气流床气化炉综合模型及颗粒粒径对气化结果的影响研究

采用颗粒停留时间分布表征炉内颗粒流动,建立了一种考虑了炉体结构、颗粒粒径以及煤焦反应动力学的气流床气化炉综合模型,其中包含了煤脱挥发份、均相反应、非均相反应、气-固相能量方程、相间传热等子模型。模拟结果与多喷嘴对置式水煤浆气化炉工业运行数据吻合良好,考察了气相组分、温度以及不同粒径颗粒的碳转化率和温度在炉内的一维无因次分布。对模拟结果的分析表明:煤颗粒的预热、脱挥发份和燃烧过程在约30 ms内完成,气化过程占颗粒反应历程的绝大部分;气化炉内100μm以下的小颗粒升温速率快,且温度较高,碳转化率基本接近100%;而200μm以上的大颗粒升温速率较慢,碳转化率较低,影响了气化炉整体碳转化率。     

煤炭气化气流床气化炉的数学模拟

简要介绍了煤炭气流床气化的原理，总结了到目前为止煤炭气化气流床气化炉数学模拟情况，包括简单平衡模型和动力学模型（一维或多维），给出了这些数学模型模拟的主要内容（对气化过程流化力学、热力学、化学反应和质量、能量及动量平衡考虑情况）和模型的主要结论，以及典型气流床气化炉的模拟煤气组成和煤炭转化率数值与实验值或实际操作值的比较情况，结果显示主要组分模拟误差较小。     

气流床气化炉操作温度的探讨

通过探讨气化炉操作温度的影响因素,建议依据气化炉型、煤质、目标产物煤气组成等主要因素,建立气流床气化炉操作温度评价模型,为气化炉运行提供直接的适宜的操作温度,旨在延长气化炉的运行周期和使用寿命,提高气化装置运行的经济性。     

气流床气化炉炉体三维传热模型研究

从通用三维传热模型出发,研究了气流床气化炉炉体的三维传热模型,应用有限差分法进行了求解,以德士古气体炉炉体为具体实例,研究了炉内温度、环境温度、耐火砖的导热系数变化对气化炉炉壁温度造成的影响。结果表明,该方法可以有效地计算出气化炉炉体上任意一点的温度,为气化炉的设计、运行,维护提供理论依据。     

气流床气化炉停留时间分布的随机模型

基于气流床气化炉流动特征 (区域模型 ) ,进行状态离散 ,建立停留时间分布随机模型。模拟结果与实验值相符 ,显示气化炉内是随机过程 ,证实炉内存在回流和短路 ,流型趋向于全混流     

分级供氧气流床气化炉冷态流场的数值模拟与实验研究

采用标准k-ε湍流模型,运用SIMPLE算法对分级供氧气流床气化炉炉内的流场进行了数值模拟,并对实验测量结果与数值模拟结果进行比较,得到两者吻合的结果。通过对模拟结果进行分析,发现炉膛内存在回流区,并不是一个简单的平推流;二次喷嘴的开启对喷嘴所在面的流场有较大影响;同时二次喷嘴的高度对炉内流场分布也有影响。     

双出口分级气流床气化炉内颗粒速度和浓度分布

煤炭分级利用是煤炭高效低碳利用的主要途径之一,提出一种同时制备热解气和合成气的分级气流床气化炉,炉体上部为煤热解室,下部为煤焦气化室。采用PV6M颗粒测速仪对气化炉内固体颗粒的速度和浓度分布进行测量,并运用CFD软件对气化炉内气固两相流场进行模拟。结果表明,在射流发展区域与射流碰撞后的折射流发展区域,颗粒速度较高;边壁区域颗粒速度较低且出现回流现象。在惯性和气流曳力作用下,热解室内大部分颗粒自流进入气化室。热解室上部径向颗粒浓度中心高边壁低;气化室下部径向颗粒浓度中心低边壁高。热解室与气化室进气量比、喷嘴角度及颗粒直径等对气化炉出口颗粒流出量分配有重要的影响。热解室进气量增大,颗粒从热解室出口流出占比先减小后增大;热解喷嘴偏转角与颗粒Stokes数增大,颗粒从热解室出口流出占比减小。     

