化工学报 ›› 2024, Vol. 75 ›› Issue (2): 659-674.DOI: 10.11949/0438-1157.20230681
王学云1,2(), 郁肖兵3(
), 彭万旺1,2, 沈岩松3(
)
收稿日期:
2023-07-04
修回日期:
2024-01-15
出版日期:
2024-02-25
发布日期:
2024-04-10
通讯作者:
郁肖兵,沈岩松
作者简介:
王学云(1990—),男,硕士,wangxueyun@bricc.cn
基金资助:
Xueyun WANG1,2(), Xiaobing YU3(
), Wanwang PENG1,2, Yansong SHEN3(
)
Received:
2023-07-04
Revised:
2024-01-15
Online:
2024-02-25
Published:
2024-04-10
Contact:
Xiaobing YU, Yansong SHEN
摘要:
燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现:工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向上发展;气体在熔渣气化炉中心区域的流动速度为2.5 m/s 左右,但未形成“高速对撞区”;高温区出现在燃烧空腔外表面附近特别是正对喷嘴且靠近炉中心的区域,该区域的温度可以达到约2000℃;氧气主要分布在气化剂喷嘴前端约0.5 m的空腔内,一氧化碳的分布区域与水蒸气在空间上有较大程度重叠,二氧化碳主要在喷嘴前端空腔外壳附近生成,氢气浓度较高的区域则出现在燃烧区对应空腔的上沿;沿喷嘴轴线方向,气体温度呈先升至峰值再逐渐下降的趋势。随着气化剂流量的增大,燃烧温度极大值出现的位置逐渐朝炉中心处移动,并呈较明显的线性变化规律。
中图分类号:
王学云, 郁肖兵, 彭万旺, 沈岩松. 熔渣气化炉喷嘴燃烧区行为的数值模拟研究[J]. 化工学报, 2024, 75(2): 659-674.
Xueyun WANG, Xiaobing YU, Wanwang PENG, Yansong SHEN. Numerical study on combustion zone behaviors of a slagging gasifier[J]. CIESC Journal, 2024, 75(2): 659-674.
熔渣气化炉参数 | 数值 |
---|---|
熔渣气化炉炉膛内径/ mm | 3600 |
熔渣气化炉炉膛高度 (不计 渣池)/mm | 10500 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴个数/个 | 6 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴出口(喷口)内径/mm | 18 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴轴线与水平线夹角/(°) | 19 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴轴线 延长线交点距渣池上表面 距离/mm | 130 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴水平 伸入长度/mm | 215 |
氧气质量流量所有喷嘴总计/(kg/h) | 13718 |
水蒸气质量流量所有喷嘴总计/(kg/h) | 12621 |
气化剂给气温度/K | 513 |
气化剂给气压强/MPa | 4.6 |
熔渣气化炉运行压强/MPa | 4.0 |
熔渣气化炉炉顶煤气压强/MPa | 4.0 |
熔渣气化炉给煤速率/(kg/h) | 30000 |
熔渣气化炉给煤粒度/mm | 6~50 |
熔渣气化炉给煤密度/(kg/m3) | 1400 |
熔渣气化炉给煤成分 (质量分数) | 全水(9.4%);灰分ash(8.3%);挥发分(35.44%);固定碳(55%);内水(1.26%);低位热值(6333 kcal/kg) |
熔渣气化炉壁面冷却条件 | 冷却水流量6 m3/h(标准工况),温差6℃,壁面温度350~500℃ |
表1 熔渣气化炉燃烧区模型所用数据
Table 1 The data used in the MEKL combustion zone model
熔渣气化炉参数 | 数值 |
