Vol.31 No. 3.華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2005-06Journal of East China University of Science and Technology (Natural Science Edition)393研究簡報文章編號:1006- 3080( 2005 )03- 0393-05氣流床氣化爐熔渣沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究袁宏宇，瞿海根，任海平，王輔臣”，于遵宏(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,上海200237)摘要:煤氣化工藝中，氣流床氣化爐內(nèi)的熔渣對耐火襯里的高溫侵蝕十分嚴(yán)重,是影響耐火襯里壽命的重要因素。在實(shí)驗(yàn)室條件下建立了熔渣在氣化爐內(nèi)沉積過程的模擬實(shí)驗(yàn)裝置,以石蠟作為模擬介質(zhì)模擬熔渣,通過改變反應(yīng)條件研究了它在雙噴嘴對置式氣化爐內(nèi)的沉積規(guī)律。結(jié)果表明:爐內(nèi)渣層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的時間;氣體溫度高、流量大或模擬介質(zhì)溫度高均不利于熔渣沉積;模擬介質(zhì)流量對熔渣沉積的影響較小;相對于水冷,氨冷更有利于熔渣沉積。關(guān)鍵詞:氣流床氣化爐;熔渣;石蠟;模擬介質(zhì);沉積規(guī)律中圖分類號:TQ545文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AAn Experimental Study of Slag Deposit in the :Entrained-Flow GasifierYUAN Hong-yu,QU Hai-gen,REN Hai- ping,WANG Fu-chen* ，YU Zun -hong(Institute of Clean Coal Technology , East China University of Scienceand Technology ,Shanghai 200237 ,China)Abstract :In coal gasfication ,the molten coal slag corrodes the refractory lining of the entrained-flowgasifier severely ,which is an important factor affecting the life of refractory lining. The simulation device tostudy deposit of slag in double- nozzle -opposed gasifier is built in laboratory and paraffin is used as themedium. The experiment runs on different reaction conditions and its results show that deposit of slag needsome time to reach static state. It is also observed that the higher of air temperature and air flux and medi-um temperature are ,the less slag deposit thickness is , while the medium flux affect the deposit of slag lit-tle. The slag deposit is obviously thicker on ammonia- cooling part than that on the water- cooling part.Key words :entrained-flow gasifier ;molten slag ;paraffin ;simulation medium ;deposit rule氣流床氣化爐因生產(chǎn)壓力高、負(fù)荷大、碳轉(zhuǎn)化率蝕。氣流床氣化爐中耐火襯里有耐火磚和水冷壁兩高,成為應(yīng)用廣泛、發(fā)展前景最好的煤氣化技術(shù)之種。Texaco氣化爐采用耐火磚襯里。耐火磚襯里一。 