第63卷第12期化工學(xué)報(bào)Vol. 63 No. 122012年12月CIESC JournalDecember 2012研究論文新型兩段式氣化爐的數(shù)值分析金渭龍，王亦飛，彭康，吳超琦，許建良(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)摘要:對(duì)一種新型兩段式水煤漿氣化爐的氣化效率進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析。模型中將水煤漿的氣化過(guò)程分為水.分蒸發(fā)、煤熱解、氣相反應(yīng)和氣固異相反應(yīng)等子模型。氣相反應(yīng)速率需同時(shí)考慮湍流混合和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，氣固反應(yīng)的速率采用未反應(yīng)縮芯模型。運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)ke模型描述氣相湍流流動(dòng)，隨機(jī)軌道模型追蹤水煤漿顆粒的運(yùn)動(dòng)。以中試多噴嘴水煤漿氣化爐為建?；A(chǔ)，驗(yàn)證了該水煤漿氣化模型的準(zhǔn)確性。模擬計(jì)算得出新型兩段爐的有效氣組分含量為85. 91%，冷煤氣效率為76. 42%。關(guān)鍵詞:水煤漿;兩段爐;數(shù)值模擬DOI: 10. 3969/j. issn. 0438-1157. 2012. 12. 002中團(tuán)分類(lèi)號(hào): TQ 054文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào): 0438-1157 (2012) 12-3747-09 .Numerical simulation analysis of novel two-stage gasifierJIN Weilong, WANG Yifei, PENG Kang，WU Chaoqi, XU Jianliang( East China University of Science and Technology，Key Laboratory of Coal Gasification ofMinistry of Education, Shanghai 200237，China)Abstract: The gasification efficiency of a novel two-stage gasifier was studied and analyzed by numericalsimulation. In this model the coal-water slurry (CWS) gasification process was divided into several sub-models: water droplet evaporation， coal pyrolysis, gas homogeneous reaction and gas- solidheterogeneous reaction. Turbulent flow mixing and chemical reaction were considered in the rate of gasphase reaction. The unreacted-core shrinking model was used to describe the rate of gas-solidheterogeneous reaction. The realizable ke turbulence model was used for the gas phase flow, and coal-water slurry particles were trackedby the Random- Trajectory model. The CWS gasification model wasverified based on the model subject of a pilot-scale opposed multi-burner (OMB) gasifier. The simulationresult showed that effective gas composition of the novel two-stage gasifier was 85. 91%，and cold gasefficiency was 76. 42%.Key words: coal-water slurry; two-stage gasifier; numerical simulation爐、GE氣化爐、Shell 氣化爐、E-gas 氣化爐和引言MHI氣化爐等凹。其中按氣化爐的結(jié)構(gòu)可分為- -氣流床煤氣化技術(shù)是煤炭清潔高效利用的先進(jìn)段爐和兩段爐，E-gas 和MHI氣化爐都屬于典型技術(shù)，目前已經(jīng)工業(yè)化的氣化技術(shù)有OMB氣化的兩段式氣化爐。兩段式氣化爐的爐膛一般由燃燒2012-04- 24收到初稿，2012 -06- 18收到修改稿。Received中國(guó)煤化工究生。聯(lián)系人:王亦飛。第一作者:金渭龍(1986- -)，男，博士研edu. cnCorrespon:fYHCNMH G"wangyf @ ecust.基金項(xiàng)目:上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人資助計(jì)劃項(xiàng)目(08XD1401306)。●3748●化工學(xué)報(bào)第63卷段和還原段兩部分組成。以MHI氣化爐為例，燃?xì)饣癄t，為及時(shí)有效地預(yù)測(cè)該新型兩段爐的氣化效燒段中噴人粉煤和富氧空氣，粉煤在燃燒段進(jìn)行燃率，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)該氣化爐建立了適當(dāng)?shù)臒筒糠謿饣磻?yīng)，產(chǎn)生大量的熱量和氣化劑。