---|---|
熔渣气化炉炉膛内径/ mm | 3600 |
熔渣气化炉炉膛高度 (不计 渣池)/mm | 10500 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴个数/个 | 6 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴出口(喷口)内径/mm | 18 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴轴线与水平线夹角/(°) | 19 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴轴线 延长线交点距渣池上表面 距离/mm | 130 |
熔渣气化炉气化剂喷嘴水平 伸入长度/mm | 215 |
氧气质量流量所有喷嘴总计/(kg/h) | 13718 |
水蒸气质量流量所有喷嘴总计/(kg/h) | 12621 |
气化剂给气温度/K | 513 |
气化剂给气压强/MPa | 4.6 |
熔渣气化炉运行压强/MPa | 4.0 |
熔渣气化炉炉顶煤气压强/MPa | 4.0 |
熔渣气化炉给煤速率/(kg/h) | 30000 |
熔渣气化炉给煤粒度/mm | 6~50 |
熔渣气化炉给煤密度/(kg/m3) | 1400 |
熔渣气化炉给煤成分 (质量分数) | 全水(9.4%);灰分ash(8.3%);挥发分(35.44%);固定碳(55%);内水(1.26%);低位热值(6333 kcal/kg) |
熔渣气化炉壁面冷却条件 | 冷却水流量6 m3/h(标准工况),温差6℃,壁面温度350~500℃ |
项目 | 参数 |
---|---|
主相 | 相材料名称:混合物气体 混合物组成:氧气,二氧化碳,水蒸气,氮气,一氧化碳,氢气 反应模型:涡耗散 (eddy-dissipation) 气体状态:理想气体方程 热容模型:混合律(mixing-law) 热导率:混合律(mass-weighted-mixing-law) 黏度:1.72×10-5 kg/(m·s) 质量扩散系数:2.88×10-5 m2/s |
次相(颗粒相) | 相名称:碳 密度:用户自定义密度模型UDF 粒度:用户自定义粒度模型UDF 颗粒动力黏度 (kinetic viscosity):Gidaspow 颗粒黏度 (bulk viscosity):Lun 摩擦黏度 (frictional visosity):schaeffer 内摩擦角:30.00007 摩擦压力:based-ktgf 摩擦模量:derived 摩擦填充极限:0.62 颗粒相温度模型:phase property 颗粒相温度求解:algebraic 固相压力:Lun 径向分布:Lun 弹性模量:derived 填充极限:0.63 |
边界条件设置 | 气化剂入口:UDF 炉顶气体出口:UDF 渣池上液面: UDF |
其他计算参数 | 时间步长:10-4 s 计算总时长:10 s |
表2 熔渣气化炉喷嘴燃烧区模型设置
Table 2 MEKL combustion zone model settings
项目 | 参数 |
---|---|
主相 | 相材料名称:混合物气体 混合物组成:氧气,二氧化碳,水蒸气,氮气,一氧化碳,氢气 反应模型:涡耗散 (eddy-dissipation) 气体状态:理想气体方程 热容模型:混合律(mixing-law) 热导率:混合律(mass-weighted-mixing-law) 黏度:1.72×10-5 kg/(m·s) 质量扩散系数:2.88×10-5 m2/s |
次相(颗粒相) | 相名称:碳 密度:用户自定义密度模型UDF 粒度:用户自定义粒度模型UDF 颗粒动力黏度 (kinetic viscosity):Gidaspow 颗粒黏度 (bulk viscosity):Lun 摩擦黏度 (frictional visosity):schaeffer 内摩擦角:30.00007 摩擦压力:based-ktgf 摩擦模量:derived 摩擦填充极限:0.62 颗粒相温度模型:phase property 颗粒相温度求解:algebraic 固相压力:Lun 径向分布:Lun 弹性模量:derived 填充极限:0.63 |
边界条件设置 | 气化剂入口:UDF 炉顶气体出口:UDF 渣池上液面: UDF |
其他计算参数 | 时间步长:10-4 s 计算总时长:10 s |
