辐射废锅气化炉对煤种的适应性分析

为了分析国内辐射废锅气化技术对煤种的适应性,文章针对国内6种主要的辐射废锅煤气化技术,归纳总结了气化炉的结构特征及其对煤种适应性的影响,分析结果表明:煤种适应性的主要影响因素有进料方式、气化室和辐射废锅结构,采用粉煤进料方式比水煤浆具有更广的煤种适应性,气化室采用水冷壁结构能够适应高灰熔点煤的气化,辐射废锅的结构主要影响对煤种灰分、灰熔点、黏温特性的要求,采用单层水冷壁比双层水冷壁对煤种的适应范围更广。优化辐射废锅气化炉的炉体结构和通过配煤提高原料特性,对保障辐射废锅气化技术的长周期稳定运行具有重要意义。

气化炉辐射废锅内多相流场和温度场的数值模拟

通过直接数值模拟的方法对实际气流床煤气化辐射废锅内三维多相流流场和温度场进行了模拟。连续相流场采用Realizablek-ε湍流模型求解,而颗粒相采用基于随机过程的随机轨道模型,并采用双向耦合算法计算两相间的相互作用。温度场计算肘基于灰气体加权和模型与离散坐标法相结合的方法求解热辐射方程,同时考虑了煤渣颗粒的热辐射和散射影响,利用Ranz-Marshall关系式计算气固相间对流换热作用。结果表明:辐射废锅顶部存在一火炬状入口射流,其长度随中心流道的缩小而缩短;辐射废锅顶部、底部以及入口射流周围各自存在不同形状回流区;整体温度随鳍片水冷壁面积的增加而降低,但鳍片宽度过大可能造成水冷壁灰渣沉积堵塞;不同水冷壁布置方式的计算结果与实际测量值基本吻合。

气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热

采用多相流动与传热模型耦合的数值方法,对气流床煤气化辐射废锅内多相流场与传热过程进行了数值模拟。在Euler坐标系中采用组分输运模型计算气体组分扩散过程,并通过realizable k-ε湍流模型计算炉内流场,煤渣颗粒运动轨迹在Lagrange坐标系中计算,并考虑了气固相间双向耦合。利用灰气体加权和模型与离散坐标法相结合,计算了炉内辐射传热过程,并考虑了煤渣颗粒的热辐射特性。结果表明:炉体入口存在张角约为10°的中心射流区,其流速和温度均较高,且周围存在明显回流区,回流区内部分颗粒富集;大部分颗粒直接落入渣池,且粒径越大落入渣池时温度越高;炉内温度分布除中心射流区,整体分布均匀,且随壁面灰渣厚度的增加而升高;计算结果与实验测量结果及文献值基本一致。

辐射废锅内气固两相流场的冷态测试与数值模拟

采用冷态实验测量和数值模拟相结合的方法,对辐射废锅内的冷态气固两相流场进行了研究。搭建了辐射废锅冷模装置,利用恒温热线风速仪和皮托管对辐射废锅内的气相冷态流场进行测量。利用马尔文激光粒度分析仪对辐射废锅出口、底部渣池以及附壁颗粒的粒径进行了采样分析。运用Realizable k-ε湍流模型和随机轨道模型分别对气相流场和颗粒运动轨迹进行了数值模拟。研究发现:Realizable k-ε湍流模型计算得到的气相流场结果与实验值吻合较好,辐射废锅内筒顶部存在一入口射流,射流沿流向逐渐衰减,气相流场在内筒底部趋于稳定;大部分颗粒直接被辐射废锅渣池捕集,少量细小颗粒被气流携带进入辐射废锅环隙或从出口逃逸;颗粒粒径越大、密度越高,颗粒的跟随性越差,出口颗粒的停留时间越长。

辐射废锅入口结构对流场及颗粒分布的影响

为优化结构设计,合理布置水冷壁,对辐射废锅接口、入口结构及内筒水冷壁组成的系统进行模拟研究。采用组分输运模型计算气体组分扩散过程,通过Realizable-湍流模型计算炉内流场,利用随机轨道模型跟踪灰渣颗粒运动轨迹,并考虑了气固相间耦合。利用灰气体加权和模型和P1辐射模型计算炉内辐射传热过程,且考虑了灰渣颗粒的热辐射特性。结果表明:炉体入口存在中心射流区,流速与宽度和入口结构有很大关系,且周围存在明显回流区;灰渣颗粒主要集中在中心流道,但由于卷吸回流的作用,回流区内部分细小颗粒富集;缩口结构使灰渣颗粒更集中于中心流道,扩口结构则起一定的导流作用,使卷吸作用减弱。

