第22卷第5期熱能動力工程Vol.22,No.52007年9月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERCY AND POWERSep. ,2007新能源動力技術(shù) 子文章編號:1001 - 20200)050 -0560-04油水煤漿在新型氣化爐內(nèi)氣化過程的數(shù)值模擬于海龍' ,劉建忠2(1.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450007;2.浙江大學(xué)能源潔凈利用與環(huán)境工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310027)摘要:在多噴嘴入口新型水煤漿氣化爐內(nèi)對油水煤漿燃料是一種加入不同量的水和少量分散劑、乳化劑(COW)的氣化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算研究,分析了氣化爐的分散在燃料油中的煤的濃漿。與現(xiàn)行的取代燃內(nèi)的溫度分布、各種氣化產(chǎn)物濃度分布規(guī)律。數(shù)值模擬計(jì)算料,如油煤漿和水煤漿相比,油水煤漿的使用有以下結(jié)果證明,同濃度的油水謀漿氣化與普通水煤漿氣化相比，優(yōu)點(diǎn):(1)具有良好的燃燒效率,且對于鍋爐和噴嘴氣化爐內(nèi)平均溫度略有上升,碳轉(zhuǎn)化率提高1.81%.氣化爐都有較低的粘度;(2)作為工業(yè)燃料,燃燒效率高，出口粗煤氣中有效氣(C0+ H)含量提高10. 58%,CO2和微粒煤煙少,環(huán)境污染小;(3)顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油煤漿H20濃度大幅下降，水分解率大大提高，氣化效果明顯優(yōu)于和水煤漿中煤的顆粒粒度，這--特性使油水煤漿不普通水煤漿。僅可以直接用于燃油鍋爐,而且能夠替代柴油機(jī)用關(guān)鍵詞:油水煤漿;氣化;氣化爐;數(shù)值模擬柴油;(4)是適用于通過噴嘴霧化的懸浮液一乳化中圖分類號:TQ534文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A混合物,在燃燒過程中能產(chǎn)生微爆炸和水-汽,這些效應(yīng)結(jié)合在一起使油水煤漿成為高熱值燃料;(5)引言可擴(kuò)大煙煤種使用范圍,采用揮發(fā)分較低的無煙煤由于受到德士古水煤漿氣化技術(shù)專利的制約,等;(6)由于燃料油的加入,比水煤漿具有較低的燃國內(nèi)如采用水煤漿為原料利用德士古爐進(jìn)行氣化，點(diǎn)。都要為德士古公司支付昂貴的專利費(fèi)。要改變這一狀況,解決問題的良好途徑就是利用現(xiàn)有的氣化技2目前國內(nèi)油水煤漿開發(fā) 現(xiàn)狀及特點(diǎn)術(shù)尋求不同原料的氣化。筆者對有關(guān)這方面技術(shù)的國內(nèi)外資料和文獻(xiàn)進(jìn)行了研究和分析后認(rèn)為，油水CoW由油、水、煤3種成分和少量添加劑經(jīng)過煤漿氣化技術(shù)是目前非常有發(fā)展前景的技術(shù)之一。物理加工處理而成。根據(jù)煤漿外相成分,可將油水因此，油水煤漿的氣化技術(shù)在社會生產(chǎn)中具有一定煤漿分為油基油水煤漿與水基油水煤漿兩種,兩者的現(xiàn)實(shí)意義。的煤含量一般都在35% ~ 50%,水的含量不低于15%。目前,有資料顯示,油水煤漿與油煤漿以及水1油水煤漿的性能煤漿相比,具有易點(diǎn)燃、熱值高、節(jié)省用油、粘度低等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。而且由于其內(nèi)相為煤和另-一種液體,其近年來,人們又開始著眼于一種新型煤漿一穩(wěn)定性機(jī)理有所變化,穩(wěn)定因素也有所增加。