气流床气化炉内熔渣流动、传热传质及相变行为的模拟研究

摘要

大规模气流床煤气化技术是当前最有前景的煤炭清洁利用技术之一，液态排渣是影响气流床煤气化炉稳定运行的主要因素之一。气流床煤气化炉在运行过程中，经常出现因为排渣不畅，而需要采取降负荷、升高炉温等方式来保证气化炉的稳定运行的情况。
　　 气流床煤气化炉内大部分熔融灰渣颗粒沉积到炉膛壁面，在壁面上形成流动的渣层，并从气化炉下部的排渣口流出。渣层在向下流动过程中与炉内合成气、颗粒以及壁面进行复杂的热质交换、并在与壁面传热过程中有可能冷却凝结。气流床煤气化炉运行在高温高压条件下，受到观测手段的限制，难以直接对气化炉内的壁面沉积以及渣层流动、传热传质和相变等行为进行实验观测，尚没有掌握气化炉壁面渣层行为规律。因而，对气流床煤气化炉壁面渣层行为进行研究具有重要的理论意义和现实意义。本文系统全面综述了气流床煤气化炉壁面渣层行为相关的研究，系统全面总结了我国各煤种在还原气氛中形成的煤灰渣物性的研究成果，进而以理论分析、数值模拟和模拟实验为手段对气流床煤气化炉内渣层行为进行了深入的研究。
　　 在我国煤种的灰渣中，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO这5种组分占灰渣质量的90％左右，对灰渣物性起主要作用。SiO2是煤灰渣中含量最多的氧化物，SiO2含量和流动温度(FT)之间没有明确的对应关系。通常Al2O3含量在煤灰渣中占第二位，Al2O3含量增加，FT显著升高。绝大多数我国煤种的灰渣中，CaO3含量低于30％，CaO含量增加，FT降低。Fe2O3含量增加，FT降低。MgO对FT的影响与CaO类似。将国内常用的煤灰渣FT预测准则关联式的计算值与测量值进行比较后，推荐了适合国内煤种灰渣的最佳的FT预测准则关联式。对煤灰渣黏温特性进行了分析，将煤灰渣黏温特性预测准则关联式的计算值与测量值进行了比较，并对玻璃体渣、塑性渣和结晶渣分别推荐了最佳的黏温特性预测准则关联式。对灰渣的密度、导热系数、比热容和辐射系数也给出了经验值或经验关联式。
　　 气流床煤气化炉壁面渣层和合成气是伴有热质传递、相变和自由界面的复杂多相流动。对各种常用的自由界面追踪方法进行研究比较后，选择VOF方法追踪渣层与合成气之间的自由界面。在对气流床煤气化炉内渣层和合成气之间的流动、传热传质和相变行为进行详细分析的基础上，本文首次提出了基于VOF方法的描述气流床煤气化炉内渣层和合成气流动、传热传质和相变行为的数理模型，并分别对实验室规模的Texaco气流床煤气化炉和某工厂实际运行的Texaco气流床煤气化进行了模拟研究。Texaco气化炉内渣层厚度由上至下逐渐增加，由于灰渣黏度大，渣层表面几乎没有波动。但是在气化炉下部的锥体段，由于流通面积减少，气体流速增加，气体扰动增强，在气体的影响下，渣层表面出现轻微的波动。耐火砖导热系数低，通过耐火砖的热流通量小，渣层内的温度梯度小，渣层在向下流动过程中，渣层平均温度逐渐升高。炉膛温度升高时，渣层温度升高，渣层黏度降低，渣层流速增加，在相同沉积量下，渣层厚度减薄。气流床煤气化炉内存在贯穿整个气化炉的大回流和局部小回流，回流对炉内渣层流动影响较小，但对渣层换热有重要影响。
　　 虽然基于VOF方法的渣层模型的计算精度高，能够对渣层行为进行深入研究，但是其计算量大，计算耗时长，仅适合于基础研究，不方便工程中使用。考虑到工程需要，本文又建立了单独描述气流床煤气化炉内渣层行为的数理模型，并发展了相应的算法。模型中包括渣层表面颗粒沉积、渣层表面反应以及渣层流动、传热传质和相变等过程，模型中首次考虑了渣层表面反应对渣层行为的影响。模拟发现在采用对置喷嘴布置的两段式干煤粉气流床气化炉和Shell气流床煤气化炉中渣层表面反应速率高，渣层表面反应对渣层行为和气化炉碳转化率有重要影响。而在Texaco气流床煤气化炉中，由于渣层表面反应速率低，渣层表面反应中消耗的碳少，可以忽略渣层表面反应的影响。模拟发现，在水冷壁结构的气流床煤气化炉中，适当降低氧煤比可以增加固态渣层厚度，更好的保护水冷壁，但氧煤比过低，会导致气化炉碳转化率降低，渣层含碳量明显增加，甚至会引起排渣不畅，影响气化炉运行。因而，选择合适的氧煤比对气流床煤气化炉的稳定运行，获得良好的经济效益有至关重要的作用。灰渣黏温特性是决定气流床煤气化炉排渣效率的重要因素，对渣层行为有重要影响，最好选择灰渣为“长渣”的煤种作为气流床煤气化的原料煤。
　　 搭建了气流床煤气化炉壁面沉积实验系统，分别对采用两通道喷嘴和三通道喷嘴的气化炉壁面沉积规律进行了研究。对于两通道喷嘴，气体流量增加，壁面沉积量增加；液体流量增加，壁面沉积量增加；喷嘴气体流量和液体流量同时按相同比例增加，壁面沉积量增加。三通道喷嘴在喷嘴中心通道和外环通道气体比例不变的情况下，气体流量增加，壁面沉积量增加；液体流量增加，壁面沉积量增加；喷嘴气体流量和液体流量按相同比例同时增加，壁面沉积量增加。其他条件不变的情况下，中心通道气体流量增加壁面沉积量减少，外环通道气体流量增加壁面沉积量增加。气化炉上部的壁面沉积量比下部的壁面沉积量要小得多，喷嘴工况改变时，气化炉上部壁面沉积受到的影响要比下部壁面沉积受到的影响要小。
　　 搭建了模拟气流床煤气化炉壁面颗粒沉积和渣层流动、传热传质和相变行为的实验系统，以十二醇模拟炉内熔融灰渣，对渣层表面沉积以及渣层的流动、传热传质和相变行为进行了研究。实验发现：喷嘴十二醇流量增加，壁面沉积量增加，液膜温度升高，固态层厚度减少；喷嘴气体流量增加，液膜扰动加剧，液膜和气体和水冷壁的换热强化，液膜温度降低，固态层厚度增加；储罐中十二醇的温度和水冷壁温度降低，都会使液膜温度降低，但是储罐中十二醇的温度对液膜的影响要远大于水冷壁温度对液膜的影响。喷嘴工况改变时，液膜温度变化规律比固态层厚度要复杂的多，其中在距溢流口40cm左右的水冷壁表面的固态层厚度和液膜温度的变化最为复杂。采用本文建立的单独描述渣层行为的数学模型对伴有沉积、相变和复杂热质传递的降膜进行了模拟，固态层厚度的计算值与实验值的平均差别在13．2％左右。计算得到的液膜温度与实验值的变化规律一致，提出的渣层模型具有较好的计算精度。