還氣化模型。其中較全面地考慮了水煤漿氣化過(guò)程的原段中只噴人粉煤，與來(lái)自一段的高溫合成氣混各子模型，并且充分考慮了在氣化爐內(nèi)進(jìn)行的主要合，隨即進(jìn)行脫揮發(fā)分和煤焦氣化反應(yīng)[2]。粉煤從反應(yīng)方程，同時(shí)也尋求到了合適的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參二段噴人后進(jìn)行一系列的吸熱反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)數(shù)。本文建立了合適的氣化爐模型，揭示了新型兩的手段降低了合成氣的出口溫度，并且提高了冷煤段爐內(nèi)的氣化反應(yīng)特征，進(jìn)而為后續(xù)的研究工作打氣效率。兩段爐區(qū)別于一段爐最大的特點(diǎn)在于使燃下基礎(chǔ)。燒區(qū)和還原區(qū)可控，各區(qū)域的職能明確。在基于粉1煤氣化模擬假設(shè)煤進(jìn)料的IGCC技術(shù)中，一段氣化和兩段氣化的效率分別為50%和50.9%(8]。由此從氣化效率的角氣流床氣化爐內(nèi)的反應(yīng)非常復(fù)雜，為了便于模度看，兩段氣化效率要高于-段氣化。擬研究采取以下假設(shè):采用模擬研究的方法能夠更加直觀地了解氣化①氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行，水煤漿和氧氣的濃度和爐內(nèi)的氣體流動(dòng)和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并且可以流量不隨時(shí)間變化;預(yù)測(cè)進(jìn)料條件和爐膛結(jié)構(gòu)變化對(duì)氣化爐內(nèi)氣固流動(dòng)②將水煤漿分為兩種離散的顆粒，水滴和粉和氣化效率的影響。Chen 等[+5] 自行編譯了復(fù)雜的煤顆粒;三維模型，模擬日本MHI兩段爐，考察了異相反③脫揮發(fā)分過(guò)程中，假設(shè)煤中的N元素只產(chǎn)應(yīng)速率、煤種、顆粒直徑和二段煤分布對(duì)氣化效率生N2, S元素以H2S形式存在，粉煤快速熱分解的影響。Watanabe 等[6]對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的兩段爐進(jìn)的揮發(fā)分產(chǎn)物為CO、H2、 CO2、CH、H2O、行數(shù)值模擬，將模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,N2、H2S;驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。Vicente 等[7]運(yùn)用雙歐拉模④本文暫不研究撞擊流區(qū)中顆粒的運(yùn)動(dòng)和碰型模擬商業(yè)規(guī)模的兩段爐，模擬得出的氣體組分以撞，其他區(qū)域中煤焦顆粒受氣相的曳力，并且受到及溫度分布與工業(yè)數(shù)據(jù)一致。Shi 等[8]采用Fluent氣相 的稀釋作用，不考慮顆粒和顆粒間的相互計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬了E-gas氣化爐，描述了水作用;煤漿氣化的各子模型，模擬得出的合成氣氣體組分⑤不考慮壁面熔渣流動(dòng)以及壁面反應(yīng)。與Aspen物料平衡的計(jì)算結(jié)果接近。Slezak 等[9°2水煤漿氣化子模型對(duì)商業(yè)規(guī)模的兩段爐進(jìn)行模擬研究，考察了不同脫揮發(fā)分模型條件下，煤顆粒的粒徑和密度對(duì)氣化效2.1 霧化率的影響以及顆粒對(duì)壁面的沖擊作用。杜敏由于水煤漿中的水分和煤顆粒在氣化爐內(nèi)進(jìn)行等10111對(duì)西安熱工的兩段爐進(jìn)行建模，研究了不不同的化學(xué)和物理過(guò)程，所以可將噴嘴噴入的水煤同喉部直徑、兩段長(zhǎng)度比、一段進(jìn)料方式等因素對(duì)漿視為兩種離散的物質(zhì):水滴和粉煤顆粒。假設(shè)水爐內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)和壁面沉積的影響，模擬得出了最優(yōu)煤漿以水滴和粉煤顆粒的形式，在--段噴嘴出口處的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。由此可見(jiàn)數(shù)值模擬是研究氣化爐被充分霧化，霧化錐角12°，初速度8m●s~'.二內(nèi)反應(yīng)過(guò)程的有效手段，對(duì)氣化過(guò)程的優(yōu)化和新?tīng)t段水煤漿采用加壓霧化的方式噴入氣化爐內(nèi)，假設(shè)型的開(kāi)發(fā)有著積極的作用。為了進(jìn)- -步提高氣化效加壓后形成的霧化錐角也為12*，初速度為100率，嘗試將多噴嘴氣化爐進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。在一段噴m●s7',并且假設(shè)水滴和粉煤的粒徑相同，其粒嘴的下方增設(shè)二段噴嘴，- -段噴入水煤漿和氧氣，徑采用R-R分布描述二段只噴入水煤漿，并且提高一段的氧碳比，使一Y。= e-ua”(1)段噴嘴區(qū)域偏向燃燒氣化區(qū)，二段噴嘴區(qū)及其下方其中，d為平均直徑，n為傳播系數(shù)，Y。為直徑大.為還原區(qū)。二段水煤漿顆粒充分利用了一段高溫合于d的質(zhì)量中國(guó)煤化工1，擬合得出該成氣的顯熱，在爐膛內(nèi)經(jīng)歷了一系列的吸熱過(guò)程。指數(shù)方程中YHCNM HG--段和二段反應(yīng)后的灰渣并流向下，從氣化爐的出2.2熱解"口排出。