由于油水煤漿技術(shù)(COW)的研究，因?yàn)樗茉? -定程度受技術(shù)水平的限制,我國在油水煤漿技術(shù)方面的研上改善煤炭的品質(zhì)。這種油、煤、水三元混合燃料是究現(xiàn)大多集中在油基油水煤漿上,其特點(diǎn)如下:加拿大人0. Trass 和G. Papach ristodou lou提出的，(1)油基CoW燃料為屈服假塑性流體,對于鍋國內(nèi)對這方面的研究是近幾年來才開始的"。爐和噴嘴都有較低的粘度;這種煤漿燃料同樣具有用燃料油、細(xì)磨煤粉和水組成的新型三元混合剪切降粘性質(zhì),此外這種漿體的粘度明顯地低于水燃料作為未來的一種潔凈燃料前景看好。這合成煤漿和油煤漿;收稿日期:2006-12-30;修訂日期:2007-03-30基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃基金資助項(xiàng)目20021770)作者簡介:于海龍(1975- ),男,吉林人,中原工學(xué)院副教授,博士.第5期于海龍,等:油水煤漿在新型氣化爐內(nèi)氣化過程的數(shù)值模擬●561●(2)油基油水煤漿的燃點(diǎn)較水煤漿低,實(shí)驗(yàn)所煤漿氣化爐爐內(nèi)三維空間。氣化爐內(nèi)徑為0.5 m, .得的漿體稍經(jīng)加熱即能直接點(diǎn)燃,且其燃燒熱值也凈高1.5 m,高徑比為3,氣化爐爐頂設(shè)置有一個水較高,一般均能接近甚至超過動力用煤熱值標(biāo)準(zhǔn),水煤漿噴口,在氣化爐側(cè)距氣化爐頂部0.9 m處有4煤漿則達(dá)不到這樣的熱值標(biāo)準(zhǔn)。個對稱布置的傾角為459的噴嘴,其具體模型如圖1(3)油水煤漿的煤種適應(yīng)性較廣。本文所述實(shí)所示;計(jì)算用數(shù)學(xué)模型見文獻(xiàn)[6~9]。制油水煤漿驗(yàn)中已經(jīng)成功地利用無煙煤、煙煤、褐煤等多種煤種用油可以為渣油、重油、原油，也可以是輕質(zhì)柴油或制得了油基油水煤漿,其各種性能較好。汽油;計(jì)算采用的油水煤漿中油含量35%,采用渣(4)油基油水煤漿在流變性質(zhì)上,完全不同于油,煤含量45%,水含量20%;制漿用原煤成分分析水煤漿,這表明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與水煤漿也有較大的差結(jié)果如表1所示。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時氣化爐的異。實(shí)驗(yàn)證明,這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)使體系的穩(wěn)定性大大運(yùn)行工況為:油水煤漿流量600 kg/h.氣化壓力4.0增加。MPa、氧碳原子比0.94、爐頂噴嘴氧氣流量118 m'/h、(5)與普通水煤漿相比，燃燒效率有所提高,潔爐側(cè)單 只噴嘴氧氣流量36 m/h。凈程度也進(jìn)一步增加。妒膛爐側(cè)噴嘴人口3油水煤漿氣化過程數(shù)值模擬爐頂噴s出口嘴人口利用水煤漿氣化的數(shù)值模擬計(jì)算方法對油水煤漿在新型水煤漿氣化爐內(nèi)的氣化過程進(jìn)行了數(shù)值模爐倒噴嘴人口位置.爐側(cè)唆嘴入口角擬，數(shù)值模擬計(jì)算的物理模型為600 kg/h 的新型水圖1數(shù)值模擬計(jì) 算的物理模型表1制漿用煤粉成分分析數(shù)據(jù)工業(yè)分析/%元素分析/%AFCu Q.on/kJ.kg CSu3.4027.057.7361.8224 26875.903.507.421.210.843.1氣化爐內(nèi)溫度分布區(qū)、折返流區(qū)和管流區(qū)的位置及形成進(jìn)行了詳細(xì)的說明,歸納氣化爐內(nèi)流場分布規(guī)律。