方程 | 公式 |
---|---|
连续性方程 | |
动量方程 | |
能量方程 | |
组分传输方程 | |
气体状态方程 | |
湍流模型 | |
气固动量交换方程 | |
固相黏度方程 | |
气固换热方程 | |
颗粒相温度方程 |
表3 熔渣气化炉喷嘴燃烧区模型控制方程
Table 3 Governing equations of the MEKL combustion zone model
方程 | 公式 |
---|---|
连续性方程 | |
动量方程 | |
能量方程 | |
组分传输方程 | |
气体状态方程 | |
湍流模型 | |
气固动量交换方程 | |
固相黏度方程 | |
气固换热方程 | |
颗粒相温度方程 |
反应类型 | 化学反应方程 | 化学反应速率 |
---|---|---|
碳燃烧[ | C + O2 | 指前因子:1.04×105 温度指数β:1.0 活化能:9.31×107 |
碳气化[ | C + CO2 | 指前因子:2224 温度指数β:0.0 活化能:2.199×108 |
水煤气反应[ | C + H2O | 指前因子:63.3 温度指数β:0.0 活化能:1.168×107 |
表4 熔渣气化炉燃烧模型涉及化学反应及速率
Table 4 Chemical reactions and kinetics of the MEKL combustion zone model
反应类型 | 化学反应方程 | 化学反应速率 |
---|---|---|
碳燃烧[ | C + O2 | 指前因子:1.04×105 温度指数β:1.0 活化能:9.31×107 |
碳气化[ | C + CO2 | 指前因子:2224 温度指数β:0.0 活化能:2.199×108 |
水煤气反应[ | C + H2O | 指前因子:63.3 温度指数β:0.0 活化能:1.168×107 |
项目 | 参数 |
---|---|
基准算例 | 气化剂质量流量: 氧气137180 kg/h; 水蒸气12621 kg/h 气化剂入口温度:513 K |
气化剂流量的影响 | 基准算例气化剂流量的0.5, 1.0, 1.5, 2.0倍 |
表5 熔渣气化炉燃烧区数学模型算例设置
Table 5 Case settings of the MEKL combustion zone model
项目 | 参数 |
---|---|
基准算例 | 气化剂质量流量: 氧气137180 kg/h; 水蒸气12621 kg/h 气化剂入口温度:513 K |
气化剂流量的影响 | 基准算例气化剂流量的0.5, 1.0, 1.5, 2.0倍 |
模型参数设置 | 具体设置 |
---|---|
模型基础框架 | 欧拉-欧拉多相流模型 |
模型主相 | 气相 |
模型次相 | 颗粒相 |
气相性质 | 密度:1.225 kg/m3, 黏度:1.789×10-5 kg/(m·s) |
曳力模型 | Huilin-Gidspow |
操作条件 | 压强:101325 Pa, 温度:298 K |
算例1 | 气相入口速度:65 m/s 气相入口直径:0.001 m 颗粒填充高度:0.20 m |
算例2 | 气相入口速度:85 m/s 气相入口直径:0.002 m 颗粒填充高度:0.30 m |
算例3 | 气相入口速度:112 m/s 气相入口直径:0.003 m 颗粒填充高度:0.25 m |
表6 模型验证所用参数及设置
Table 6 Parameters and settings used in the model validation
模型参数设置 | 具体设置 |
---|---|
模型基础框架 | 欧拉-欧拉多相流模型 |
模型主相 | 气相 |
模型次相 | 颗粒相 |
气相性质 | 密度:1.225 kg/m3, 黏度:1.789×10-5 kg/(m·s) |
曳力模型 | Huilin-Gidspow |
操作条件 | 压强:101325 Pa, 温度:298 K |
算例1 | 气相入口速度:65 m/s 气相入口直径:0.001 m 颗粒填充高度:0.20 m |
算例2 | 气相入口速度:85 m/s 气相入口直径:0.002 m 颗粒填充高度:0.30 m |
算例3 | 气相入口速度:112 m/s 气相入口直径:0.003 m 颗粒填充高度:0.25 m |
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