本文提出了一種基于多噴嘴的新型兩段式水煤漿進(jìn)入氣化爐后隨即發(fā)生水分蒸發(fā)過(guò)程和.第12期金渭龍等:新型兩段式氣化爐的數(shù)值分析●3749 ●表1煤粉的粒徑范圍表3氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters for gas reactionTable 1 Particle diameter range of coal powder_d/umYJReaction equationA。E./J.kmol-T β1.260. 99co+-0,- +COr2U42.2X 10121.67X10* 04.370.9515. 140.83H2+號(hào)Or- -H20M16.8X 10151.68X10* 052. 480. 5991.200.45CH,+字0- +C0+2H2(1513. 0X10*1.26X10*- 1181.97275. 420.12Co+H2O--CO2+ H216]2. 75X109B.37X 10'416. 870. 04CHl+H20--C0+3H251_ 4.4X101 1. 68X10* 0630. 960-個(gè)反應(yīng)，同時(shí)考慮這兩個(gè)反應(yīng)速率，實(shí)際的反應(yīng)快速熱解反應(yīng)，根據(jù)假設(shè)③來(lái)確定產(chǎn)生的揮發(fā)分氣.控制速率采用兩者的較小值體組分，并且通過(guò)元素守恒來(lái)確定熱解過(guò)程中各氣R, = min( |R.ewl,IR..l)體組分的含量[1]，得到北宿煤的揮發(fā)分氣體組分2.4異相反應(yīng)含量見(jiàn)表2。異相反應(yīng)主要考慮煤焦-氧氣的燃燒反應(yīng)，煤Coal-- + Char(ash) + Vm焦水蒸氣和煤焦-二氧化碳的氣化反應(yīng)。其中煤焦v_-→a,CH, +azCO+ asCO2 +氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物組分為Co和CO2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明aH2 +aHO+ asH2S+anNz .CO和CO2兩種產(chǎn)物之間的比例滿(mǎn)足以下關(guān)系式脫揮發(fā)分的速率采用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型[(3[co]/[CO,]= 2500exp (- 6249/T)0n]。由此可dm; = (m, - m,)[Y.A1exp(- E:/RT,)+見(jiàn)在氣化爐的操作溫度下，CO2 的含量非常少，Y2Arexp(- En/RT,)](2可以忽略不計(jì)，煤焦的燃燒產(chǎn)物只考慮co.其中，效率因子Y:=0.3, Y:=1, 活化能E:=C(s)+→02→CO .104.6kJ●mol-', E:=167.4 kJ●mol-,指前因C(s) +CO2一-2C0子A,=2X10°s-', A:=1.3X10" s~'，m,為顆粒C(s)+ H2O-→C0+ H2質(zhì)量，m,為所含灰分質(zhì)量。在高溫條件下，氣固異相反應(yīng)可視為表面反.3 同相反應(yīng)應(yīng)，采用未反應(yīng)縮芯模型來(lái)表征氣固反應(yīng)速率，同.在氣化爐內(nèi)發(fā)生-系列的同相反應(yīng)，包括可燃時(shí)考慮灰膜的擴(kuò)散、氣膜擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)速率，其氣體的燃燒、變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)。由于氣化爐反應(yīng)速率式為[18]內(nèi)的反應(yīng)溫度較高，對(duì)于這些氣相反應(yīng)，同時(shí)考慮(Pi- Pi") (3)湍流流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，其反應(yīng)速率由化學(xué)反應(yīng)++六(0-1)速率和湍流混合速率兩者中的較小值控制。采用其中，Y=r./R=[ (1-x)/(1- f)]/, f為熱解EBU模型來(lái)計(jì)算湍流混合反應(yīng)速率，其混合反應(yīng)完成后碳轉(zhuǎn)換率，x為氣化反應(yīng)過(guò)程中碳轉(zhuǎn)化率;速率表達(dá)式為kes是氣膜擴(kuò)散常數(shù); k, 是化學(xué)反應(yīng)常數(shù); k是灰R..emu - CxpCF)°*g/k膜擴(kuò)散常數(shù); keh=kuε2°s，ε是灰層的空隙率;式中Ck 為常數(shù)，f, 為反應(yīng)氣體濃度?；瘜W(xué)反應(yīng)(Pi-Pi')是考慮逆反應(yīng)的反應(yīng)氣體分壓。速率采用Arrhenius方程，其表達(dá)式為2.5熱傳遞R..= A.Te-5./RT氣流床氣化爐內(nèi)含有H2O和CO2，對(duì)輻射具其中，A。為指前因子，β為溫度指數(shù)，E,為活化有較強(qiáng)的吸收作用。爐內(nèi)的光學(xué)厚度aL>1,其中能。各氣相的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。對(duì)于每表2揮發(fā)分組分含量Table 2 Component content of vol中國(guó)煤化工aa3叫4as:YHC N M H Gnolecular weight0.26530. 06110. 02080. 48330. 09740, 05080. 021311. 915.●3750●化工學(xué)報(bào)第63卷a為吸收因子，L為計(jì)算域的長(zhǎng)度尺度。