圖2是油水煤漿氣化時氣化爐內(nèi)溫度分布的等高線圖。從圖中可20+032.9e-03以看出,與普通水煤漿氣化相比,油水煤漿氣化時噴嘴射流入口附近局部高溫區(qū)明顯增加，而且火焰黑2.4e+03區(qū)拉得更長,除噴嘴射流流場內(nèi)溫度分布變化較大22+03外，回流區(qū)管流區(qū)、折返流區(qū)內(nèi)溫度分布都非常均2.1e+032.0e+03勻。分析其原因,這是由于在油水煤漿中加入大量1.7e+03的油，油水煤漿的著火溫度明顯降低，著火提前，同1.5e+03時油又是高揮發(fā)性物質(zhì),遇熱后很快揮發(fā),這更加劇1.4e+03了油水煤漿的燃燒著火進(jìn)程,而且由于油水煤漿粘1.1e+03Q.eto2度很低,霧化效果非常好,也使得油水煤漿在- -進(jìn)入7.9e+02氣化爐后很快著火燃燒,而油燃燒時火焰黑區(qū)相對煤要長,這也是油水煤漿燃燒火焰黑區(qū)較長的一個主要原因。油水煤漿中固體物質(zhì)- -煤的含量相對焦圖2氣化爐 內(nèi)溫度分布等高線圖水煤漿和普通水煤漿要低,因此揮發(fā)性物質(zhì)燃燒完畢剩余的焦炭量也大幅度降低,易于揮發(fā)的物質(zhì)很文獻(xiàn)[10]中對氣化爐內(nèi)射流區(qū)、撞擊區(qū)、回流快在射流區(qū)和撞擊區(qū)內(nèi)燃燒完畢,氧氣也消耗殆盡,大部分沒有燃燒掉的焦炭即進(jìn)人還原性氣氛當(dāng)中，●562.熱能動力工程2007年進(jìn)行的是還原性反應(yīng)而不能燃燒,因此使得除射流計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，各種物質(zhì)在氣化爐內(nèi)區(qū)和撞擊區(qū)外其它區(qū)域溫度分布非常均勻,均勻的的濃度分布規(guī)律與水煤漿相比并無大的差別,只是溫度分布不僅大大增加氣化爐內(nèi)耐火磚的使用壽在量上有所不同。CO和CO2濃度分布規(guī)律依然相命,而且更加有利于后期焦炭還原反應(yīng)的進(jìn)行,這是反,而H2和H20的濃度分布也呈相反狀態(tài)。各種油水煤漿氣化時的一個重要特點(diǎn)也是- -大優(yōu)點(diǎn)。物質(zhì)除在噴嘴射流區(qū)和撞擊區(qū)內(nèi)濃度差別較大外，3.2氣化爐內(nèi)各種物質(zhì)濃度分布在其它區(qū)域尤其是管流區(qū)內(nèi)濃度分布非常均勻,均圖3中(a)、(b)、(c)、(d)依次為氣化爐內(nèi)各種勻的物質(zhì)濃度分布給后期焦炭還原反應(yīng)的進(jìn)行提供主要物質(zhì)CO、CO2、H2、H20的濃度分布的數(shù)值模擬了良好的條件。0.50.230.460.220.310.420.200.400.180.170.360.160.320.140.300.130.120.110.090.080.070.040.030.0770.020.039 .0.0090.0190.0050.00間co(0) CO, .(間) H, .(田)H0圖3氣化爐內(nèi)各物質(zhì)濃度分布3.3氣化爐出口粗煤氣組成從表2中可以看出，油水煤漿氣化時出口粗煤表2是油水煤漿氣化時出口粗煤氣組成、氣化氣組 成和普通水煤漿氣化有較大的差別,尤其是H2爐內(nèi)平均溫度碳轉(zhuǎn)化率、顆粒平均停留時間等的數(shù)和H20濃度差別較大。H2濃度明顯增加而H20濃值模擬計(jì)算結(jié)果與普通水煤漿的對比。度明顯降低，H2濃度從22%增加到36.21%,增幅達(dá)表2油水煤漿和普通水煤漿氣化時到64. 6% ,而H20濃度從18.71%下降到8.06%,降出口粗煤氣組成等的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比低幅度達(dá)到56.9%,而CO和CO2濃度稍有降低，但油水煤漿普通水煤漿(65%幅度不大。