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 液态排渣及以渣抗渣

1.3 煤气化技术简介

1.3.1 煤气化技术发展概述

1.3.2 气流床煤气化技术

1.4 文献综述

1.4.1 气流床煤气化炉内多相流动、化学反应和传热传质

1.4.2 煤灰渣物性

1.4.3 气流床煤气化炉壁面渣层行为数理模型

1.4.4 气流床煤气化炉壁面熔渣沉积模拟实验研究

1.5 本课题的研究目的和内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 本文研究内容

1.6 本章小结

参考文献

第二章 国内煤种灰渣物性研究

2.1 煤灰渣熔融特性

2.1.1 煤灰渣熔融性的测量

2.1.2 国内部分煤种灰渣熔融特性整理

2.1.3 煤灰渣成分与流动温度的关系

2.1.4 煤灰渣流动温度预测准则关联式

2.2 煤灰渣黏温特性

2.2.1 煤灰渣黏温特性的测量

2.2.2 煤灰渣成分与黏温特性的关系

2.2.2 煤灰渣黏温特性预测准则关联式

2.3 煤灰渣其他物性

2.4 本章小节

参考文献

第三章 基于VOF方法的渣层行为数理模型

3.1 基于VOF方法的渣层行为数理模型

3.1.1 自由界面追踪方法

3.1.2 VOF方法

3.1.3 控制方程.

