灰渣4 5 4 92 沪2 72 81 3l l 一2 21 - 6 烟煤灰渣 3 0 4 61 5 4 03 2 0o 一55 3 5o _ 3 5o 一5 褐煤灰渣 2 0 6 0l o 一3 05 4 0o 1 01 0 3 00 - 3 0o 1 5 泥煤灰渣 2 0 - 5 0l o 一3 0 5 4 0 0 一1 0 5 3 0 o - 3 0 0 - 1 0 油页岩灰渣2 0 5 01 0 2 01 5 4 00 - 45 一l oo 一2 三、结渣过程研究 结渣是一种非常复杂的现象，美、英、德等国家早在上一世纪就对其形成机理作了大量研究工作， 但至今尚无定论。这方面的研究大致可分为五个方面： ( 1 ) 各种煤( 包括混煤) 的结渣特性。近年来总结出许多有关煤灰物理特性和煤灰成分特性的结渣 经验判别指标来，直接提供工程应用，来判别煤种的结渣性能强弱和分析结渣趋势。其中煤灰物理特 性包括煤灰的熔点温度、灰渣粘度、烧结温度、渣形特征等，煤灰成分特性包括碱金属氧化物含量、 铁钙比、碱酸比和洁污指数等【1 9 - 2 0 。由于单一的灰渣特性参数无法准确地判别结渣趋势，人们采用模 糊数学、神经网络等各种方法，综合使用结渣经验来判别指标，来提高判别准确性 2 2 1 。 ( 2 ) 煤中某种矿物质或元素对结渣的影响作用 2 3 , 2 。q 。这是正确预测结渣积灰的基础，同时为通过 洗煤、混煤来控制灰问题提供依据。这方面的研究是在大量试验的基础上开展的，主要集中在含f e 元素的矿物质，另外也有一些研究碱、气化铝咧。 ( 3 ) 灰渣特性。这些知识对于灰渣对锅炉运行性能影响是必不可少的，这方面研究的内容十分丰 富，如灰渣导热特性、粘结特性、灰渣成分，灰渣的结构等【2 6 , 2 5 ( 4 ) 飞灰的研究。飞灰中含有大量微细颗粒，它不但使除尘器难以分离并造成空气污染，而且这 些微细颗粒往往是引起燃烧室受热面粘污的根源之一特别是它很容易被粗糙的金属表面所网罗，形 4 第一章绪论 成良好的隔热层，逐步形成结渣并使传热恶化。通常这些微细飞灰的主要来源有三：一是灰分中可挥 发性物质在火炬高温下挥发成烟气，在冷却过程中冷凝成微细颗粒，其直径大多在零点几微米以下； 二是原煤在破碎成煤粉时所形成的超细煤粉，其直径小于3 嘶咖；气化后形成的微细飞灰，其直径通 常小于l o u m ；三是在煤粉气化过程中，原煤因挥发物析出或气化反应产生强大的力使得煤粉破裂 而成微细碎片。这方面研究目前多集中于飞灰颗粒大小尺寸分布、飞灰中物质成分、飞灰结块形状0 2 8 2 9 1 。 ( 5 ) 各种气化条件对结渣的影响。结渣不仅与煤质有关，也与气化条件有密切相关。于是就出现了 六角切圆、四角切圆、循环流化床、鼓风炉、w 炉气化，层燃和煤粉气化等不同气化条件下的结渣研 究。 3 0 3 2 l 1 3 本文研究的内容 本论文主要研究干煤粉加压气化炉内多相流燃烧气化与壁面熔渣沉积特性的数值模拟。本论文具 体研究炉内煤气化的过程、炉内温度分布、出口煤气成分及煤粒停留时间、壁面分布、煤灰沉积率； 这些都是气流床煤气化的关键技术之一这些至今都未见有关研究的报道，本论文研究将填补此方面 的空白。 本课题主要是对西安热工院的2 4 枷的中试气流床装置的数值模拟，主要内容有： 1 )建立气流床的几何模型，计算不同精度的网格，选择最佳网格进行计算。 根据现场中试装置运行参数，模拟气流床气化炉内气化，壁面熔渣沉积特性。并与现场结果 对比，验证计算方法正确性。 7 设计c a s e ，对参数变化引起的模拟结果变化进行研究，得出最佳方案，并研究得出最佳参数 选择的依据。 4 1 通过模拟炉内气化过程，得出煤的灰烬在壁面沉积情况，为本课题组其他成员提高研究数据， 促进整个项目的完成。 5 东南大学硕士学位论文 第二章模拟对象与几何建模 本章重点介绍本论文模拟的具体对象，论文模拟对象为国电西安热工研究院有限公司 自主设计的新型二段式加压气流床气化炉。模拟炉内气化与壁面熔渣沉积，为以后的大型 化作理论上的准备。 2 1 西安热工院气流床概况 气流床气化炉分为有水煤浆加压技术和干煤粉加压技术。其中干法进料的加压氧吹气流床气化炉 具有单炉处理能力强、煤种适应性广、碳转化率高、冷煤气效率高和高负荷调节性好等优点，代表了 今后煤气化技术的重点发展方向之一。国电西安热工研究院有限公司提出了一种新型的二段式加压气 流床气化炉( 如图2 1 ) ，在科技部和国家“8 6 3 ”和八五计划的支持下，该院对该气化炉进行了详细的 研究和炉体开发设计。