由此可以最(內(nèi))十品,(u,)一最[(+出)路]+采用較為簡(jiǎn)單的P1模型計(jì)算爐內(nèi)的輻射傳熱。人G, +G。-+ S,射輻射輸運(yùn)方程為-又●q, = aG- 4aoT'+ Sc(4晶(四)+,(u,)-三「(u+臺(tái))2]+輻射通量q,的計(jì)算式為pCiS.-pxE=+C. ξC2G。+S，(10)q:=- 3(a+a,)-c.VG .(5其中，σ,為散射因子，G為人射輻射，C為線(xiàn)性異.其中，C= max|0.43, - ?，η=s盡，s=相相函數(shù)系數(shù)，o為Boltzmann 常數(shù)，Sc為自定義V2SgSG，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，μ輻射源項(xiàng)。.耐火磚之間的熱傳導(dǎo)采用多層壁面?zhèn)鲗?dǎo)，圓柱為流體黏度，G,和G,分別是由于浮力和速度梯度.引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，S,和S。為自定義湍流動(dòng)體壁面?zhèn)鲗?dǎo)公式為能和湍流動(dòng)能耗散率源項(xiàng)，C.、C2、pk、pe為常Q.._ 2xL(T.-T.)(6-In Tti數(shù);湍流黏性系數(shù)C,=-其中U°=Ao+A,其中，Tw為金屬殼外壁溫度; r為圓柱體半徑; λ為熱導(dǎo)率。√sSg+nn,,2,是以角速度為we的坐標(biāo)系中得到的時(shí)均旋轉(zhuǎn)速度張量。3數(shù)學(xué)方程3.2顆粒相方程氣化爐內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)，包采用隨機(jī)軌道模型跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，在拉格朗.括水分的蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、煤焦燃燒氣化。本文主日坐標(biāo)系下，顆粒的受力方程為203要對(duì)氣化爐內(nèi)氣化反應(yīng)進(jìn)行模擬，采用歐拉-拉格dHe = Fp(u-uo)+ Bs(eo二P2+F,(11)朗日方法描述氣相和顆粒相，氣相視為連續(xù)相采用其中，右邊第二項(xiàng)為重力和浮力的合力，第三項(xiàng)歐拉坐標(biāo)系。暫不研究氣化爐內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)和撞擊區(qū)的顆粒碰撞，由假設(shè)④，顆粒視為離散相采用拉F,為附加力，第一項(xiàng)Fp(u-ul)為作用于單位質(zhì)量顆粒的曳力，其中格朗日坐標(biāo)系。18u CpRe3.1氣相方程Fo=gqe12)Ppdp將氣體視為不可壓縮理想氣體，質(zhì)量和動(dòng)量守式中u為連續(xù)相速度，up為顆粒速度，μ為流體恒方程[1]為黏度，ρ為流體密度，p,為顆粒密度，d, 為顆粒直.()=5,(7徑，曳力系數(shù)Cp=告(1+0. 15Re68)，相對(duì)Re‘是(pun,)=B.-亞+王「巡+ w.拉十x;"Lx;t工Reynolds數(shù)Re=edoueμagpuT +寫(xiě)。(84模型應(yīng)用其中，Sp和S為顆粒質(zhì)量和動(dòng)量的源項(xiàng)，B,為體4.1模型驗(yàn)證 .積力，β為壓力，μ為黏度，方程中雷諾應(yīng)力由Boussinesq假設(shè)表示為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，首先對(duì)中試多噴嘴水煤漿氣化爐進(jìn)行模擬。氣化爐的操作壓力為2.0一山=- 號(hào)pk8u+u(i, +hn )MPa，日處理22 t煤，水煤漿濃度61%，氧煤比氣化爐內(nèi)氣體的流動(dòng)具有強(qiáng)烈撞擊、回流和旋0.691 m3●kg~ (氧碳摩爾比1.0)。選用北宿精轉(zhuǎn)的湍流流動(dòng)，采用可實(shí)現(xiàn)k-e模型描述湍流流煤為氣化原中國(guó)煤化工1元素分析見(jiàn)表動(dòng)，能夠準(zhǔn)確計(jì)算圓形射流，并且該模型對(duì)旋轉(zhuǎn)流4，中試氣MHCNMHG文獻(xiàn)[21]，經(jīng)和分離流的計(jì)算效果更準(zhǔn)，湍流動(dòng)能和湍流擴(kuò)散輸過(guò)物料衡算得出濕基的氣體組分。運(yùn)方程為圖1為多噴嘴氣化爐內(nèi)氣體組分分布，由圖可第12期金渭龍等:新型兩段式氣化爐的數(shù)值分析， 3751 ●1 0.33210253802873CO fraction:0.3247H2 fraction.0.2428CO2 fraction:0.1235 H2O fraction:0.30820.35420.26490.28510.59960.33210.29520.24830.22070.2704 0 12840.56840.36020. 30990.23180.28780.21520.2557 026550.53710.52670.26570.19870.20970.24100.13330.50590.22630.47470. 