在生產(chǎn)中,影響氣流床氣化爐安全、穩(wěn)定、長周期的中國煤化工的價格與氣化爐受壓殼操作的一個關(guān)鍵因素是爐膛內(nèi)熔渣對耐火襯里的腐體YHCN MH G時里需要定期檢修更換，目前Texaco氣化爐向火側(cè)的耐火磚最長壽命僅2基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2004CB217703)年[2]。Shell 氣化爐采用水冷壁技術(shù)[],僅在向火面E-mail:wfch@ ecust. edu. cn有一層薄的耐火材料,正常操作時,依靠掛在水冷壁收稿日期:2004-09-16.上的熔渣層保護(hù)水冷壁。其水冷壁壽命約為25年，作者簡介:袁宏宇(1978-),男,碩士生,研究方向?yàn)槊簹饣?94華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第31卷噴嘴壽命1年以上。從長遠(yuǎn)考慮,水冷壁技術(shù)優(yōu)于耐外水冷壁內(nèi)通入冷卻介質(zhì),冷卻介質(zhì)用水冷、氨冷或火磚,是今后的發(fā)展方向。空氣冷卻,見圖2。熔融態(tài)的石蠟撞到爐壁上后,與水冷壁技術(shù)采用“以渣抗渣”[4的思想,在水冷壁面發(fā)生熱交換，其溫度低于石蠟?zāi)厅c(diǎn)的就凝固壁內(nèi)側(cè)附著-層均勻分布的熔渣層,抵御高溫熔渣并附著在水冷壁上,形成-定厚度的石蠟層。在氣化對水冷壁的腐蝕。因此研究熔渣在氣化爐內(nèi)的沉積爐模擬器上有8只E型熱電偶(12),不斷測量爐內(nèi)規(guī)律對水冷壁的優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義。目溫度，數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)。前我國還未見有氣流床氣化爐熔渣沉積規(guī)律的相關(guān)1.2 渣層厚度取樣點(diǎn)及熱電偶位置排布研究文獻(xiàn)報道。實(shí)驗(yàn)需要采集的數(shù)據(jù)主要包括爐內(nèi)溫度場分布,以及模擬介質(zhì)的厚度分布。實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,模1實(shí)驗(yàn)設(shè)計擬介質(zhì)在壁面形成厚度一定的固態(tài)渣層。為方便表示其厚度分布,沿軸向方向把爐體幾何分為13個單煤氣化過程是在高溫、高壓、湍流多相流動的條元,其中噴嘴上部區(qū)域4個,下部9個,沿環(huán)向再均件下進(jìn)行的,涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過程的交勻分為8個部分(如圖2所示),分別測量這些部分互作用,因此在實(shí)驗(yàn)室很難完全重現(xiàn)工業(yè)氣化爐內(nèi)的渣層厚度,可以表示渣層厚度的軸向和環(huán)向分布。熔渣流動情況?？紤]到氣化爐中,熔渣的形成與穩(wěn)定下文中的軸向分布的數(shù)據(jù)統(tǒng)-使用模擬氣化爐北面“掛壁”主要與爐內(nèi)的溫度場分布有關(guān),因此本實(shí)驗(yàn)的軸向測量數(shù)據(jù)作為比較;環(huán)向分布的數(shù)據(jù)統(tǒng)-使采用命題轉(zhuǎn)化的方法,用模擬介質(zhì)在氣流床內(nèi)的湍用模擬氣化爐第9單元的測量數(shù)據(jù)作為比較。流多相流動來模擬熔渣,借以研究熔渣在氣化爐內(nèi)的流動沉積規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)基于此進(jìn)行了設(shè)計,在實(shí)驗(yàn)VaultNorth1th室條件下建立了熔渣在氣化爐內(nèi)沉積過程的模擬實(shí)驗(yàn)裝置,以石蠟作為模擬介質(zhì)模擬溶渣。3th26th( >8tl1. 1實(shí)驗(yàn)裝置及流程N(yùn)ozzle4th5th{模擬實(shí)驗(yàn)工藝流程見圖1。4th\th_Sth6thOutlet of cooling_7thmediumWater wall9th11th-斗'°- t t. Inlet of colig7一J12th品[813th、 Bottom、 Intersection回一回p圖2氣化爐幾何分區(qū)及熱電偶排列位置圖Fig. 2Geometry discretization and thermoelectric pair圖1模擬實(shí)驗(yàn)工藝流程圖.location of the gasifierFig. 