德士古全废锅流程辐射废锅结渣原因及改进

介绍了德士古全废锅流程辐射废锅工艺流程及内部结构,同时对导致德士古全废锅流程结渣的辐射废锅因素,如内部结构、原料煤煤质内水、煤灰含量、煤灰矿物质等进行了全面分析。通过减小辐射废锅换热面积,增大中间通道横截面,加高滴水檐高度,严格控制原料煤的内水含量、灰分、灰熔融性及煤灰中SiO2,Al2O3的含量,对德士古气化炉三流道内外混工艺烧嘴中的环氧喷嘴角度、环氧烧嘴深度、中心氧管深度等方面进行改造,解决了德士古全废锅流程结渣问题。

气化炉与辐射废锅接口的数值模拟

建立了多相流动和传热耦合数学模型,以实验室规模气化装置对模型进行了验证,发现计算值与实验值吻合较好。再通过该模型对气化炉与辐射废锅的接口进行了数值模拟,结果发现:气化炉底部锥体壁面有大量灰渣颗粒积聚,并在锥体上形成热阻较大的熔渣流;废锅拱顶存在长约4 m的回流区,部分颗粒被卷吸回流;此外,增加直段高度、加长冷却管和降低耐火砖厚度都将使接口工作温度下降;提高气化温度和操作负荷则会使接口工作温度上升,且气流流速也将随产气量的增加而提高。

气化炉辐射废锅上部空间熔渣的流动特征

国内气化炉在长周期运行中曾数次出现大块熔渣堵塞渣池出口的现象,严重制约了工业化装置的经济、安全、稳定运行。为了探讨大渣块形成的原因,文中搭建了气化炉及下部辐射废锅冷模装置,以糖浆作为介质模拟熔渣,对熔渣离开气化炉渣口后,在辐射废锅上部空间的流动特征进行了实验研究,考察了模拟介质黏度和渣口气速对熔渣流动特征的影响。研究发现:熔渣离开渣口落入废锅并非自由沉降过程,而是在入口处气流射流作用下发生破裂,由液膜形成液丝。当渣口气速较高时,部分熔渣在回流区气流卷吸作用下开始沉积到废锅壁面。熔渣在废锅壁面上的沉积率随着渣口气速的增大而增大,随着模拟介质黏度的增大而减小。而熔渣沉积区域离渣口的距离随着渣口气速的增大而减小,随着模拟介质黏度的增大而增大。

辐射激冷流程气化辐射废锅鳍片结构模拟研究

采用数值模拟方法研究了辐射激冷流程中不同鳍片结构对辐射废锅(radiant syngas cooler,RSC)内传热传质的影响.基于Euler坐标系,采用Realizable k-ε湍流模型计算辐射废锅内气相流场.在Lagrange坐标系中采用随机轨道模型计算颗粒粒径分布及其运动轨迹,并通过双向耦合法求解气相与颗粒相间的能量传递.采用P-1模型计算辐射传热,合成气辐射特性参数通过WSGGM模型(weight-sum-of-gray-gas model)加权求解.通过对比模拟结果与工业测量结果,得到最大相对误差为3.7%,验证了计算模型的可靠性.对比辐射废锅内不同鳍片布置方式发现,鳍片径向长度越大,中心流道越小,顶部回流越强.靠近中心轴线处的鳍片灰渣表面温度最高,高度为12m^15m位置处的灰渣表面温度则高达1 080K.随着轴向高度的增加,鳍片径向长度越小,含汽率越大.鳍片径向长度越小,相同径向位置处的含汽率越大,最大值可达0.214.不同径向长度的鳍片交错布置,有利于提高辐射废锅筒体水冷壁的换热量,改善筒体表面温度分布.鳍片表面高温区域减小,水冷壁管吸热趋于均衡,避免局部过冷过热所引起的交变热应力,才能使水冷壁管使用寿命延长.

多段床煤气化中试装置辐射废锅内件制造技术

本文主要阐述了多段式煤气化中试装置辐射废锅内件的结构特点、制造难点及制造技术。重点对圆形水冷壁筒体装焊、测温测压孔位置尺寸的控制、环形集箱的弯制、拼接以及与筒体的组装、内部清洁度的控制等进行了详细的叙述。

气流床气化辐射废锅单面受热水冷壁数值模拟

辐射废锅作为气流床煤气化中重要的热回收装置,可显著提高合成气热利用率。针对辐射废锅单面受热水冷壁及其表面覆盖的灰层和渣层,建立三维传热模型,并通过流动与传热耦合的数值模拟方法探究不同工况下水冷壁金属管和鳍片温度分布。结果表明,水冷壁表面温度随高度变化幅度较小。合成气温度下降导致水冷壁表面热流密度减小,金属管表面温度随之降低。水冷壁表面沉积物降低了合成气与冷却水之间的换热效率,但在一定程度上保护金属管和鳍片不受高温侵蚀。水冷壁与壳体之间通入保护气可有效降低鳍片温度。