中试装置建在陕西渭化集团，运行很稳定，2 0 0 6 年6 月通过了科技部的运行验 收，该炉具有完全自主的知识产权论文以此炉作为研究对象，模拟炉内气化与壁面熔渣沉积验证 本论文研究方法的正确性，为以后的大型化作理论上的准备 渣 图2 1 两段式气化炉的结构 气 图2 2 气化炉几何结构尺寸 本文模拟对象为2 4 t d 的气流床气化炉，几何结构尺寸如图2 2 。气化炉的外壳为一直立圆筒。炉 膛分上炉膛和下炉膛两段。下炉膛是第一反应区，主要发生燃烧反应，为一个两端窄中间宽的腔体， 四个喷嘴对称的设置，其中2 个为点火喷油喷嘴，对称布置；2 个为气化喷嘴，对称布置，出渣口设 定在下炉膛底部高温段，采用液态排渣，在下炉膛内壁面上设有用于回收部分热量的水冷壁；上炉膛 为第二反应区，主要发生还原反应，高度较长，在炉膛的侧壁上开有2 个对称的二次粉煤和水蒸气进 口，同时在炉膛内壁上也设有用于回收热量的水冷壁。在工作时，由气化炉下段喷入干煤粉、氧气( 纯 氧或者富氧) 及蒸气，所喷入的煤粉鼍占总煤粉量的7 0 - 8 5 ，在上炉膛喷入过热蒸气和粉煤，所 喷入量占总煤量的1 5 - 3 0 。整个装置的煤粉是采用高压n 2 进行密相输送的。 该装置中二段炉膛主要有两种作用：其一是代替循环合成气使温度高达1 4 0 0 的煤气急冷至大约 9 0 0 c ：其二是利埘f 段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率。在下段中， 6 第二章模拟对象与几何建模 煤粉液化并且和氧气迅速反应产生高温的燃气，同时提供热量给c - h 2 0 和c - c 0 2 这些吸热反应。在上 段中，煤在环境下液化并主要产生氢和一氧化碳，也可能产生少量的二氧化碳。燃烧室工作在造渣模 式下，煤微粒边燃烧边随气流作用飞向擘面t 多数会被在燃烧室的周壁捕捉，燃烧然后熔化，形成熔 融的灰层。燃烧室的入口表面覆盖有一层难容物质，以保证熔融的煤灰平滑的流过。一段和二段底部 布有冷却水管，在二段底部有少量熔渣，二段的中上部基本没有熔融的灰。l 2 2 计算区域和网格划分 已经了解了模拟的对象几何结构，下面就是对模拟对象进行模拟过程，首先要进行c f d 工作的前 期几何建模，这是一个十分重要的工作，直接影响后面的数值模拟部分。 2 2 1 网格建模软件的选择 在用f l u e n t 对实物建立计算模型并计算之前，首先要读入实际物体的几何模型和网格模型。本 课题使用g a m b i t 软件创建几何模型和网格模型。g a m b i t 目前是面向f l u e n t 软件中晟好的前置 处理器，面向c f d 分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。借助功能灵活， 完全集成的和易于操作的g u i 界面，g a m b i t 可以显著减少c f d 应用中的前置处理时间复杂的模 型可直接采用g a m b i t 固有几何模块生成，或由c d c e 等高级几何画图软件建模后导入。高度自 动化的网格生成工具保证了最佳的网格生成，如结构化的、非结构化的、多块的、或混合网格。当前 最新版本为g a m b i t 2 3 ，本论文使用的版本是g a m b i t 2 2 3 0 。 相对于i c e m - c f d 、g r i d g e n 、c f x - b u i l d 、c f d - g e o m 等软件，g a m b i t 软件具有以下特点 3 4 1 ： 1 ) a c l s 全面的三维几何建模能力：在g a m b i t 里面直接建立集合模型通过多种方式直接建立 点、线、面、体，而且有强大的布尔运算能力，可以直接建立形状非常复杂的曲面，这一功 能大大领先于其他c a e 的前处理软件 2 ) 与大多数主流。如，c a e 软件有直接的数据接口，可以导入p r o e 、u g 、i d e a s 、c a t i a 、 s o l i d e o r k s 、a n s y s 、p a t r a n 等软件所设计的几何体和网格。这些集合接口不仅可以 保证g a m b i t 与c a d 软件接口的稳定性和保真性，并且可以实现自动升级。同时g a m b i t 功能强大的布尔运算能力使用户可以方便地建立复杂的几何模型。 