1 Schematic diagram of the simulant experiment1- Simulation gasifier;2- Cool storage tank of paraffin;3- Storage1.3實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容tank of water;4-N2 eylinder ;5- Intelligent controller series AI;6-實(shí)驗(yàn)主要考察了實(shí)驗(yàn)時間、氣體溫度、氣體流Storage tank of paraffin;7- Computer recorder;8- Air heater;9-量、模擬介質(zhì)溫度、模擬介質(zhì)流量、冷卻介質(zhì)的不同Air compressor; 10- Air drier; 11- Nozzle; 12- Thermoelectric對模址介質(zhì)在辟而厚庶分布的影響。pair;13- Water wall中國煤化工空氣先經(jīng)空氣干燥器(10)干燥,經(jīng)空氣加熱器YHCNMH G(8)加熱至-定溫度后送入噴嘴(11)外通道;在AI全通用人工智能調(diào)節(jié)器(5)的控制下石蠟被石蠟存2.1實(shí)驗(yàn)時間對模擬介質(zhì)在壁面厚度分布的影響儲加熱槽(6)加熱至設(shè)定的溫度,在(4)內(nèi)氮?dú)鈮毫υ诮o定條件(環(huán)境溫度16~18 °C,氣體溫度的作用下石蠟被送入噴嘴中心通道,在外通道空氣70 °C,氣量40 m2/h,模擬介質(zhì)溫度80 °C,水冷卻,的作用下霧化，噴射進(jìn)入氣化爐模擬器(1)。氣化爐第3期袁宏宇,等:氣流床氣化爐熔渣沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究395水溫20~23°C)下,研究了不同實(shí)驗(yàn)時間(10、30、增強(qiáng),渣膜厚度易變薄,當(dāng)爐內(nèi)溫度變低時,模擬介60、120min)對模擬介質(zhì)在壁面的沉積厚度分布影質(zhì)的粘度升高,其流動性降低,渣膜厚度又易變厚;響,結(jié)果如圖3所示。另一方面.爐內(nèi)溫度升高,氣體與渣層的對流換熱系數(shù)增大,熱流密度增大,造成渣層溫度升高,部分固昌號[ (a)1/mi:態(tài)渣層融化,渣層總體厚度變薄。變薄后其導(dǎo)熱系數(shù)變大,將增加的熱流量導(dǎo)出。:-i20昌14[ (a)12上 :-600C11 13Axes cell i(b)t/ min:1113.- 120Axes cellib)2123456789E 10:-60°CRadial celli圖3實(shí)驗(yàn)時 間對模擬介質(zhì)軸向厚度(a)與環(huán)向厚度(b)分布的影響Radial cell iFig.3 Effect of reaction time on axes and radia thicknessof medium圖4氣體溫度對模擬介質(zhì)軸向厚度(a)與環(huán)向厚度(b)分從圖3可以看出隨著實(shí)驗(yàn)時間的增加,壁面沉積的模擬介質(zhì)厚度在開始10~30min內(nèi)增加較快，F(xiàn)ig.4 Effect of gas temperature on axes and radial thick .但當(dāng)時間大于60 min后，模擬介質(zhì)厚度變化不大，ness of medium可以認(rèn)為此時趨于穩(wěn)定。這主要是由于實(shí)驗(yàn)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)很快,在本實(shí)驗(yàn)條件下,60 min左右實(shí)驗(yàn)[ (a)即達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。工業(yè)條件下,渣膜達(dá)到穩(wěn)態(tài)也需要-定的時間。故在正式生產(chǎn)之前,可以使用高灰分含量的煤(產(chǎn)渣量也較多)在爐內(nèi)生產(chǎn)一段時間,使得爐內(nèi)壁上附著135上一層均勻穩(wěn)定的熔渣層,利用以渣抗渣，保護(hù)耐火襯里，延長耐火襯里的使用壽命。: (b)1- 80°C2.2氣體和模擬介質(zhì)溫度對模擬介質(zhì)厚度分布的●-72C影響保持實(shí)驗(yàn)條件(環(huán)境溫度16~18 °C,氣量60m3/h,模擬介質(zhì)溫度80 °C,水冷卻,水溫15~17 °C,實(shí)驗(yàn)1 h)不變,改變氣體溫度,分別在60、70 °C進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。