气化熔渣对气流床气化炉操作影响的研究进展

气流床气化技术由于采用液态排渣的方式,煤灰熔渣的性质对气化炉的操作条件和性能具有显著影响。基于煤灰熔渣对气化炉衬里的影响机理分析,从煤灰熔渣的熔融特性和黏温特性的影响因素方面探讨了气流床气化技术对煤灰化学组成的要求及确定气流床气化炉操作窗口的方法和建议,为更好地设计和改进气流床气化技术,拓展煤种适应性提供理论指导。

煤粉气流床气化炉预热燃烧特性及NO_(x)排放试验研究

煤粉预热燃烧技术已被证明是一种清洁高效的燃烧技术。针对大型燃煤机组四周空间及承重受限,提出采用结构紧凑的对冲气流床气化炉预热解煤粉并耦合燃烧的技术与系统,搭建了新型气流床气化炉预热燃烧实验台,对煤粉在气化炉内预热特性和预热燃料在燃烧室内燃烧特性进行研究,探索煤中氮元素在预热燃烧过程中的迁移和转化规律。结果表明,新型气流床气化炉预热燃烧实验系统能够自维持稳定运行,系统压力和温度波动很小;气化炉内温度梯度较大,高温区位于烧嘴平面附近,最高温度可达1115℃,而出口温度降至850℃。气流床气化炉能够为下行燃烧室稳定提供高温煤气和预热半焦;高温煤气中CO、H2、CH4质量分数(干基)分别可达13.15%、8.72%、0.78%;预热半焦颗粒相比于原煤颗粒粒径减小,原煤50%切割粒径d50=43μm,而预热半焦颗粒d50=24μm,预热后颗粒比表面积从4.05 m^(2)/g增到216.44 m^(2)/g,同时,孔容积也增大,颗粒燃烧特性得到改善;预热过程中96.33%的挥发分和40.23%的固定碳释放到高温煤气中;同时,转化到气相中的煤N达69.74%,其中47.67%转化为N_(2),其余转化为NH_(3)和HCN。预热燃料进入下行燃烧室后能够稳定燃烧,不存在着火延迟,温度分布均匀;主燃区预热燃料中的NH_(3)和HCN,以及焦炭中析出的氮大部分转化为N_(2),主燃区内没有NO生成。实验台燃烧室出口NO_(x)和CO排放质量浓度分别为143.02 mg/Nm3(6%O2)和8.17 mg/Nm3(6%O2),燃烧效率高达99.75%。煤粉经过新型气流床气化炉预热后燃烧,煤N仅有4.69%转化为NO。

气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究

煤气化工艺中,气流床气化炉内的熔渣对耐火衬里的高温侵蚀十分严重,是影响耐火衬里寿命的重要因素。在实验室条件下建立了熔渣在气化炉内沉积过程的模拟实验装置,以石蜡作为模拟介质模拟熔渣,通过改变反应条件研究了它在双喷嘴对置式气化炉内的沉积规律。结果表明:炉内渣层达到稳定状态需要一定的时间;气体温度高、流量大或模拟介质温度高均不利于熔渣沉积;模拟介质流量对熔渣沉积的影响较小;相对于水冷,氨冷更有利于熔渣沉积。

气流床气化炉水冷壁结渣特性的实验研究

搭建了小型气流床水冷壁气化炉实验平台,进行水冷壁结渣实验,验证了“以渣抗渣”的思想,为气化炉水冷壁衬里的工业应用提供理论依据.研究了炉内火焰温度、壁温、循环水量等因素对渣的分布及形态的影响,以及渣层对水冷壁的保护作用.结果表明,熔渣对炉壁保护作用明显;循环水影响着水冷壁的正常运行;炉内温度及壁温是影响渣形态和渣分布的主要因素.

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。

采用简化PDF模型分析分级气流床气化炉的气化特性

为详细研究分级气化技术的流场特点及气化性能,采用Fluent软件对山西某分级气化炉进行三维数值模拟。计算采用贴体六面体网格划分计算域以降低数值扩散,采用Realizablek-ε模型封闭湍流方程,应用离散相模型(dispersed phased model,DPM)和随机轨道模型(stochastic tracking method,STM)分别模拟颗粒气化过程和考察颗粒受湍流脉动的影响;计算根据简化PDF模型建立燃烧表以建立温度、组分等标量同混合分数间的关系,并由此计算同相气化反应过程。除此之外,还引入用户自定义函数改进了焦炭异相反应模型。通过对分级气化炉流场特性和温度等值面特征的分析,发现分级气化炉中由于二次对冲给氧射流的引入,造成了二次卷吸效应以及冲击射流效应,加强了炉内混合过程,有利于碳转化率的进一步提高。