双出口分级气流床气化炉内颗粒速度和浓度分布

煤炭分级利用是煤炭高效低碳利用的主要途径之一,提出一种同时制备热解气和合成气的分级气流床气化炉,炉体上部为煤热解室,下部为煤焦气化室。采用PV6M颗粒测速仪对气化炉内固体颗粒的速度和浓度分布进行测量,并运用CFD软件对气化炉内气固两相流场进行模拟。结果表明,在射流发展区域与射流碰撞后的折射流发展区域,颗粒速度较高;边壁区域颗粒速度较低且出现回流现象。在惯性和气流曳力作用下,热解室内大部分颗粒自流进入气化室。热解室上部径向颗粒浓度中心高边壁低;气化室下部径向颗粒浓度中心低边壁高。热解室与气化室进气量比、喷嘴角度及颗粒直径等对气化炉出口颗粒流出量分配有重要的影响。热解室进气量增大,颗粒从热解室出口流出占比先减小后增大;热解喷嘴偏转角与颗粒Stokes数增大,颗粒从热解室出口流出占比减小。     

基于混合模型的气流床气化炉建模

为了提高在煤质改变及工艺参数波动条件下气流床气化炉出口结果的预测精度,分别采用机理模型、广义回归神经网络（GRNN）模型以及混合模型对气化炉进行建模,其中混合模型由GRNN模型和机理模型构建,结合两种不同的煤样对三种模型的预测结果进行分析。结果表明：三种模型均可以较好地对气化过程进行模拟;其中在煤种固定的情况下混合模型关于气化温度和CO、CO₂及H₂含量的预测误差为0.18%和0.25%、1.72%及0.43%,与机理模型和GRNN模型相比误差更小;在煤种改变的情况下混合模型关于出口气体结果的预测最接近实际生产数据,误差为0.81%和0.11%、2.53%及0.42%。证明混合模型在煤种改变及工艺参数波动条件下可以有效地对气化过程进行模拟,在很大程度上提高了机理模型和GRNN模型的预测精度。     

撞击式气流床技术在新型气化炉中的应用

论述了发展先进气流床气化技术的必要性,介绍了了水煤浆的气化过程、撞击流技术的特点及其在新型气化炉中的应用。     

Numerical study on the coal gasification characteristics in an entrained flow coal gasifier

The coal gasification process of a slurry feed type, entrained-flow coal gasifier was numerically predicted in this paper. By dividing the complicated coal gasification process into several simplified stages such as slurry evaporation, coal devolatilization and two-phase reactions coupled with turbulent flow and two-phase heat transfer, a comprehensive numerical model was constructed to simulate the coal gasification process. The k– turbulence model was used for the gas phase flow while the Random-Trajectory model was applied to describe the behavior of the coal slurry particles. The unreacted-core shrinking model and modified Eddy break-up (EBU) model, were used to simulate the heterogeneous and homogeneous reactions, respectively. The simulation results obtained the detailed information about the flow field, temperature and species concentration distributions inside the gasifier. Meanwhile, the simulation results were compared with the experimental data as a function of O₂/coal ratio. It illustrated that the calculated carbon conversions agreed with the measured ones and that the measured quality of the syngas was better than the calculated one when the O₂/coal ratio increases. This result was related with the total heat loss through the gasifier and uncertain kinetics for the heterogeneous reactions.     

旋流在气流床气化炉中的应用

在气流床气化炉内高温高压的环境下,气固混合是影响气化炉效率的重要因素,而旋流在强化气固混合方面已在燃烧中得到广泛使用,文中综述了旋流在气流床气化炉中的应用。首先介绍了旋流的数学描述,包括旋流的概念,旋流N-S方程的表示方法以及其解析解,旋流的解析解均是在一定假设前提下得到的,具有一定的局限性;其次,介绍了旋流的特性和生成方式,主要通过切向入口、旋流叶片和机械旋转引入旋流;然后介绍了旋流在气化炉中的应用,包括喷嘴旋流和炉膛旋流2种,并结合具体结构展示了旋流的作用,主要有增强混合和便于排渣;最后对旋流在气化炉中的应用进行了总结和展望。     