圖5模擬介質(zhì)溫度對其軸向厚度(a)與環(huán)向厚度(b)分布保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變,改變模擬介質(zhì)溫度,分的影響別在72.80 °C時進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖5。從圖4.5可Fig中國煤化工rture on its axes and radial以看出，氣體溫度、模擬介質(zhì)溫度對模擬介質(zhì)沉積的:HCNMH G厚度分布有著相似的影響。溫度越高，模擬介質(zhì)厚度頭驗(yàn)十及比Nry唄傭必溫度明顯偏高且模擬介越薄,反之則越厚。這是因?yàn)槿绻麣怏w或是模擬介質(zhì)質(zhì)沉積厚度薄于其他地方,與第9單元相比,爐壁溫溫度較高,那么帶入爐內(nèi)的熱量也多,相應(yīng)爐內(nèi)溫度度平均要高15~20 °C,模擬介質(zhì)的沉積厚度平均要也較高,這時在氣化爐內(nèi)部存在兩方面的影響。-方少6~7mm。因此,對于工業(yè)水冷壁氣化爐,要特別面,爐內(nèi)溫度升高,模擬介質(zhì)的粘度降低,其流動性注意噴嘴區(qū)域的水冷壁保護(hù),加強(qiáng)此處的冷卻效果396華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第31卷2.3氣體流量對模擬介質(zhì)在壁面厚度分布的影響所示。從圖7可以看出,在-定范圍內(nèi)變化的模擬介保持實(shí)驗(yàn)條件(環(huán)境溫度16~18 °C,氣體溫度質(zhì)流量對其厚度的軸向和環(huán)向分布幾乎沒有什么影65 °C,模擬介質(zhì)溫度80°C,水冷卻,水溫16~響。因此當(dāng)模擬介質(zhì)流量變化不是很大時,可以忽略17 °C,實(shí)驗(yàn)2 h)不變,分別在40、50 m3/h的氣量下其影響。進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。從圖6可以看出,氣體流量對模擬介質(zhì)沉積厚度分布有一定的影響,氣體昌ζF (a6--- 14.0 kg/h流量變大,模擬介質(zhì)相對變薄,反之變厚,但其影響g5●-18.3kgh.不如溫度顯著。?「(a)11 130f ●- 40 m3/bAxes cell i8+●-50 m3/h6|昌(b)a5t●-18.3 kg/h8r (b)1234567 89二sRadial cell i圖7模擬介質(zhì)流 量對其軸向厚度(a)和環(huán)向厚度(b)分布:-40 m3/h●- 50 m3/h的影響Fig. 7 Effect of medium flux on its axes and radial thicknesRadial celli模擬介質(zhì)流量對其厚度分布的影響很小,是由圖6氣體流量模擬介質(zhì)軸向厚 度(a)與環(huán)向厚度(b)分布于渣層的厚度主要受溫度場的影響。而本實(shí)驗(yàn)中模擬介質(zhì)流量的改變對爐內(nèi)的溫度場影響很小，例如Fig. 6.Effect of gas flux on axes and radial thickness of在18.3、14.0kg/h的流量下進(jìn)行的兩次實(shí)驗(yàn),爐內(nèi)medium .的溫度場幾乎沒有改變。氣體流量對模擬介質(zhì)厚度分布的影響主要有兩個方面:一、實(shí)驗(yàn)中,模擬介質(zhì)溫度-般都高于氣體昌14 |a)溫度,因此氣體流量增大，氣體與模擬介質(zhì)通過噴嘴1- Ammonia10.-Water n霧化后進(jìn)入氣化爐的混合物的溫度相對降低,從而影響了爐內(nèi)的溫度場分布,進(jìn)而影響了模擬介質(zhì)的厚度分布。二、氣流對模擬介質(zhì)表面有沖刷作用。當(dāng)氣體流動方向與模擬介質(zhì)液態(tài)層流動方向相反時，相互間的摩擦阻力阻礙了液態(tài)層的流動,渣膜會變昌121[ (6)厚:當(dāng)氣體流動方向與模擬介質(zhì)液態(tài)層方向相同的8時候,液態(tài)渣層流速變大,渣膜會變薄。61在直桶段與下錐體交接處(見圖2),模擬介質(zhì)■-. Ammonia2t●- Water沉積厚度大大超過水冷壁處，常常達(dá)到20 mm。