3 ) 具有强大的并且快速、自动灵活的几何、修正功能，当从接口中导入几何体时会自动合并重 合的点、线，面；并设有几何体修正工具条，使在消除短边、缝合面上的缺口、修补尖角、 除去小面、除去单独的辅助线、修补倒角时更加快捷方便。由于g a m b i t 内核版本的提高 ( a c i s r 1 2 ) ，在修补的同时，几何体的精度得以准确的保证。 4 ) 具有强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等c f d 特殊要求的高质量网格。g a m b i t 中可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体，六面体或混合网格。 5 ) 六面体核心( h e x c o r e ) 技术继成了笛卡尔网格与非结构网格的优点，可以大大节省网格 数量，提高网格质量。 6 ) 尺寸函数( s i z ef u n c t i o n ) 功能可以使用户能够自由的控制网络的生成过程、疏密程度、影 响区域，并有利于提高复杂几何的网格质量。 7 ) g t u r b o 模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等几何模型的 计算网络。 8 ) t g r i d 方法可以在极其复杂的集合区域中划分出与相邻愿域网格连续的完全非结构化网格。 g a m b i t 网格划分方法的选择是高度智能化的，当用户选择一个几何区域后g a m b i t 会根 据该几何区域的特征自动选择最合适的网格划分算法、使网格划分过程得极为容易。 9 ) 可以生成f l u e n t 、f i d a p 、p o l y f l o w 、a n s y s 等多种c f d 求解器所需要的网格。 7 东南人学硕士学位论文 2 2 2 气流床几何建模 2 2 2 1 建模过程i 捌 气化炉的几何结构和网格建立步骤如下( 标况情况下) ： ( 1 ) 打开g a m b r r 创建一个新的d b s 文件，在菜单s o l v e r - f l u e n t s 6 ，选择网格的计算方式。 ( 2 ) 在菜单o p e r a t i o n - g e o m e t r y - v o l m m e 菜单组下按尺寸绘出炉体各部分的几何形体，然后 进行几何布尔运算，把各部组装成所需的气化炉形状。 ( 3 ) 在菜单o p e r a t i o n z 0 n e s s p e c l f yb o u n d a r y t y p e s 菜单组下定义边界类型： 一、壁面( 、 r a l i ，) ：将冷灰斗底面定义为w a l l - 5 ，一段燃烧室部分定义为w a l l - 4 ，咽喉部分定义 为w a l l - 3 ，二段部分定义为w a l l 一2 ，顶部出口定义为w a l l - 1 ( 考虑到所给竖壁面温度参数分为三 个梯度，底面和顶部独立。中间取中间值，所以共定义五段) ： 二、质茸流入口( m a s s _ f l o w _ i n l e t ) ：本来设计有6 个喷嘴，有两个作为喷油，不画在网格 体中，剩余四个使用对称后，在炉体上切割出四个喷嘴口，一段为i n l e t l 1 和i n l e t l l - 2 ，二段为 i n l e t 2 - 1 和i n l e t 2 - 2 ； 三，出口( o l 删o w ) ：将二段顶面定义为出口o u t 。 ( 5 ) 在菜单o p e r a t i o n - m e s h - v o l m m e 菜单组下建立网格模型：使用非结构化网格，网格类型为 t g r i d ；i n t e r v a ls i z e 定义为0 0 5 i l l 。 ( 6 ) 点击最右下角的放大镜按钮检查网格质量。 ( 7 ) 保存d b s 文件，并用e x p o r t 输出m s h 文件。 ( a ) 整体炉体( b ) 喷嘴段( c ) 喷嘴部分 图2 3 气化炉网格 图2 3 所示为用g a m b i t 创建的标准工况下的气化炉几何模型和网格模型 2 2 2 2 使用g a m b i t 时的几个注意点： 1 ) 四个喷口需分别画出，然后移动剑指定位置。若采用位移、旋转复制等功能，则在定义边界 8 第二章模拟对象与几何建模 面的时候可能无法选中喷口的入口面。 2 ) 定义边界面时，选取特定的需自定义的界