惠生-殼牌下行水激冷氣化爐的數(shù)值模擬.pdf

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1、天然氣化工一C1化學(xué)與化工2017年第42卷惠生一殼牌下行水激冷氣化爐的數(shù)值模擬田靖，李勇斌(惠生工程(中國)有限公司，上海2叭210)摘要：利用計(jì)算流體力學(xué)方法對商業(yè)化運(yùn)行的惠生一殼牌下行水激冷氣化爐進(jìn)行三維數(shù)值模擬。采用離散相模型描述氣固相流動之間的相互作用，利用隨機(jī)軌道模型追蹤粉煤顆粒的運(yùn)動，將粉煤氣化分為水分蒸發(fā)、煤熱解、氣氣均相反應(yīng)和氣固非均相反應(yīng)等過程；運(yùn)用realiz枷e^．s模型描述氣相湍流流動；運(yùn)用組分輸運(yùn)模型以及有限速率一渦流耗散模型描述氣化過程中的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程；采用P．1模型描述氣化爐內(nèi)的輻射傳熱。研究結(jié)果表明：建立的計(jì)算模型合理準(zhǔn)確，氣化爐出

2、口有效氣含量大于90％，碳轉(zhuǎn)化率大于99％。關(guān)鍵詞：惠生一殼牌下行水激冷氣化爐；計(jì)算流體力學(xué)；粉煤氣化；碳轉(zhuǎn)化率中圖分類號：TQ545文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001—9219(2017)02．90舭氣流床煤氣化技術(shù)具有生產(chǎn)能力大，碳轉(zhuǎn)化率高，煤種適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，是煤炭清潔高效利用的先進(jìn)技術(shù)，代表了大規(guī)模煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向，其中，廢鍋流程的殼牌粉煤加壓氣化技術(shù)在中國煤化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛【l‘3】。為滿足不同用戶需求以及降低氣化裝置投資，殼牌和惠生工程共同合作開發(fā)了下行水激冷氣化技術(shù)，并在惠生(南京)清潔能源工廠建設(shè)了全球首套投煤量1000“的惠生．殼牌下行水激冷氣化裝置

3、，雙方共同擁有該技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)。與廢鍋流程的殼牌粉煤加壓氣化爐相比，惠生-殼牌下行水激冷氣化爐的主要特點(diǎn)是氣渣同向、氣化爐拱頂采用水冷壁封閉以及采用專有的水激冷技術(shù)對高溫合成氣進(jìn)行冷卻和除灰M。采用計(jì)算流體力學(xué)(以下簡稱CFD)數(shù)值模擬研究的方法能夠更加直觀地了解氣化爐內(nèi)的氣體流動和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，并且可以預(yù)測進(jìn)料條件和爐膛結(jié)構(gòu)變化對氣化爐內(nèi)氣固流動和氣化效率的影響。國內(nèi)外學(xué)者對此有較多的研究，但因氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，采用的具體計(jì)算模型有所不同睜131，Bockelie例對氣化爐建立了三維計(jì)算模型，采用了湍流模型、輻射和對流換熱模型、化學(xué)反應(yīng)模型和顆粒運(yùn)動模型等子模

4、型來模擬復(fù)雜的氣化反應(yīng)過程，獲得了較為合理的爐內(nèi)溫度和煤氣組分分布。Shi【1叫對兩段式上行水煤漿氣化爐建立了三維計(jì)收稿日期：2016一06-21；作者簡介：田靖(1986一)，男，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事能源化工技術(shù)工作，電話021—20807303，電郵tianji“g@訪son．com。算模型，采用DPM模型描述氣固相之間的相互作用，同時(shí)考慮了煤粉顆粒的水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒和氣化等過程，采用Lagrangian方法來描述離散相運(yùn)動，該模型計(jì)算的合成氣組分與根據(jù)平衡計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)十分接近，計(jì)算發(fā)現(xiàn)焦炭轉(zhuǎn)化率在一段和二段反應(yīng)區(qū)分別達(dá)100％和86％。周俊虎等

5、【111對某殼牌氣化爐建立物理模型，采用歐拉一拉格朗日方法模擬氣化爐冷態(tài)流場運(yùn)行特征，運(yùn)用非預(yù)混燃燒模型模擬計(jì)算氣化爐熱態(tài)運(yùn)行特征，分別說明了氣化爐內(nèi)冷熱態(tài)流場的分布特性。金渭龍【竭等對一種新型兩段式水煤漿氣化爐的氣化效率進(jìn)行了CFD數(shù)值計(jì)算和分析，運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)七一s模型描述氣相湍流流動，隨機(jī)軌道模型追蹤水煤漿顆粒的運(yùn)動，并以中試多噴嘴水煤漿氣化爐為建?；A(chǔ)，驗(yàn)證了氣化計(jì)算模型的準(zhǔn)確性?；谛滦蜌饣癄t工程運(yùn)用以及粉煤氣化機(jī)理深入認(rèn)知的考慮，本文主要利用CFD模擬軟件nuent對惠生一殼牌下行水激冷氣化爐進(jìn)行三維建模，研究氣化爐的流場特性、溫度場分布以及氣化產(chǎn)物組成分布等關(guān)

6、鍵特性。1建模與計(jì)算1．1研究對象及建模以首套商業(yè)運(yùn)行的惠生．殼牌下行水激冷氣化爐為研究對象，氣化爐的操作壓力為4MPa(G)，氣化劑為純氧和高壓水蒸氣，干燥后的粉煤通過高壓COz輸送，粉煤的工業(yè)分析和元素分析見表1。單噴嘴粉煤流量2．47kg／s，溫度80℃；C02、氧氣以及水蒸氣均按比例加入氣化爐。第2期田靖等：惠生一殼牌下行水激冷氣化爐的數(shù)值模擬91本文建模區(qū)域?yàn)闅饣磻?yīng)發(fā)生的主要場所即膜式水冷壁氣化室，氣化爐三維模型簡圖如圖1中(a)所示。由于氣化爐噴嘴附近存在較大速度梯度，且與氣化爐本體相比尺寸較小，將氣化爐本體和噴嘴區(qū)域進(jìn)行分區(qū)劃分網(wǎng)格，整個(gè)氣化爐模擬區(qū)域由

7、拱頂?shù)綒饣页鲈趧澐譃椴煌瑓^(qū)域。計(jì)算網(wǎng)格主要采用六面體網(wǎng)格，僅對噴嘴所在區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，通過分析比較，最終得到用于模擬計(jì)算的網(wǎng)格如圖1中(b)所示。6、b7圖1氣化爐三維模型及計(jì)算網(wǎng)格Hg．13D髀咖etryandm錨hoftlleg嬲mer1．2計(jì)算模型及方法惠生．殼牌下行水激冷氣化爐是一種典型的粉煤氣流床氣化爐。氣流床氣化過程十分復(fù)雜，所涉及的物理變化和化學(xué)反應(yīng)較多，對氣化過程的數(shù)值模擬需要建立氣固兩相的流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等模型。為了便于數(shù)值模擬，采用的主要計(jì)算假設(shè)包括【12】：(1)氣化爐為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)料流量及組成等