粉煤气流床气化炉的数值模拟

应用Aspen Plus工业系统流程软件和Gibbs自由能最小化方法对粉煤气流床气化炉进行模拟.在设定粉煤气流床气化炉条件下,研究空气(O2占0.21,N2占0.79)与煤比和气化压力对有效气体(CO+H2)含量的影响.结果表明,在设定粉煤气流床气化炉温度为1500℃和碳转化率为99%的条件下,当煤进料量为3265.87kg/h,空气与煤比为4∶1时,有效气体含量最大.同时,气化压力越大,有效气体含量越大.

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 。

应用炉膛压力诊断气流床气化炉的火焰状态

气化炉是煤气化技术中的关键设备 .气化炉内火焰燃烧稳定性下降 ,会出现燃烧噪音增加、气化燃烧效率降低及熄火等现象 ,对安全性和经济性产生严重的影响 .对气流床气化炉内不同气化燃烧状态下的火焰压力信号进行了小波分析 .结果表明 ,压力信号在一定频段内的分布与气化炉内火焰燃烧的状态密切相关 ,发现随着火焰燃烧稳定性加强 ,气化炉内压力信号向高频方向移动 ,以此可以建立气流床气化炉燃烧诊断模型 .

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。

气流床气化炉的原料反应性评价、过程强化及环境影响

"富煤、贫油、少气"的能源赋存特点决定了在相当长的时期内我国煤化工与石油化工相互依存、互为补充的必要性,发展煤化工是发挥我国煤炭资源优势、降低石油对外依存度、保障我国能源安全的重要途径。论文首先对气流床气化炉的原料煤反应活性评价方法做了综述性分析,着重阐述了煤在气流床气化炉内高温、高压环境下组成、结构及性质的变化规律,并深入探讨了工艺强化带来的新的环境问题。结果表明,现有的评价方法难以真实反映出原料性质是否与气流床气化工艺相匹配,有必要对化工生产过程中气流床气化炉内的生产环境进行模拟,建立起合适的原料性质评价体系,重点探究对生产过程影响最深的气化反应活性;对气化工艺参数的强化是有限度的,一味的强化无益于化工生产,寻找工艺和技术经济指标的最优点是工艺强化的研究方向;高温、高压的气化条件下煤中的大分子有机物大多分解,使得酚类、焦油、COD、BOD等传统污染物含量大幅下降,但煤中部分微量元素在高温高压下易挥发、易活化特征以及现代煤化工规模利用煤的累积效益,使得煤中微量有害元素或造成不可忽视的环境影响,其中以Hg、As等微量元素造成的危害最大。为气流床气化工艺寻求合适原料的评价体系、寻求过程强化的限度、对新型污染源的污染进行调研并建立可能的防治方法是现代煤化工进一步发展必须解决的瓶颈问题。

气流床气化炉水冷壁设计方案的水动力分析

对于日处理煤量700 t的非熔渣-熔渣两段式气流床气化炉内采用的垂直管屏水冷壁进行了水动力稳定性分析,为新型气流床气化炉的设计提供理论依据。计算比较了φ51×6 mm和φ38×6 mm两种结构对水动力的影响,发现采用φ51×6 mm光管会使水冷壁发生水动力不稳定现象,可以通过采用φ38×6 mm光管得到改善。而水冷壁入口参数对流动稳定性没有太大影响。可以采用临界流速作为判断此类气化炉垂直水冷壁管内流动是否稳定的依据。

撞击式气流床气化炉压力波动的周期性分析

在双喷嘴对置气流床气化炉热模平台上,对炉内压力波动特性进行了试验研究。把小波变换和FFT相结合,验证了R/S分析方法是测量气化炉压力波动周期性的有力工具。采用R/S分析计算出Hurst指数,说明气流床气化炉内的压力波动具有分形特征,同时发现压力波动存在周期成分,从统计意义上计算出压力波动频率为0.067 Hz。用小波变换进行滤波后,再对低频信号进行FFT,得出主频约为0.053 Hz,二种方法结果吻合得比较好。用高速摄像仪对气化火焰拍照,并用“乘法串级过程”思想,解释了压力波动产生机理。