分析其原因認(rèn)為，由于人爐H20量就很C42.1445.77少,因此氣化產(chǎn)物中H20濃度大幅降低是必然的;H36.2122.00另外,由于在油水煤漿中加入了大量的渣油,而渣油CO211.7013.43中烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等的含量非常高,這些易揮H08.0618.71CH4).08發(fā)的烴類大大提高了油水煤漿中H原子的含量,同O2∞00時這些烴類在還原性氣氛下很容易發(fā)生C-C鍵的斷COS和H2S等1.860.裂,斷裂后的C-H在還原性氣氛下很容易分解出濕有效氣組成(CO+ H2)78.3567.7H2,因此大大增加了氣化爐內(nèi)H2的濃度。在油水煤干有效氣組成(00+ H2)88.7379.33漿氣化時氣化產(chǎn)物中H2的來源與水煤漿氣化有所水分解率/%61.3553.08不同,除了來自水的分解和焦炭還原反應(yīng)外，烴類的爐內(nèi)平均溫度/K1 657.41 594.分解也占很大- -部分。這對于那些對出口粗煤氣中顆粒平均停留時間/s6.3156.234氫氣濃度要求很高的企業(yè)來說是存在很大優(yōu)勢的。碳轉(zhuǎn)化率/%99.3597.54同時也看到，出口煤氣中有效氣(C0+ H2)含量與水第5期于海龍,等:油水煤漿在新型氣化爐內(nèi)氣化過程的數(shù)值模擬●563●煤漿氣化相比也大幅度提高,從67.77%增加到78.參考文獻(xiàn):35% ,提高了10.58% ,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。從表2中也可以看出,與水煤漿氣化相比，油水[1]王俊玲 ,齊祥明,宗志敏，等.新型油水煤漿燃料的研究與探索煤漿氣化時氣化爐內(nèi)平均溫度有所增加，這是因?yàn)閇].礦業(yè)快報(bào)2002011):11-13.1油水煤漿的熱值高于普通水煤漿,它增加了氣化爐[2]朱紅.陳公倫.松全元.煤漿燃料的新進(jìn)展[J].選煤技術(shù)，2000(1):8-9.內(nèi)的單位容積熱強(qiáng)度。因此,為了降低氣化爐內(nèi)平[3]陳業(yè)泉,朱紅,孫正貴， 等.油基油水煤漿的流變性質(zhì)研究均溫度,增加氣化爐內(nèi)耐火磚的使用壽命,應(yīng)適當(dāng)降[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001, 30(6):608 -612.低油水煤漿的入爐量,也即降低負(fù)荷,或者說對于同[4] 朱紅,趙煒,閆學(xué)海.油水煤漿三元混合體系的制備及特性樣容積的氣化爐在作為油水煤漿氣化爐設(shè)計(jì)時,氣研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002.31(6):579 - 582.化爐額定負(fù)荷的設(shè)計(jì)值要低于普通水煤漿。油水煤[5]國學(xué)海 ,胡衛(wèi)新,朱紅.油- 水-煤漿制備過程中規(guī)律性探索[J].江蘇煤炭200(1):28-30. .漿氣化時碳轉(zhuǎn)化率明顯增加,達(dá)到了99. 35% ,這可[6] 于海龍趙翔.周志軍，等.氧煤比和煤漿濃度對水媒漿氣化能是因?yàn)榇罅恳兹?、易揮發(fā)的烴類的加人,使得氣化影響的數(shù)值模擬[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，20032(4):370 - 374. .爐內(nèi)固體物質(zhì)濃度大幅下降,大大降低了氣相與固[7]于海龍,趙 翔,周志軍,等. 氧煤比對水煤漿氣化影響的數(shù)值相之間傳質(zhì)的難度,因此焦炭的還原反應(yīng)進(jìn)行得更模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2004.29(5):606 - 610.