水冷壁氣化爐內熔渣流動特性模型

畢大鵬，趙勇，管清亮，玄偉偉，張建勝

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水冷壁氣化爐內熔渣流動特性模型

畢大鵬，趙勇，管清亮，玄偉偉，張建勝

（清華大學熱能工程系，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

通過將3D氣化爐模型、熔渣一維流動傳熱模型和顆粒壁面捕捉模型耦合，對工業水煤漿水冷壁氣化爐內的熔渣流動特性進行模型研究。重點分析了顆粒壁面行為對氣化爐結渣的影響以及氧煤比變化對于渣層厚度的影響，并簡要分析了水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐的差異。研究結果表明：大粒徑顆粒易于被壁面捕捉，利于穹頂和直筒段渣層的形成，但不利于碳轉化率的提高；小粒徑顆粒具有高碳轉化率，是下游細灰的主要來源，容易加劇下游受熱面和灰黑水系統的負擔；水冷壁氣化爐內形成的固態渣層是氣化爐熱阻的主要組成部分，能夠起到“以渣抗渣”的作用。

熔渣；流動；氣化；顆粒流；顆粒行為；熱阻

引 言

氣流床氣化技術由于日處理煤量大、碳轉化率高、產物無焦油、煤種適應性高等特點在化工生產及整體煤氣化聯合循環(IGCC)中得到廣泛應用[1]。目前氣流床氣化爐按照爐體結構主要分為水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐，兩者都是以液態方式排渣[2]。煤中的礦物組分在氣化爐高溫高壓的條件下會形成煤灰，部分煤灰隨著合成氣進入合成氣洗滌系統，剩余的煤灰會沉積在氣化爐內壁面上形成熔渣，并由氣化爐底部排出。當氣化爐內結渣發生問題時，會影響氣化爐的連續安全穩定運行，如水冷壁管被燒穿、耐火磚爐墻被腐蝕、排渣口堵塞等，因此對氣化爐內熔渣特性的研究很有必要。鑒于目前直接觀察熔渣流動的困難性，采用模型手段是研究工業裝置中熔渣流動的有效途徑。

對于氣化爐熔渣特性的模型研究從本質上主要分為3個方面：氣化爐內三維數值模擬、顆粒與壁面的碰撞行為和渣層的流動傳熱行為。對于氣化爐的三維數值模擬，Wu等[3]、Chen等[4]、Kumar等[5-6]均做了大量工作并得到實驗驗證，相對較為成熟。對于顆粒與壁面的碰撞行為則有各種假說，如Ni等[7]將顆粒與壁面的碰撞簡化為熔融液體與剛性壁面碰撞的問題，并根據碰撞前后的能量守恒建立最大反彈能判別標準；Tominaga等[8]以某一黏度為參考值，通過比較熔渣黏度和參考值的大小確定顆粒與壁面的行為準則；而Li等[9]采用沉降爐對煤焦顆粒壁面行為的實驗研究發現存在臨界碳轉化率，當顆粒碳轉化率高于該值時煤焦形成發達的孔隙結構，并在高溫環境中形成黏性層，與壁面的黏附概率大大增加。對于渣層的流動模型，多數學者對氣化爐內渣層流動的模擬都是建立在Seggiani[10]的微分模型基礎上，基于動量守恒方程得到渣層速度分布，并通過建立渣層的質量和能量守恒方程最終得到渣層的溫度、厚度等信息。

Bockelie等[11]曾對Texaco氣化爐和日本兩段爐建立了耦合CFD和熔渣流動的模型，但并未提及顆粒與壁面的相互作用。Yang等[12]采用降階模型對分級供氧氣化爐的結渣進行了動態模擬。本研究以Li等[9]的實驗結果為依據建立耦合3D氣化爐模型、顆粒壁面捕捉模型和熔渣一維流動傳熱模型的綜合模型，對水冷壁氣化爐內的熔渣流動特性進行研究，并分析顆粒的壁面行為以及渣層的動態響應，最 后簡要分析水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐的主要差異。

1 模型描述

水冷壁氣化爐的爐壁附近的質量和能量傳遞如圖1所示。水冷壁管內側設有SiC保溫層，爐膛內燃燒后的煤顆粒在流場作用下部分到達SiC表面，由于表面溫度低于煤灰的流動溫度，形成固態渣層，而在固態渣層表面則是流動的液態渣層。

