平焰型粉煤气化炉热态流场分布特性的数值模拟

论文摘要

目前已有的气流床干粉气化技术所用的工艺烧嘴多为同轴射流形式（氧包煤或煤包氧）,射流火焰较长,需要匹配较大高径比的气化炉燃烧室,为保障碳转化率与有效气（CO+H2）含量,要求其设计的平均停留时间约为4～6 s（按粗合成气计算）,这同时需要较大的燃烧室容积去满足要求,因此导致气化炉单体反应器的体积普遍较大,造价较高。为降低气化炉的投资成本,提出了一种顶置平焰型气化烧嘴的气化技术,该技术通过顶置3个烧嘴单元,将传统工艺烧嘴的单一烛形火焰变为较短的平面火焰,降低了火焰长度并提高了径向的反应空间。同时,平焰烧嘴的每个烧嘴单元均为中心1路煤线配合外围3路氧线的对撞流设计,在强化反应速率的同时降低平均停留时间,从而减小设备体积需求。利用CFD模拟软件Fluent分别建立平焰烧嘴和传统顶置同轴射流形式的单烧嘴气化炉三维模型,基于涡耗散概念模型（EDC）的方法对不同烧嘴形式气化炉内的燃烧与气化过程进行模拟,对比分析了包括流场分布、温度分布、平均停留时间、碳转化率等关键特征。结果发现,相比传统单烧嘴,由于3烧嘴单元射流场所拥有的大卷吸率(平焰烧嘴卷吸率Kvmax=3.2,单烧嘴Kvmax=1.3)有助于粉煤颗粒与氧气在燃烧室内的弥散混合,因此平焰型烧嘴的火焰长度降低,炉温分布更加均匀,温度峰值由单烧嘴的2 400 K降低至平焰烧嘴的1 950 K。更充分的颗粒弥散以及更均匀的温度分布有助于气化炉燃烧室容积的有效利用,同时撞击流形式的烧嘴单元所带来的撞击流可以更快地实现粉煤与气化剂的湍流混合,增加气化反应速率（距离烧嘴0.5 m碳转化率:平焰烧嘴=95.1%,单烧嘴=77.0%）。这些优势可以带来更小的气化炉设计体积或同比更高的处理量。将模拟结果与3 t/d的干粉中试结果进行对比,验证了模型的有效性,对于烧嘴及炉体的优化设计提供较好的理论基础。

论文目录

• 1 研究对象
•   1.1 气化炉
•   1.2 气化烧嘴
• 2 数值模型
•   2.1 连续与离散相计算
•   2.2 煤粉颗粒反应模型
•   2.3 湍流气相反应模型
•   2.4 其他
• 3 结果与讨论
•   3.1 模型验证
•   3.2 速度与湍流强度分布
•   3.3 气流卷吸对温度分布的影响
•   3.4 反应物浓度分布
•   3.5 颗粒的停留时间
•   3.6 煤粉颗粒的燃尽和转化过程
• 4 结 论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 冯子洋,刘臻,管清亮,安海泉,方薪晖,彭宝仔

关键词: 煤气化,平焰烧嘴,对撞流,模拟,实验

来源: 煤炭学报 2019年S2期

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 燃料化工

单位: 北京低碳清洁能源研究院

基金: 国家重点研发计划资助项目(2017YFB0602603),国家能源集团科技创新资助项目(ST930018SH01)

分类号: TQ545

DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2018.1637

页码: 657-664

总页数: 8

文件大小: 1580K

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