水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究

水冷壁气流床气化炉的核心思想是"以渣抗渣",因此对熔渣沉积形态与流动规律的研究尤为重要。文中在实验室小型水冷壁气化炉热模装置上,以神府煤气化灰渣、柴油和纯氧气为原料模拟气流床水冷壁气化实验,采用高温内窥镜并结合数字图像处理技术研究了熔渣的沉积、流动过程。实验结果表明:气化炉操作温度高于熔渣临界黏度温度时,渣层表面灰渣处于熔融状态;运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收;熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系,渣层表面温度越高,熔渣流动速度越大。在实验条件下,熔渣层表面速度约为0.002 6—0.003 m/s。     

煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率与固/液渣层分布的影响

以中国华能集团清洁能源技术研究院（Huaneng Clean Energy Research Institute,HNCERI）两段干粉加压气化炉为研究对象,采用考虑了焦炭颗粒表面气体组分扩散效应的随机孔模型计算焦炭气化反应速率以评估碳转化率。同时,耦合熔渣子模型计算气化炉一段壁面固液渣层分布特性和热损失,研究了煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率和固液渣层分布特性的影响。结果表明所构建的模型可以准确预测气化炉出口主要气体组分组成、碳转化率和气化炉一段壁面热损失;气化炉一段碳转化率受固有气化速率和停留时间控制,二段主要受颗粒停留时间控制;因此,通过减小煤粉粒径可以减小气体在颗粒表面扩散阻力,有利于提高气化炉一段碳转化率,而适量增加煤粉粒径可以增加煤粉颗粒在气化炉二段的停留时间,有利于提高二段碳转化率。模拟结果显示煤粉颗粒粒径从20μm增加到200μm,一段碳转化率从99.68%降低到了95.06%,二段碳转化率从69.03%增加到了89%。煤粉粒径对气化炉上缩口和直段壁面液态渣层分布影响很小,但显著影响固态渣层厚度的发展。     

气流床煤气化炉壁面反应模型

建立了气流床煤气化炉煤灰渣颗粒沉积和壁面反应模型,相应完善了渣层流动、传热传质和相变模型,发展了数值模拟方法,并以国内某型两段式干煤粉加压气流床煤气化中试炉为对象进行了模拟。利用建立的模型可以得到壁面反应速率、渣层含碳量、固态渣层厚度、液态渣层厚度、渣层平均温度和液态渣层平均速度等。结果表明:氧煤比升高,渣层平均温度升高,固态渣层厚度、液态渣层厚度和气化炉出口灰渣含碳量降低。计算得到的灰渣含碳量在14%左右,整体碳转化率为95.2%左右,与实际值相近。通过模拟发现壁面反应对于所分析气化炉的碳转化率、排渣含碳量、壁面渣层流动和温度状态具有重要影响,进而影响气化炉的安全稳定运行。     

GSP气化炉水冷壁挂渣影响因素探究

水冷壁结构形式的GSP气化炉采用"以渣抗渣"的原理,在水冷壁内侧附着1层均匀分布的熔渣层,以抵御高温熔渣对水冷壁的腐蚀。气化炉内结渣是一个相当复杂的过程,不仅与煤种特性以及熔渣本身的沉积特性有关,还与炉内粉煤气化燃烧过程有着密切关系。GSP气化炉内的耐火材料很容易受到熔渣的侵蚀,极易损坏。主要讨论了煤质、气化炉操作温度、氧煤比的控制等对GSP气化炉内水冷壁挂渣的影响因素。     

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．     

气化炉水冷壁衬里传热数值模拟研究

水冷壁衬里是气化炉安全稳定运行的关键部件.以高温高压气流床气化炉内水冷壁耐火衬里为研究对象,采用数值模拟方法对水冷壁衬里附近的流动与传热进行研究,分析了渣层厚度对壁面导热系数、热通量、各层材料表面的影响.结果表明,气化炉原始开车工况下,壁面平均传热系数高达241W/(m2·K),渣钉表面温度约为1517K,此时渣钉容易...     