基于气流床气化炉熔渣结构的黏度预测

在煤气化工艺中,煤灰高温黏度特性是影响熔渣流动特性重要参数之一。以NBO/T、P/M为结构参数,建立熔渣高温黏度预测模型,对结构参数、熔渣黏度的关系进行了研究,并通过文献的实验数据验证了模型的准确性。研究发现随着NBO/T的增大,熔体聚合程度降低,熔体流动时内摩擦力减小,黏度降低;随着P/M增大,熔体结构强度减弱,熔体流动所需要克服的阻力增加,熔渣黏度逐渐升高。引入结构参数后的熔渣黏度预测模型对一定范围内的熔渣黏度具有良好的预测效果,在NBO/T < 0.5时,黏度预测值和实验值误差在10%以内,采用两种结构参数均可;在NBO/T > 0.5时,黏度预测值和实验值误差在25%以内,采用结构参数P/M更合适。     

A mathematical model of a spouted bed gasifier

A mathematical model of the spouted bed gasifier has been constructed based on simplified first order reaction kinetics for the gasification reactions and the stream tube hydrodynamic model of Mathur and Lim. This two region model treats the spout as an isothermal plug flow reactor with cross flow into a series of streamtubes forming the annulus. Each streamtube is considered as a plug flow reactor. The effects of kinetic and hydrodynamic parameters on model predictions are illustrated, and a comparison made with experimental gas composition profiles obtained in a 0.30-m dia. gasifier.     

气流床气化炉反应模型在实时优化(RTO)中的应用

以多喷嘴对置式气化炉为研究对象,采用未反应芯收缩核模型为联泓公司煤制甲醇装置气流床气化过程进行建模,采用ROMeo软件实现全厂实时优化。结果表明:气化炉的模拟结果与工厂运行数据基本吻合,气化炉有效气CO和H2组分工厂数据与模拟结果的相对误差均小于2%;ROMeo的模拟、数据整定和优化等功能保证了在线实时优化的成功实施,避免了气化炉氧气的过量消耗,可确保合成气中有效气(H₂和CO)的产出和分布最有利于下游生产;可使甲醇产量从123740 kg/h增加到124190 kg/h,甲醇纯度从95.4%提高到95.7%。经核算,实时优化可使联泓公司的收益提高1.6%,效益增量达800万元/a。     

On the scaling-up of a two-stage air blown entrained flow coal gasifier

A two-stage air blown entrained flow gasifier is being developed in Japan for the IGCC process. However, its scale-up up faces significant difficulties because of ash/slag deposition problems. The ash/slag deposition in the gasifier depends on both the ash properties and entrainment produced by the swirling gas flow. Therefore, the flow hydrodynamics are critical issues for the control of the ash behavior. In this paper, a comprehensive simulation model is used to examine the effects of the gasifier geometry and jet configuration on the flow hydrodynamics in order to control the ash deposition on the gasifier walls. A swirl number for the multi-stage injection swirling gas flow is defined and proved to be the most important hydrodynamic scaling law for the entrained flow gasifier.     

多喷嘴对置式水煤浆气化炉内火焰声学特性分析

气化炉内火焰声学信号是表征水煤浆气化炉内火焰燃烧及流动特性的重要信息。为了更好地了解气流床气化炉内撞击火焰的燃烧特性及其对气化炉的影响,在多喷嘴对置式气流床气化炉中,进行了两喷嘴撞击火焰和四喷嘴撞击火焰的变工况试验。应用统计理论和Hilbert-Huang变换对炉内火焰声学信号分别进行了时域和频域的分析。结果表明,随着燃料或氧气的增大,火焰化学反应速率加快,燃烧越来越剧烈,火焰的稳定性越来越差,其中氧气对火焰的影响大于燃料。四喷嘴工况的撞击火焰噪声的标准偏差值要大于两喷嘴,但标准偏差随工况的变化小于两喷嘴,说明四喷嘴撞击火焰燃烧剧烈但稳定。低氧燃比工况时,四喷嘴能量和频率的分布主要集中在45 Hz以下的低频段和45～100 Hz的中频段,比两喷嘴工况更集中于低频段。