由.234567 89于此處熔渣由豎直流動變?yōu)閮A斜流動,熔渣流動變慢,渣層必然增厚,嚴(yán)重的時候可能會造成排渣口堵中國煤化工塞。因此.在工業(yè)生產(chǎn)中,需要注意熔渣的流動情況，圖{MHCN M H G厚度(a)與環(huán)向厚度(b)分避免排渣口堵塞,影響正常的生產(chǎn)。布時彭啊y2.4 模擬介質(zhì)流量對其厚度分布的影響Fig.8 Effect of cooling medium on axes and radial thick-保持其他條件(氣體溫度70 °C,氣量40 m2/h,ness of medium水冷,實(shí)驗(yàn)l h)不變,改變模擬介質(zhì)流量,分別在流2.5冷卻介質(zhì)對模擬介質(zhì)厚度分布的影響量為18. 3、14.0 kg/h時進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7保持其他實(shí)驗(yàn)條件(氣量40 m*/h,氣體溫度第3期袁宏宇，等:氣流床氣化爐熔渣沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究39770 °C,模擬介質(zhì)溫度80 °C,實(shí)驗(yàn)1 h)不變,分別研未水冷條件下渣層厚許多,本實(shí)驗(yàn)條件下,模擬試驗(yàn)究了氨冷和水冷對模擬介質(zhì)厚度分布的影響。從圖介質(zhì)石蠟在水冷壁上的沉積厚度在7~8 mm間,模8可以看出,在氨冷條件下,模擬介質(zhì)厚度明顯比水?dāng)M介質(zhì)石蠟的粘度為0.01 Pa●S。而工業(yè)上,液態(tài)冷條件下的厚。氨冷條件下渣層最大厚度為15排渣爐的正常排渣粘度在5~10Pa●S,最高不超mm,而水冷條件下的渣層最大厚度只有8 mm左過25Pa●S5],考慮到熔渣的流動受粘度的影響很右。氨冷的效果顯著,是因?yàn)榘崩鋾r,氨氣有相變發(fā)大，所以工業(yè)條件下,在水冷壁上形成幾十個毫米厚生,吸收了大量的熱,造成爐內(nèi)溫度降低，進(jìn)而使得的均勻分布的石蠟層是完全可行的。渣層溫度降低,厚度顯著增加。(3)氣化爐內(nèi)熔渣流動沉積規(guī)律比較復(fù)雜,牽扯到氣、液、固多相流動與傳熱,對相關(guān)的規(guī)律還需3結(jié)論要進(jìn)一步的研究。(1)通過改變實(shí)驗(yàn)條件(實(shí)驗(yàn)時間、氣體溫度、參考文獻(xiàn):氣體流量、模擬介質(zhì)溫度、模擬介質(zhì)流量、冷卻介質(zhì))考察了不同條件下渣層在模擬氣化爐內(nèi)壁的厚度分[1]徐振剛,吳賢賢.Texaco氣化技術(shù)及其在中國的應(yīng)用[J].煤炭布情況。渣層約在1 h左右達(dá)到穩(wěn)定:空氣及模擬介轉(zhuǎn)化,1995,18(1):20-21.質(zhì)溫度對氣化爐中渣層的厚度分布影響顯著,溫度[2]焦樹建. 干法供煤和水煤漿供煤的氣化爐性能之比較[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2000.13(2):2-7.越高,厚度越薄,反之越厚;氣量對渣層厚度分布有[3] 于廣鎖,牛苗任,王亦飛,等.氣流床煤氣化的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展一定影響 ,但其影響不如溫度顯著;模擬介質(zhì)流量在趨勢[J].現(xiàn)代化工，2004,24(5):23-26.-定范圍內(nèi)變化時,對渣層厚度分布以及溫度分布[4] 鄭振安.淺析SHELL煤氣化技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化沒有顯著影響;冷卻效果對渣層厚度分布影響顯著,肥設(shè)計,1998,36(3):6-9.氨冷比水冷效果好,水冷又比空氣冷卻好。通過模擬[5] 岑可法.樊建人,池作和，等.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算[M].北京:科學(xué)出版社1994.實(shí)驗(yàn)得出的規(guī)律,結(jié)合工業(yè)實(shí)踐進(jìn)行了思考。(2)水冷壁的使用效果明顯,水冷的條件下比(.上接第392頁)華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) ,2003.29(2):148-151.[6] Zhang Y. 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