24350.18210.21160.44350.22140.16560.19690.12350.41220.29780.19920.14900.18220.38100.33950.17710.13240.1676 .0.34980.15500.11590.25380.15290.3186027690.13280.09930.13820.11850.28730.11070.36160.08280.27040.25610.08860.10880.22490.06640.06620.09410.19370.04970.04430.07940.16240.02210.03310.06470.13120.01660.05000.10000,1850.2495圖1多噴嘴氣化爐內(nèi)氣體摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig. 1 Distribution of gas mole fraction in OMB gasifier表4北宿煤的煤質(zhì)分析表5模擬值與工業(yè)數(shù)據(jù) 的比較Table4 Composition of Beisu coalTable 5 Comparison between simulationProximate analysis(d)/%Ultimate analysis(daf)/%data and industrial dataFCVaAcH0NItemCO/% H2/% CO2/% H2O/% T/K52.25 38.50 9.25 81.56 5.54 7.61 1.42 3.87industry36.15 27.51 13.79 22.55 1563.1simulation36.1627. 04 :11.85 24.95 1553. 8見(jiàn)，在噴嘴平面產(chǎn)生大量的COr和H2O,并且H:O的含量遠(yuǎn)大于CO2含量，這是由于噴嘴平面和部分氣化過(guò)程，為下方二段區(qū)域內(nèi)的氣化還原反處于富氧區(qū)，發(fā)生氣體燃燒和煤焦顆粒燃燒等放熱應(yīng)提供了必要的熱量和氣化劑。二段噴嘴只噴人水反應(yīng)生成CO2和H2O,同時(shí)由于噴人的水煤漿中煤漿，水煤漿在二段區(qū)進(jìn)行蒸發(fā)、脫揮發(fā)分和氣化水分的蒸發(fā)產(chǎn)生大量水蒸氣。而CO和H2的含量吸熱反應(yīng)等過(guò)程。本文旨在對(duì)提出的兩段氣化技術(shù)在撞擊區(qū)急劇增加，這是由于四噴嘴對(duì)置形成的撞的氣化效率進(jìn)行預(yù)測(cè)，暫不考慮工業(yè)困難性和經(jīng)濟(jì)擊區(qū)是-一個(gè)高度湍動(dòng)區(qū)，煤焦顆粒受慣性力的作用性。新型兩段爐和多噴嘴氣化爐的進(jìn)料對(duì)比見(jiàn)表在撞擊區(qū)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了傳遞過(guò)程，加速了氣6,在新型兩段爐中一段氧碳摩爾比1.3,二段與固異相反應(yīng)的進(jìn)行。煤焦顆粒在撞擊流股中進(jìn)- - 步一段煤量之比為1 : 4,考察該工況下新型兩段爐與CO2和H2O發(fā)生氣化反應(yīng)，CO和H2的含量的氣化反應(yīng)效果。新型兩段爐的建模采用1/4爐體隨軸向位置增加。當(dāng)處于管流區(qū)時(shí)，各組分的濃度作為計(jì)算域，貼體六面體網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)變化趨于平緩。在多噴嘴氣化爐中一次反應(yīng)區(qū)(燃試后，所選用的計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量為147724.劃分燒區(qū))和二次反應(yīng)區(qū)(還原區(qū))難以有效控制，并網(wǎng)格時(shí)對(duì)噴嘴和撞擊區(qū)進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和且水煤漿熱裂解產(chǎn)生的揮發(fā)分在-段噴嘴出口處完邊界條件如圖2所示。全燃燒。由表5可得，模擬得出的水煤漿氣化爐出計(jì)算采用控制容積法離散微分方程，對(duì)流項(xiàng)采口氣體組分與中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一-致性，驗(yàn)表6兩種氣化爐的進(jìn)料條件證了模型的適用性和準(zhǔn)確性。Table 6 Comparison of feeding condition of two gasifiers4.2新型 兩段爐模擬中國(guó)煤化工:nfor1st 0/Cfor新型兩段式氣化爐以中試多噴嘴氣化爐為建模GasifierYHCNM H Gm°.h-' lststage基礎(chǔ)，額外增設(shè)第二段。由于一段區(qū)域具有較高的OMB 229.2 01 :0157.41.氧碳比，碳轉(zhuǎn)化率高，煤焦在一段區(qū)域內(nèi)發(fā)生燃燒two-stage 183. 445. 84: 1157. 41.3●3752●化工學(xué)報(bào)第63卷4.90velocity -magnitude117.559.80pressure11050massCwsreflectoutlet102.861469inletinjectionwallsymmetry95.5114.6988.16圖2新型兩段爐的網(wǎng)格劃分80.82Fig. 2 Meshing of new two -stage gasifier ;73.477.3566.1258.78用二階迎風(fēng)格式，壓力離散方式為標(biāo)準(zhǔn)格式，壓51.4344.08力速度耦合基于求解壓力耦合方程的SIMPLE半36.7隱式算法。本計(jì)算為穩(wěn)態(tài)求解過(guò)程，其中達(dá)到收斂29.392.4522.04的標(biāo)準(zhǔn)為能量方程的迭代殘差控制在10-*以下，.697.3其余方程的迭代殘差控制在10-*以下，出口監(jiān)控面上的溫度和氣體組分的波動(dòng)小于1%。煤焦的氣固反應(yīng)速率的表征是在Fluent中嵌入U(xiǎn)DF，對(duì)4000個(gè)水煤漿顆粒進(jìn)行跟蹤，連續(xù)相每迭代50步更新一次離散相。