3.1.4 表面张力与壁面黏附力

3.1.5 气液界面剪切应力

3.1.6 湍流模型

3.1.7 近壁区的处理

3.1.8 辐射模型和相变模型

3.1.9 网格划分和控制方程的离散化

3.2 与文献值的对比

3.3 三维大直径圆管内气液两相降膜行为模拟

3.3.1 计算对象和边界条件

3.3.2 管内降膜形成过程中的液膜行为

3.3.3 降膜稳定时的气液两相换热

3.4 气流床煤气化炉局部渣层-合成气行为模拟

3.4.1 计算对象及边界条件

3.4.2 计算结果及分析

3.4.3 基于VOF方法的描述气流床煤气化炉渣层行为模型的模拟方案

3.5 实验室规模的Texaco气流床煤气化炉渣层行为模拟

3.5.1 模拟对象及工况

3.5.2 计算结果及分析

3.6 实际运行的Texaco气流床煤气化炉渣层行为模拟

3.6.1 模拟对象及工况

3.6.2 网格及控制方程离散

3.6.3 计算结果及分析

3.7 VOF方法用于高黏度渣层模拟总结

3.8 本章小节

参考文献

第四章 气流床煤气化炉壁面渣层模型

4.1 模型简介

4.2 渣层表面颗粒沉积和渣层成长

4.3 渣层表面反应

4.3.1 渣层表面颗粒分布

4.3.2 渣层表面反应动力学

4.4 渣层流动、传热传质和相变模型

4.4.1 渣层质量守恒方程(渣层厚度计算)

4.4.2 连续性方程

4.4.3 动量方程

4.4.4 能量方程

4.5 模型运用

4.5.1 简化和假设

4.5.2 渣层表面颗粒数的计算

4.5.3 计算流程

4.6 本章小结

参考文献

第五章 气流床煤气化炉壁面渣层行为模拟

5.1 灰渣物性假设

5.2 两段式干煤粉气流床煤气化炉壁面渣层行为模拟

5.2.1 计算对象及边界条件

5.2.2 计算结果

5.3 Shell气流床煤气化炉壁面渣层行为模拟

5.3.1 计算对象

5.3.2 边界条件

5.3.3 计算结果

5.4.本章小结

参考文献

第六章 气流床煤气化炉内颗粒沉积实验研究

6.1 实验装置与实验方法

6.1.1 实验装置及原理

6.1.2 实验段及壁面沉积的收集方法

6.2 两通道喷嘴气化炉壁面沉积实验

6.2.1 实验时间及实验稳定性

6.2.2 喷嘴气体流量对壁面沉积的影响

6.2.3 喷嘴液体流量对壁面沉积的影响

6.2.4 按相同比例同时改变喷嘴液体流量和气体流量对壁面沉积的影响

6.3 三通道喷嘴气化炉壁面沉积实验

6.3.1 实验时间的确定

6.3.2 喷嘴气体流量对壁面沉积的影响

6.3.3 喷嘴液体流量对壁面沉积的影响

6.3.4 按相同比例同时改变喷嘴的液体流量和气体流量对壁面沉积的影响

6.3.5 喷嘴中心通道和外环通道气体分配比例对壁面沉积的影响

6.4 本章小结

参考文献

第七章 熔渣沉积以及渣层流动、传热传质和相变的模拟实验研究

7.1 实验系统

7.1.1 实验装置及原理

7.1.2 实验段

7.2 溢流槽流量确定

7.3 伴有相变的降膜研究(无颗粒沉积)

7.3.1 实验时间的确定

7.3.2 溢流槽流量对液膜的影响

7.3.3 十二醇温度对液膜的影响

7.4 仅有颗粒沉积条件下水冷壁表面相变实验研究

7.4.1 喷嘴倾斜角度对壁面沉积的影响

7.5 伴有颗粒沉积的壁面降膜研究

7.5.1 喷嘴倾斜角度对液膜的影响

7.5.2 喷嘴十二醇流量对液膜的影响

7.5.3 喷嘴气体流量对液膜的影响

7.5.4 按相同比例同时改变喷嘴气体流量和液态流量对液膜的影响

7.5.5 水冷壁温度对液膜的影响

7.5.6 十二醇温度对液膜的影响

7.6 伴有沉积、相变和复杂热质传递的降膜现象的数值模拟

7.7 本章小节

参考文献

第八章 结论与展望

8.1 全文总结

8.2 对未来工作的展望

作者简介

博士期间发表学术论文

致谢