鳍片对辐射废锅多相流动及颗粒沉积特性影响

采用Realiazable k-ε湍流模型和随机轨道模型对不同鳍片径向长度辐射废锅内颗粒运动及沉积特性进行数值模拟,研究了鳍片径向长度对气流床气化辐射废锅内多相流场及温度场的影响。模拟结果表明:拐点及出口温度模拟值与实际测量值吻合较好,相差15 K以内,验证了模型的可靠性。受中心射流的影响,辐射废锅顶部存在火炬状温度分布。削减鳍片水冷壁导致换热面积减小,出口温度升高。在12.5 m高度处沉积速率最大,达到0.015 kg/(m^2·s)。相对长鳍片,颗粒沉积速率降低,沉积区域减少,有效缓解实际运行过程中出现的堵渣现象。

气流床气化炉辐射废锅内灰渣的力学性能实验研究

气流床气化炉辐射废锅中易发生的积灰结渣现象会导致传热效率和生产能力的降低。灰渣特性中的力学性能反映了渣的黏合强度和脱除难易程度,是认识积灰结渣现象、有效除灰的基础,但针对辐射废锅中灰渣的力学性能研究较少。以某气化炉辐射废锅中不同位置实际渣块(停炉后取样的水冷壁渣和底部渣)和飞灰烧结渣为对象,实验研究了其化学组成、晶体矿物组成、熔融温度、样貌特征以及力学性能等特性。结果表明,辐射废锅水冷壁渣灰熔点更高,并含有更多钙铝晶体矿物;辐射废锅底部渣和飞灰烧结渣灰熔点较低并含有更多方解石晶体,其中飞灰烧结渣富集K和Na元素,非晶态物质较多。水冷壁渣微观结构相对规则,主要由灰颗粒以及微小的泡沫状空穴连接组成;飞灰烧结渣则存在有较多大小不一的空泡,且烧结温度越高导致粘结程度增大,并产生更大体积空泡,微观表面更光滑平整。辐射废锅中不同位置渣的力学性能有较大差异,其中壁面渣的弹性模量在550~750 MPa,抗压强度在20~22 MPa,较废锅底部渣和烧结渣的弹性模量(7~54 MPa)和抗压强度(1.2~3.0 MPa)大很多。底部渣和烧结渣的力学性能较为接近,但仍存在着较大的离散系数(0.35~0.50),这说明气流床气化炉辐射废锅中渣块力学性能变化范围大,与当地成渣温度、成渣细颗粒组分、熔融特性和孔隙率等性质密切相关。

辐射废锅内高温高压合成气的辐射特性

以Edwards的指数宽带模型为基准,研究了含一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的整体煤气化联合循环系统(IGCC)气化炉出口合成气在高温高压环境下的辐射特性,计算出了混合物在不同气体温度、压力、壁面温度和射线行程长度下的总吸收比和总发射率,并将低压下的值与Hottel线算图进行了对比,对比结果良好.针对一工程实际IGCC(压力3.5MPa、平均温度约1300K)辐射余热锅炉,选用了合理的辐射与对流换热模型,将指数宽带模型应用于炉内换热计算,结果显示:辐射换热是炉内主要换热方式,辐射换热可达总换热量的70%左右,炉膛出口烟温计算值与现场值符合较好.

带径向管屏水冷壁辐射废锅内流场与传热的数值模拟

对低压气流床辐射废锅进行直接数值模拟,分析带径向管屏水冷壁辐射废锅内流场与传热。结果表明:管屏水冷壁增强了辐射传热与湍流,降低了回流区的气流及灰渣温度,使得射流长度变短,回流区域及回流速度变小;无管屏与有管屏的截面平均温度差随截面高度增加而逐渐增加,到达出口处其截面平均温度差达到80℃;管屏水冷壁有效提高气流降温速度和热回收效率,但使细小灰渣颗粒更易于富集在辐射废锅顶锥及管屏水冷壁周边区域。

煤气化辐射废锅内高温气固两相流动传热传质数值研究

基于欧拉拉格朗日方法对煤气化辐射废锅内高温气固两相流动传热传质特性进行了三维数值计算,水冷壁上的灰渣沉积过程采用熔渣沉积反弹模型描述。结果表明:灰渣沉积主要发生在辐射废锅的中下部,射流区流速和温度在距离底部5.5 m处迅速衰减,灰渣厚度和导热热阻在此处迅速增加,对流辐射复合换热系数和传热系数在此处迅速下降;随着入口温度的升高,壁面沉积厚度和导热热阻逐渐升高,对流辐射复合换热系数和传热系数由于温差的影响也逐渐升高;随着操作压力的升高,壁面沉积厚度和导热热阻逐渐下降,对流辐射复合换热系数和传热系数逐渐升高。