計(jì)算約60000步達(dá)到收斂，計(jì)算圖3新型兩段爐內(nèi)速 度分布時(shí)間約50h。.Fig. 3 Velocity distribution in new two-stage gasifier圖3為熱態(tài)條件下，新型兩段爐的氣相速度剖面圖。由圖可見(jiàn)，一段噴嘴區(qū)域存在明顯的射流temperature/K:區(qū)、撞擊區(qū)和撞擊流股區(qū)。撞擊區(qū)4股氣流兩兩撞3159.018883擊，在中心位置形成了速度較低的滯點(diǎn)。向上的撞3017.81982. 42876.6 2970.7 2970 7擊流股由于受到拱頂?shù)恼趽酰矒艉螽a(chǎn)生的向上徑27354 19824向射流長(zhǎng)度比向下的徑向射流略短。二段噴嘴由于2594.2 1229.4 1229.42453.01794.2采用加壓霧化，噴人的水煤漿顆粒對(duì)原有氣化爐內(nèi)2170 7的流場(chǎng)影響較小。在氣化爐下部管流區(qū)中，流場(chǎng)趨202951653.01888.3于平穩(wěn)。氣化爐出口處由于直徑變小，氣速增加。1747.11605.91464.7新型兩段爐內(nèi)的溫度分布如圖4所示，在一段1323.6噴嘴出口附近的溫度較低，這是因?yàn)樗簼{顆粒剛1182. 4從噴嘴噴出時(shí)，隨即發(fā)生升溫、水分蒸發(fā)以及脫揮900.01558.9發(fā)分等吸熱過(guò)程。達(dá)到撞擊區(qū)后進(jìn)行氣相燃燒和煤1540.1焦顆粒的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱。并且由于一段氧煤比的增加，導(dǎo)致一段噴嘴區(qū)域溫度較高，為整15401個(gè)氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)提供了充足的熱量，同時(shí)也圖4新型兩段爐內(nèi)的溫度分布.產(chǎn)生了大量的氣化劑。二段噴嘴采用壓力霧化的形Fig.4 Temperature distribution in new two-stage gasifier式噴人水煤漿，隨即水煤漿顆粒在高溫爐膛內(nèi)發(fā)生內(nèi)的燃燒區(qū)域增加，為后續(xù)的還原反應(yīng)提供了充足蒸發(fā)、脫揮發(fā)分和氣化反應(yīng)等過(guò)程，使得二段噴嘴的熱量。此外，由于一段噴嘴區(qū)域溫度的升高，噴出口處的溫度較低。在二段噴嘴下方，由于氣固吸人的水煤漿經(jīng)歷更加快速的蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、揮發(fā)熱反應(yīng)的進(jìn)行，溫度隨著軸向位置的增加，呈遞減分的燃燒、煤焦顆粒燃燒和部分氣化過(guò)程。并且一趨勢(shì)。當(dāng)處于管流區(qū)時(shí)，溫度變化較小。段噴嘴區(qū)域大量CO2和H2O產(chǎn)生，提高了新型兩段爐內(nèi)氣體組分的分布情況如圖5所C(s) +co中國(guó)煤化TH2O-→CO+示。由圖可見(jiàn)，由于一段氧碳比的提高，在一-段噴.H2反應(yīng)中YHCNMHG高了氣化反應(yīng)嘴平面產(chǎn)生CO2和H2O的量大于多噴嘴的噴嘴平速率。面，-段噴嘴區(qū)域更加偏向于燃燒區(qū)，使得兩段爐二段噴嘴區(qū)域是無(wú)氧區(qū)，噴人的水煤漿顆粒熱第12期金渭龍等:新型兩段式氣化爐的數(shù)值分析●3753●0.38210.2382011390.2587CO fraction:0. 3659H2 fraction:0.2269CO2 fraction:0.1206 H2O fraction028840.39030.27220.21550.12730.36590349603219013400:5463031820.3415 0 32520:22120.19850.3018 0.3353 033530.5166。 503380070770.32520.2042 0 18720.28160.4868053640.30.2602483 02520025200.34150.1872 0.2722 02220.2615 81208 0.14080.4273 02984 0.298480.24880.1701 02 26902140.12060.39750.21950.15310.2011 .0.36780.28840.19510.13610.24390.18100.11390.338001707037400.11910. 16090.30830.14080.1220008510.24880.0976006810.26660.21900.23890.0488039640.0510008040.11090.18930.03400.06030.15950.02440.0170027790.04010.10000.21280.279圖5新 型兩段爐內(nèi)氣體摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig. 5 Distribution of gas mole fraction in new two-stage gasifier解所產(chǎn)生的揮發(fā)分氣體，無(wú)須經(jīng)歷揮發(fā)分燃燒的過(guò)變化，在一段噴嘴平面附近的撞擊區(qū)內(nèi)，溫度隨軸程，揮發(fā)分中的CO和H2氣體直接作為有效氣體向位置急劇升高，這是由于四噴嘴火焰撞擊后產(chǎn)生的組成部分。如圖5所示，二段噴嘴出口的H2O向上和向下的兩股徑向火焰，溫度在撞擊火焰區(qū)內(nèi)和CO2濃度較高，這是由于從二段噴人的水煤漿繼續(xù)升高。隨著軸向位置的進(jìn)一步增加， 爐膛溫度顆粒中水分的蒸發(fā)，以及脫揮發(fā)分產(chǎn)物中的H2O呈下降趨勢(shì)，在二段噴嘴平面處溫度的下降梯度增和CO2，使得二段噴嘴出口處的H2O和CO2含量加。