[8]于海龍,趙 翔 ,周志軍,等，煤漿濃度對水煤漿氣化影響的數(shù)徹底,這就大大提高了氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率。值模擬[].動力工程,005,25(2):212 - 220,238.對油水煤漿與普通水煤漿氣化相進(jìn)行比較,前[9]于海龍 ,劉建忠,張桂芳.等.噴嘴位置對新型水煤漿氣化爐內(nèi)者的較大優(yōu)勢在于其可以獲得較多的H,而CO濃流場影響的數(shù)值模擬[J].動力I程2006.26(1);135 140.度又不至于降低太多,氣化產(chǎn)物中總的有效氣含量[10]于海龍,劉建忠 ,張桂芳,等.水煤漿氣化爐的形式和新型氣化大幅度增加，同時所需02量也有所下降,氧碳原子爐的開發(fā)[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2007,30(1):21 -25.比可以在較低情況下運(yùn)行。(編輯柴舒)4結(jié)論●書 訊.對油水煤漿目前國內(nèi)外發(fā)展的概況進(jìn)行了分析,并且對油水煤漿的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。從循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行與檢修其特有的特點(diǎn)和目前發(fā)展的狀況來看,油水煤漿是未來比較有發(fā)展前景的新型燃燒和氣化原料。鑒于本書由多年從事循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的理此,作者利用數(shù)值模擬計(jì)算方法對油水煤漿的氣化論研究、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)試等第一過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果顯示:線工作的技術(shù)人員編寫。本書是有關(guān)循環(huán)流體(1)油水煤漿氣化時氣化產(chǎn)物和普通水煤漿氣床鍋爐原理、運(yùn)行及維修方面的專著,總結(jié)了循化有較大的差別,尤其是H2和H20濃度差別較大，環(huán)流化床燃燒技術(shù)基本理論,糾正了目前流行H濃度明顯增加而H20濃度明顯降低，H2濃度從的一些錯誤的概念,介紹了循環(huán)流化床鍋爐的2%增加到36.21% ,增幅達(dá)到64.6%，而H20濃度典型結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、安裝要求、運(yùn)行技術(shù)和規(guī)程、調(diào)↓從18.71%下降到8.06% ,降低幅度達(dá)到56 9%;試經(jīng)驗(yàn)、性能試驗(yàn)方法.檢修與維護(hù)要點(diǎn)以及運(yùn)(2)合成氣成分中co和CO2濃度稍有降低,但行事故的處理等。本書既有基礎(chǔ)理論,又有實(shí)幅度不大;踐經(jīng)驗(yàn),深入淺出,比較貼近實(shí)際,通俗易懂。↑(3)在油水煤漿氣化時氣化產(chǎn)物中H2的來源本書適用于從事循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)、制造、與水煤漿氣化有所不同,除了來自水的分解和焦炭運(yùn)行、安裝、調(diào)試、維修和設(shè)計(jì)院的專業(yè)技術(shù)人還原反應(yīng)外,烴類的分解也占很大-部分;員及管理人員,也可供循環(huán)流化床鍋爐基本理(4)與水煤漿氣化相比，油水煤漿氣化時氣化論研究的科研人員和動力工程專業(yè)的師生學(xué)↑爐內(nèi)平均溫度有所增加,碳轉(zhuǎn)化率則增加較大，達(dá)到習(xí)、參考。了99.35%。