多喷嘴对置式气化炉内气固两相流动与炉壁的颗粒捕捉特性

对多喷嘴对置式气化炉内复杂的气固两相流动与炉壁的颗粒捕捉特性进行三维数值模拟。应用Euler-Lagrange模型模拟气固两相流动,采用Realizable k-ε湍流模型计算炉内气相湍流流场,颗粒轨迹跟踪采用随机轨道模型。模拟结果与冷模测试数据吻合,且流场与热模实验现象一致,壁面捕捉颗粒平均粒径与热态水煤浆气化实验数据吻合。工业规模模拟结果表明,壁面捕捉的颗粒平均粒径呈现一定的规律性,存在两个极大值位置,分别在喷嘴平面下方0.2 m及上方2.8 m处,在喷嘴平面上方,壁面捕捉颗粒粒径随颗粒密度的增大而减小;颗粒沉积能基本覆盖整个炉膛内壁,颗粒在撞击流股作用下在喷嘴平面上方1.8 m及下方1.9 m处沉积量最大;缩短喷嘴上方直段高度将影响炉内流场,拱顶对撞击流股产生一定的限制作用,使其变短变宽,并且使拱顶捕捉颗粒粒径增加,颗粒沉积速率增加。     

Shell粉煤气化炉渣池内熔渣流动特性

搭建Shell气化炉及其下部渣池的冷模装置,采用糖浆模拟熔渣,研究熔渣离开渣口后,在渣池上部空间的流动特征.研究发现:模拟熔渣离开渣口落入渣池并非自由沉降过程,而是在气化炉内旋流场作用下发生旋转,并最终由液膜变成液丝.当装置负荷大于75%时,部分模拟熔渣会在旋转气流作用下开始沉积到渣裙壁面.模拟熔渣在渣裙壁面上的沉积率...     

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。     

浅议壳牌气化炉的炉温调节

0引言壳牌气化炉内部采用膜式水冷壁结构,用来转移反应产生的热量,并产生废热蒸汽。水冷壁表面附着一层耐火材料,煤粉和氧气、蒸汽在1 600℃的高温下瞬间完成燃烧反应并生成熔融态灰渣,在4个烧嘴对喷产生的旋流作用下,熔融灰渣被甩到水冷壁表面。原始开车时,液态熔渣在耐火衬里及其内置的金属销钉的热传导作用下冷却固化,附着在水冷壁上形成了原始挂渣,渣层增厚到一定程度时热传导作用减弱,外表渣层就变成了熔融态,并向下流淌而使渣层厚度减薄。当厚度降低到一定程度时,热传导作用增大,使熔渣温度降低而固化,渣层重新聚积增厚,这样不断维持动态平衡,实现“以渣抗渣”,保护水冷壁免受高温烧蚀和熔渣冲蚀。渣层的厚度主要取决于炉内温度,炉温的波动会造成渣层厚度的变化。过厚的渣层会使气化炉下部堵渣而停车;过薄的渣层会失去对水冷壁的保护作用。     

水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析

在实验室小型水冷壁气化炉上进行变工况气化试验,建立气化炉水冷壁的二维传热和应力模型,对气化炉变工况时水冷壁及渣层中的温度及应力变化进行了模拟计算。模拟结果表明：水冷壁及渣层中的周向应力及径向应力均随温度的升高而增大,而周向应力在数值上相对较大。在渣层 碳化硅层接触面上,随指定点与水冷管及渣钉的距离逐渐增大,等效应力迅速增大后趋于稳定;不同材料中的等效应力差异显著。     

Numerical modeling for non-steady thermal stress analysis of slag layer in a membrane wall entrained-flow gasifier