CO2和H2O的濃度在撞擊火焰區(qū)內(nèi)略有增加，增加。H2的含量在二段噴嘴出口處急劇增加，這而在撞擊流股區(qū)域內(nèi)沿軸向位置的增加逐漸減小，是由于揮發(fā)分中H2的含量最高為48. 33%。而CO并且H2O的轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)大于CO2的轉(zhuǎn)換率，這是由.的含量在二段噴嘴出口處減小，這是由于H2O、于水蒸氣的反應(yīng)活性較二氧化碳高，并且在氣化爐CO2和H2的大量產(chǎn)生稀釋了CO的濃度。兩段爐內(nèi)含有大量的水蒸氣，導(dǎo)致水蒸氣具有較高的分中通過(guò)調(diào)節(jié)一段的氧碳比來(lái)控制燃燒區(qū)，二段還原壓。在管流區(qū)時(shí)，各氣體組分和溫度隨軸向位置幾乎不發(fā)生變化。區(qū)的反應(yīng)程度可由二段的給煤比控制。圖6為中心氣體濃度和溫度隨爐膛軸向位置的新型兩段爐與多噴嘴氣化爐中心軸線(xiàn)溫度的比較如圖7所示，由于新型兩段爐加煤方式的不同，).5-2200一段較高的氧碳比，致使在氣化爐的中上部，兩段| 2000.4-2100Ist 2nCO1800T1950.3two-stageH| 1400one- stageH2O| 12001650CO21000.18001500-2 -1axial position/m中國(guó)煤化工345圖6中心軸線(xiàn)上氣體摩爾分?jǐn)?shù)和溫度隨爐膛高度的變化THCNMHGFig.6 Gas mole fraction and temperature changing圖7”中心軸線(xiàn)溫度的比較with gasifier height at central axisFig. 7 Comparison of temperature at central axis●3754 ●化工學(xué)報(bào)第63卷表7新型兩段爐與多噴嘴氣化爐的模擬比較Table 7 Simulation comparison of two-stage gasifier and OMB gasifierGasifierC0/% H2/%CO2/%H2O/%T/K Eftecive gas content(dry)/%Cold gas ficiecncy/%two stage39.84 27. 7911.0921.28 1540. 185. 9176. 42OMB27. 0411. 8524. 951553. 884. 2171. 55爐內(nèi)的氣體溫度高于一段爐，而在爐膛下部(一段Effects of operating conditions on gasifier performance [J].噴嘴下方1.8 m以下)至氣化爐出口均保持溫度Chemicul Engineering Science, 2000， 55: 3875 -3883相對(duì)較低的水平。新型兩段爐與多噴嘴氣化爐的出[6] Watanabe H，Otaka M. Numerial simulation of coalgasification in entrained flow coal gasifier [J]、 Fuel,口氣體濃度和溫度見(jiàn)表7,由表可知，采用新型兩2006， 85: 1935- 1943段式煤氣化技術(shù)，有效氣組分的含量可以達(dá)到[7William Vicente， Salvador Ochoa， Javier Agullon,85. 91%，冷煤氣效率為76.42%。新型兩段爐的Esteban Barrios. An Eulerian model for the simulation of anentrained flow coal gasifier [ J ]. Applied Thermal出口合成氣中干基有效組分比多噴嘴一段爐高Engineering，2003, 23: 1993-20081.7%，冷煤氣效率提高4.87%。由此可見(jiàn)采用該[8ShiSP, ZineyS E, Shabnam M，Syamlal M，Rogers w新型兩段式氣化工藝能夠達(dá)到提高氣化效率的A. Modelling coal gasification with CFD and discrete phasemethod [J]. Journal of the Energy Institute, 2006， 79目的。(4): 217-2215結(jié)論[9] Slezak Andrew， John M Kuhlman, Lawrence 」Shadle, .James Spenik, Shaoping Shi. CFD simulation of entrained-本文提出了基于一段為多噴嘴的新型兩段式煤fiow coal gasification: coal parice density/ size fractioneffects [J]. Powder Technology, 2010, 203: 98-108氣化技術(shù)。以中試規(guī)模的多噴嘴對(duì)置式氣化爐為建[10]Du Min (杜敏)，Hao Yingli (郝英立). The influencing?；A(chǔ)，建立了兩段組合式氣化爐的氣化反應(yīng)模factors of wall deposition in a two-stage gasifier ( I ):型。通過(guò)比較多噴嘴氣化爐的中試數(shù)據(jù)與模擬結(jié)Modelling and verification/ /2008Multiphase FlowConference [C]. The institute of Chinese Engineering果，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。基于該氣化模型，模擬Thermophysis, Qingdao, 2008得出新型兩段爐出口合成氣中的有效組分含量為[11]Du Min (杜敏)，Hao Yingli (郝英立)。