气流床气化炉内气体浓度的分布规律

常压条件下，在两喷嘴对置热模试验平台上，对含碳化合物（柴油）的气化过程进行了试验研究．在不同的氧油比条件下，用水冷不锈钢取样探头在炉内3个轴向位置和合成气出口位置取样，气体经预处理系统后，用质谱仪分析主要气体（O2、CO2、CO、H2和CH4）的体积分数．研究了不同试验条件下的气化炉升温过程，以及稳定工况下气化炉内不同径向位置气体分布规律．结果表明，喷嘴平面附近，升温速率以1000℃为界限，明显地分为两个线性区，CH4体积分数可作为指示气化炉温度的指标．最佳氧油比为0．90—1．20m3／kg左右．

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。

气流床气化炉壁面熔渣行为模拟

本文对气流床煤气化炉内高温合成气和壁面渣层的流动与传热传质过程进行了分析,建立了渣层流动,传热传质和相变数理模型,采用VOF方法对渣层和气体之间自由界面进行追踪,采用射线追踪方法(DTRM)计算辐射换热,采用焓法计算渣层相变,熔融态渣滴在渣层表面的沉积通过源项引入。应用所建立的数学模型对实验室规模的Texaco煤气化炉进行了模拟。结果表明:气化炉壁面换热系数从上到下先增加再减少最后再增加;炉膛温度升高,固态渣层厚度减少;壁面温度升高,固态渣层厚度减少。

水冷壁气流床气化炉灰渣结构分析

在管式电炉还原性气氛下,对煤灰进行1 300℃和1 400℃的高温热处理。同时,在小型膜式水冷壁气流床气化炉热模装置中进行煤气化实验。利用XRD、SEM和EDS等方法,考察了热处理后灰渣与煤气化所得炉渣的表面形态、内部微观结构、矿物组成等结构特性,并对管式电炉内进行灰渣热处理实验的可行性进行评估。结果表明,热处理温度和灰渣流动温度对灰渣的结构具有重大影响,热处理温度高于灰渣流动温度约10℃时,灰渣中含有大量矿物晶体且表面形态粗糙,内部微观结构凹凸不平,灰渣难于流动;热处理温度高于灰渣流动温度约100℃时,渣中大部分矿物晶体已变成无定形的玻璃体物质,灰渣表面及内部微观结构变得光滑均匀。采用管式电炉模拟气化炉内灰渣氛围,研究气化炉操作温度对灰渣结构的影响,具有一定的可行性。

新型气流床气化炉的概念性设计

新型气流床气化炉综合了现有干湿法气流床气化炉的优点,分段设计理念,采用湿法进料和干法气化原理,特殊的激冷器结构,喷嘴设计采用空间多通道设计,煤浆和氧气喷嘴均为单通道结构且单独进料,拉长了着火点与喷嘴头部距离,气化指标好,生产能力大。

水冷壁气流床气化炉渣层热应力数值模拟方法的改进

固态渣层能够保护气流床气化炉的水冷壁,防止其受到高温合成气直接辐射以及液态熔渣的侵蚀。本文提出一种数值模拟渣层热应力的改进方法,并应用该改进方法对降温阶段渣层热应力的变化进行模拟研究。在渣层热应力的数值模拟研究中,经常假定水冷壁渣层的热应力变化基于一个固定的参考温度(比如环境温度25℃)。然而对于降温阶段的水冷壁气流床气化炉,一个固定的参考温度值并不能表征渣层"无应力"的初始状态,在此基础上计算将会得到一个不合理的渣层应力分布结果。针对该问题,提出了一种改进方法:将水冷壁渣层分割为多个子计算域,每个子计算域内单独设置参考温度,以此实现在整个水冷壁渣层上施加一个近似为降温初始时刻的参考温度分布,从而使渣层在降温初始时刻处于"无应力"状态。同时,对前人文献中的三维水冷壁渣层结构在降温过程中的热应力变化情况进行计算,以此测试改进方法的准确性,改进方法得到的模拟结果与其他参考文献得到的渣层热应力变化趋势一致。

撞击气流床气化炉内雾化过程中颗粒运动特性

基于实验室规模的撞击气流床气化炉,以水煤浆为原料进行气化实验,采用高温内窥镜及工业相机组成的可视化成像系统,在操作条件下,对水煤浆雾化过程进行拍摄。运用图像处理算法来识别和检测所得图像中的颗粒信息,利用颗粒示踪算法对颗粒进行轨迹测算。对颗粒的平均粒径、速度及角度进行统计分析。结果表明,喷嘴出口射流区内平均粒径主要集中在325~375μm,相较于原煤颗粒较大;大部分颗粒速度集中在1~2m·s^-1且运动过程中速度变化不大;大部分颗粒运动方向不随时间而变化,呈简单直线运动;颗粒轨迹呈现以喷嘴为起始点的扇形射线。