东方锅炉制造的世界单炉最大干煤粉辐射废锅流程"华谊气化炉"核心部件发运

2020年3月31日,目前世界单炉最大干煤粉辐射废锅流程“华谊气化炉”核心部件(辐射废锅内件)在东方锅炉制造完工并发运。华谊气化炉工艺异常复杂、制造难度大、生产工期紧,此次重点部件如期完工发运,标志着东方锅炉在该类型气化炉的生产制造上实现了关键节点的突破,为后续整台设备的完工创造了条件,为东方锅炉气化炉市场业绩书下浓墨重彩一笔。

辐射废锅内辐射屏水冷管热变形数值模拟研究

煤气化技术是煤炭清洁高效利用的有效途径,其中带辐射废锅的气流床气化工艺能够有效回收高温合成气显热,提高能源利用率。辐射废锅内部增设辐射屏水冷管,可在保持辐射废锅水冷壁整体结构紧凑的同时提高传热面积。为研究气化炉操作条件下辐射废锅内辐射屏水冷管的热变形,利用流体−结构耦合原理建立三维辐射屏模型进行模拟分析。模拟结果表明:在正常操作工况下,水冷管整体在距顶部5.30 m处温度达到最大值。在周向方向上,最靠近炉膛中心的1号水冷管表面温度成抛物线形分布,向火侧中间位置温度最高,向火侧和背侧最大温差达到60 K;在相邻水冷管的冷却作用下,2~5号水冷管表面温度成双峰状分布。水冷管的空间布置直接影响水冷管表面的温度分布。未加固定的辐射屏水冷管中最靠近炉膛中心的1号水冷管局部变形量最大为5.20 cm,π方向的最大偏移量为4.58 cm,超过相邻水冷管的间距,水冷管之间易发生碰撞。水冷管间增加固定后,水冷管发生整体变形,最大热变形量为3.28 cm,较未加固定的减小36.9%,π方向的相对偏移基本消失,水冷管之间的局部变形远小于管间距。增加固定可有效避免水冷管之间的碰撞。进口合成气温度和表面沉积的变化不同程度影响水冷管表面温度梯度和变形量,偏移方向均为水冷管的π/2侧。

气化炉与辐射废锅接口壁面熔渣流动数值模拟

应用商业软件FLUENT,对用于200MW级IGCC发电的2000t煤/d级多喷嘴对置式水煤浆气化炉接口内合成气和熔渣的流动进行了模拟与研究。经过合理简化和假设,建立了数学模型。采用重整化群(RNG)k-ε湍流模型计算接口内湍流流动,应用VOF模型对熔渣层与合成气相界面进行追踪,应用DTRM模型进行辐射模拟计算。模拟结果表明:在接口倾角小于35°时,熔渣不能顺利流下,将不断堆积且很可能形成渣堵;而在较大倾角以及接口直筒段内,熔渣均能稳定挂壁并对耐火砖层或水冷壁形成保护,且不同角度下的渣层厚度变化不大。分析了熔渣在流动过程中的现象及特征。经检验,模拟结果与相关文献及实验结果吻合较好。

基于Aspen Plus的废锅流程粉煤气化炉稳态流程模拟

粉煤气流床具有氧耗低、煤耗低、碳转换率高等优点,在工业中应用广泛。废锅流程可有效回收粉煤气化炉产生的粗合成气余热,从长远角度看更为经济环保。基于Aspen Plus建立了废锅流程粉煤气化炉稳态流程模型。在建模过程中,由于粗合成气进入辐射废锅时温度较高,需将辐射废锅内进一步的气化反应考虑在内。依据工程经验数据,将散热损失和碳转化率考虑在模型内,并与工业现场数据对比验证了模型的准确性。基于搭建的模型,研究了氧煤比、蒸汽煤比、碳转换率对气化参数的影响。研究结果表明,合成气有效成分随氧煤比的增加先急速增加后缓慢减少,在氧煤比为0.5时达到峰值。氧煤比低于0.5时,气化温度随着氧煤比的增加缓慢增长;氧煤比在0.5~0.9时,气化温度随氧煤比的增加剧烈增长;氧煤比高于1时,气化温度几乎不随氧煤比的增加而变化。考虑到气化温度不能低于煤种的熔融温度以利于炉内排渣,运行时应控制氧煤比高于0.6。合成气中有效成分(CO+H_(2))含量随蒸汽煤比的增加几乎呈线性降低,随碳转化率的增加而增加;气化温度随蒸汽比和碳转化率的增加而降低。