惠生-壳牌下行水激冷气化炉的数值模拟.pdf

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1、天然气化工一C1化学与化工2017年第42卷惠生一壳牌下行水激冷气化炉的数值模拟田靖，李勇斌(惠生工程(中国)有限公司，上海2叭210)摘要：利用计算流体力学方法对商业化运行的惠生一壳牌下行水激冷气化炉进行三维数值模拟。采用离散相模型描述气固相流动之间的相互作用，利用随机轨道模型追踪粉煤颗粒的运动，将粉煤气化分为水分蒸发、煤热解、气气均相反应和气固非均相反应等过程；运用realiz枷e^．s模型描述气相湍流流动；运用组分输运模型以及有限速率一涡流耗散模型描述气化过程中的复杂化学反应过程；采用P．1模型描述气化炉内的辐射传热。研究结果表明：建立的计算模型合理准确，气化炉出

2、口有效气含量大于90％，碳转化率大于99％。关键词：惠生一壳牌下行水激冷气化炉；计算流体力学；粉煤气化；碳转化率中图分类号：TQ545文献标识码：A文章编号：1001—9219(2017)02．90舭气流床煤气化技术具有生产能力大，碳转化率高，煤种适应性广等特点，是煤炭清洁高效利用的先进技术，代表了大规模煤气化技术的发展方向，其中，废锅流程的壳牌粉煤加压气化技术在中国煤化工领域应用广泛【l‘3】。为满足不同用户需求以及降低气化装置投资，壳牌和惠生工程共同合作开发了下行水激冷气化技术，并在惠生(南京)清洁能源工厂建设了全球首套投煤量1000“的惠生．壳牌下行水激冷气化装置

3、，双方共同拥有该技术的知识产权。与废锅流程的壳牌粉煤加压气化炉相比，惠生-壳牌下行水激冷气化炉的主要特点是气渣同向、气化炉拱顶采用水冷壁封闭以及采用专有的水激冷技术对高温合成气进行冷却和除灰M。采用计算流体力学(以下简称CFD)数值模拟研究的方法能够更加直观地了解气化炉内的气体流动和复杂的化学反应过程，并且可以预测进料条件和炉膛结构变化对气化炉内气固流动和气化效率的影响。国内外学者对此有较多的研究，但因气化炉结构特点不同，采用的具体计算模型有所不同睁131，Bockelie例对气化炉建立了三维计算模型，采用了湍流模型、辐射和对流换热模型、化学反应模型和颗粒运动模型等子模

4、型来模拟复杂的气化反应过程，获得了较为合理的炉内温度和煤气组分分布。Shi【1叫对两段式上行水煤浆气化炉建立了三维计收稿日期：2016一06-21；作者简介：田靖(1986一)，男，工程师，硕士，现主要从事能源化工技术工作，电话021—20807303，电邮tianji“g@访son．com。算模型，采用DPM模型描述气固相之间的相互作用，同时考虑了煤粉颗粒的水分蒸发、挥发分析出、焦炭燃烧和气化等过程，采用Lagrangian方法来描述离散相运动，该模型计算的合成气组分与根据平衡计算获得的数据十分接近，计算发现焦炭转化率在一段和二段反应区分别达100％和86％。周俊虎等

5、【111对某壳牌气化炉建立物理模型，采用欧拉一拉格朗日方法模拟气化炉冷态流场运行特征，运用非预混燃烧模型模拟计算气化炉热态运行特征，分别说明了气化炉内冷热态流场的分布特性。金渭龙【竭等对一种新型两段式水煤浆气化炉的气化效率进行了CFD数值计算和分析，运用可实现七一s模型描述气相湍流流动，随机轨道模型追踪水煤浆颗粒的运动，并以中试多喷嘴水煤浆气化炉为建模基础，验证了气化计算模型的准确性。基于新型气化炉工程运用以及粉煤气化机理深入认知的考虑，本文主要利用CFD模拟软件nuent对惠生一壳牌下行水激冷气化炉进行三维建模，研究气化炉的流场特性、温度场分布以及气化产物组成分布等关

6、键特性。1建模与计算1．1研究对象及建模以首套商业运行的惠生．壳牌下行水激冷气化炉为研究对象，气化炉的操作压力为4MPa(G)，气化剂为纯氧和高压水蒸气，干燥后的粉煤通过高压COz输送，粉煤的工业分析和元素分析见表1。单喷嘴粉煤流量2．47kg／s，温度80℃；C02、氧气以及水蒸气均按比例加入气化炉。第2期田靖等：惠生一壳牌下行水激冷气化炉的数值模拟91本文建模区域为气化反应发生的主要场所即膜式水冷壁气化室，气化炉三维模型简图如图1中(a)所示。由于气化炉喷嘴附近存在较大速度梯度，且与气化炉本体相比尺寸较小，将气化炉本体和喷嘴区域进行分区划分网格，整个气化炉模拟区域由

7、拱顶到气化室出渣口划分为不同区域。计算网格主要采用六面体网格，仅对喷嘴所在区域采用四面体网格进行划分，通过分析比较，最终得到用于模拟计算的网格如图1中(b)所示。6、b7图1气化炉三维模型及计算网格Hg．13D髀咖etryandm锚hoftlleg嬲mer1．2计算模型及方法惠生．壳牌下行水激冷气化炉是一种典型的粉煤气流床气化炉。气流床气化过程十分复杂，所涉及的物理变化和化学反应较多，对气化过程的数值模拟需要建立气固两相的流动、传热和化学反应等模型。为了便于数值模拟，采用的主要计算假设包括【12】：(1)气化炉为稳态系统，进料流量及组成等