The influencing85. 91%，冷煤氣效率達(dá)到76. 42%，比一段爐出口合成氣有效組分高出1.7%，冷煤氣效率提Analysis of influencing factors//2008 Multiphase FlowConference [C]. The Institute of Chinese Engineering高4.87%。Thermophysics, Qingdao, 2008[12] David M. Models of thermal decomposition of coal [J]. .ReferencesFuel, 1983, 62: 534-5391] Yu Guangsuo (于廣鎖)，Niu Miaoren (牛苗任)，Wang[13] Kobayashi H,Yifei (王亦飛)，Liang Qinfeng (梁欽鋒)，Yu Zunhongdevolatilization at high temperatures//16th Symp. (Int'L )(于遵宏)。Application status and development tendency ofon Combustion, 1976， 411-425coal entrained-bed gasification [J ]. 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Sanming, 2009: 45-48phase flows and particle deposition in impinging streams信息與交流93-2-933393337梅特勒-托利多獲2012SAMPE金牌參展商獎(jiǎng)2012年10月15~17日，2012 SAMPE中國(guó)國(guó)際先進(jìn)材料與工藝技術(shù)展覽會(huì)在北京隆重召開(kāi)，共有500余名來(lái)自國(guó)內(nèi)高校材料院、材料研究所、化學(xué)研究所、材料生產(chǎn)廠商等代表參會(huì)。本屆展會(huì)由SAMPE北京分會(huì)、SAMPE上海分會(huì)、中國(guó)航空學(xué)會(huì)材料工程分會(huì)、北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主辦，北京盛世聯(lián)盟會(huì)展有限公司承辦。航材院科技委主任、先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、SAMPE學(xué)會(huì)北京分會(huì)主席益小蘇介紹，本次活動(dòng)的主題是推進(jìn)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本屆展會(huì)同期舉辦了“2012 SAMPE金牌參展商”現(xiàn)場(chǎng)評(píng)選活動(dòng)。評(píng)選主題是2012年在先進(jìn)材料與工藝技術(shù)方面有卓越貢獻(xiàn)的廠商，梅特勒-托利多以?xún)?yōu)異的產(chǎn)品質(zhì)量和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，榮獲了“2012 SAMPE金牌參展商”稱(chēng)號(hào)。同時(shí)，梅特勒-托利多熱分析部技術(shù)顧問(wèn)李焱受邀在“復(fù)合材料性能表征及檢測(cè)技術(shù)”專(zhuān)場(chǎng)，發(fā)表了主題為:“熱分析技術(shù)在樹(shù)脂固化過(guò)程中的應(yīng)用”演講，與在座的技術(shù)專(zhuān)家分享了梅特勒托利多的熱分析技術(shù)在先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、工藝等制備方法，對(duì)促進(jìn)高性能復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域更大范圍的應(yīng)用，提高先進(jìn)制造業(yè)水平進(jìn)步和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)，汽車(chē)工業(yè)以及建筑工業(yè)的結(jié)構(gòu)部件中。復(fù)合材料的特殊性能，例如高強(qiáng)度，高剛度密度比，低熱膨脹系數(shù)以及良好的震動(dòng)阻尼特性等。表征基體樹(shù)脂的固化反應(yīng)以及玻璃化轉(zhuǎn)變對(duì)于確保復(fù)合材料的質(zhì)量與性能是至關(guān)重要的。梅特勒-托利多動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀DMA可以有效地對(duì)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行研究。梅特勒-托利多動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀DMA的特征:●為準(zhǔn)確測(cè)量模量和tanδ而設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)的力傳感器和獨(dú)一無(wú)二的LVDT位置;●頻率高至1000 Hz;適應(yīng)可作DMA分析的任何樣品種類(lèi)和材料的各種形變模式和測(cè)量系統(tǒng);●采用外部安裝固定裝置，易于樣品準(zhǔn)備;●通過(guò)SDTA采用熔點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行溫度校準(zhǔn);●力和位移范圍寬，-次測(cè)試可測(cè)量7個(gè)十進(jìn)位數(shù)的剛度范圍。中國(guó)煤化工YHCNM HG