Membrane wall entrained-flow gasifier (MWEFG) generally has a long service life for the protection of the solid slag layer adhered to the metal wall during operation. However, cracking will generate in the slag layer when the temperature changes greatly in the gasifier, which results from the thermal stress exceeding the strength of slag deposit. In this study, the gasification experiment was performed in a bench-scale MWEFG and a three-dimensional model was developed for non-steady thermal stress analysis of slag layer. Based on experimental data, the thermal stresses of cooling process were numerically simulated using transient thermal analysis. The results indicate that the thermal stresses of the slag layer are tensile during the cooling and the Von Mises stresses (SEQVs) increase with the reduction of temperature. Comparing the results of the selected nodes, it is found that the SEQV always increases from the slag surface to the slag-SiC interface. The contributions of slag porosity and thickness were also investigated. We draw a conclusion that the maximum SEQV decreases with the increasing porosity, while it increases with the increasing slag thickness.     

水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析

基于实验室小型水冷壁气流床气化炉,研究了两种油渣浆气化后在炉内壁形成渣层的内部结构及组成。建立了气化炉水冷壁的三维传热和应力模型,对气化炉紧急停车时炉壁的热应力变化及其分布进行了模拟计算。计算结果表明：渣层中越靠近渣层表面,热应力的变化越大;靠近水冷管和渣钉处的渣层热应力变化相对较小;渣层表面温度变化相同时,孔隙率大的渣层产生的形变较大。     

Modeling of an oxygen-staged membrane wall gasifier: effects of secondary oxygen

A new type of entrained flow gasifier with membrane wall and two-stage oxygen supply is being developed in China. The fraction of the secondary oxygen in total oxygen (FSO) is an important parameter for this kind of gasifier. A dynamic reduced order model (ROM) based on a reactor network model (RNM) is developed for this gasifier, which is used to investigate the effects of FSO on the slag layer thickness profile on the wall and explore the potential of FSO in dynamic slag control. The ROM adopts a flexible RNM blocking method, which varies with FSO to account for the influence of FSO on the flow pattern in the gasifier. Available industrial data was used to validate the model and a detailed sensitivity analysis for the calculation of slag layer thickness was performed. Static analyses show that FSO has a marked effect on the slag thickness distribution and higher FSO leads to lower heat loss through the wall. Finally, a slag control system, which introduced FSO as an auxiliary regulator, is proposed. Dynamic simulation shows that the new control system offers an improved performance in slag control and can broaden the regulating range of operating temperature.     

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。     

Shell粉煤气化炉渣口区熔渣流动与传热模型

国内Shell粉煤气化炉在长周期运行中曾多次出现大块熔渣堵塞渣池出口的现象,严重制约着工业化装置的安全、经济、稳定运行。为了探讨大块熔渣形成的原因,以Shell粉煤气化炉为研究对象,建立了其渣口区熔渣流动与传热模型。该模型可以预测固态渣层厚度、液态渣层厚度和渣层表面温度等。结果表明:气化炉运行时,由于熔渣的沉积,在渣裙表面将形成一定厚度的固态渣层。开车初期,熔渣全部被冷凝成固态渣,当渣层表面温度超过渣的临界温度,液态渣层开始出现,此后随着时间的增加,固态和液态渣层都继续增厚直至达到稳定状态。离气化炉渣口处越远,渣层厚度和表面温度就越大。气化炉渣口温度和沉积率越低,固态渣层厚度就越大,所需要的特征时间也越长。     

水冷壁气化炉温度分布及影响因素分析

对气流床水冷壁气化炉炉壁的温度分布及影响因素进行了计算和分析。建立了气流床水冷壁气化炉的三维传热数学模型,运用有限元方法,计算出水冷壁的温度分布,炉壁导热主要通过渣钉完成;探讨了水冷管内工质传热系数、炉内温度、渣钉间距、鳍片厚度、鳍片宽度及熔渣厚度对渣钉、水冷管、鳍片端部和根部等关键部位的最高温度点温度的影响;为了验证热分析的正确性,在实验室的小型气化炉上进行试验,鳍端背火侧温度计算值与实验测量值吻合良好,误差在5%之内;其计算模型和分析结果可为水冷壁气化炉的设计提供相应依据。