圖1 水冷壁氣化爐爐壁質量和能量傳遞

氣化爐內熔渣流動模型的結構如圖2所示。模型主要包含3部分：3D氣化爐模型采用單組分簡化的PDF模型，完成對爐內流場、溫度場的計算；顆粒壁面捕捉模型判斷顆粒撞擊壁面后被反彈還是被捕捉，從而確定渣層模型的質量源項；熔渣流動傳熱模型計算渣層厚度、溫度分布。3個模型之間的耦合過程為：3D氣化爐模型得到氣相速度、氣相溫度以及由輻射對流進入渣層的熱流，作為渣層模型的輸入參數；3D氣化爐模型得到的顆粒碳轉化率是顆粒壁面捕捉模型的輸入參數，該子模型對撞擊壁面的顆粒進行分流，被反彈顆粒返回氣化爐繼續參加反應，被捕捉的顆粒則進入渣層，作為熔渣流動模型的輸入參數；由渣層流動模型得到的渣層表面溫度作為3D氣化爐計算的邊界條件返回氣化爐模型。

圖2 熔渣流動模型結構

1.1 3D氣化爐模型

對于3D氣化爐模型，參考Wu等[3]對于Texaco氣化爐的模擬方法，主要思想是采用歐拉-拉格朗日方法分別描述連續相和離散相，采用Realizable模型封閉雷諾應力。對于氣相燃燒反應采用簡化PDF模型進行描述，對于煤的脫揮發分采用單步反應進行描述，而顆粒異相反應則由擴散和動力學共同控制[13]，輻射模型選擇P1模型[14]。

1.2 熔渣流動傳熱模型

熔渣流動傳熱模型主要基于Seggiani[10]對Prenflo氣化爐的熔渣模型，其主要思想是沿氣化爐的軸向劃分若干個小室，并假設熔渣為牛頓流體，建立熔渣的質量、能量守恒方程以及碳化硅和水冷壁的能量守恒方程[式(1)～式(4)]，通過對渣層內速度的積分得到質量和能量傳遞項，聯立守恒方程最終得到渣層信息。該方法廣泛用于氣化爐內渣層的流動和傳熱研究[15-16]。在本研究的計算中，沿氣化爐軸向將爐體劃分為42個小室單元。穹頂和收縮段氣化爐直徑變化較大，分別設有4個小室單元。中間直筒段直徑變化不大，劃分為34個小室單元。

式中，、m、r分別為渣層平均溫度、水冷壁平均溫度、碳化硅層溫度，momoutin分別為冷卻水、金屬壁、碳化硅層、渣層之間的導熱熱流，exex為由液態渣層流動引起的不同小室之間的質量傳遞和熱量傳遞，ing為被壁面捕獲的顆粒質量流率和溫度。

1.3 顆粒壁面捕捉模型

根據Li等[9]的實驗結果，碳轉化率是顆粒與壁面碰撞后是否被捕捉的決定性因素，當顆粒碳轉化率達到88%時其被捕捉概率大大增加。本研究以Li等的實驗結果進行擬合，建立捕捉概率和碳轉化率的分段定量關系，如圖3所示，其中為捕捉概率，為碳轉化率，具體定量關系見式(5)

1.4 熔渣的物性參數

熔渣的物性與其煤灰的組分有密切的關系，通過XRF得到煤灰的組分，見表1。熔渣的密度根據Mills等[17]的表達式(6)得到，預測值的誤差在5%以內，計算時按照Fe/Fe2+/Fe3+2/1/1。

表1 神木煤灰化學組成

式中，為質量分數，%。

熔渣的比熱容是溫度和組分的函數，根據Mills等[17]和Rezaei等[18]的實驗結果，可以通過Kopp-Neumann公式關聯熔渣和各氧化物組分的比熱容，見式(7)

熔渣的熱導率按照式(9)計算

式中，為導溫系數，主要在(3×10-7)～(1×10-6) m2·s-1之間波動，而且與溫度的關聯性不大[17]，本研究取6×10-7m2·s-1。

熔渣的黏溫特性由實驗得到，如圖4所示。可以看出，該熔渣為典型的玻璃渣。

圖4 熔渣的黏溫特性

2 結果與分析

2.1 計算對象

本研究以山西陽煤豐喜水煤漿水冷壁氣化爐為研究對象，圖5為氣化爐結構尺寸及小室單元劃分示意圖。水冷壁管壁厚8 mm，管徑為38 mm×8 mm，節距50.3 mm，共計125根管，表面覆蓋30 mm的碳化硅涂層。氣化爐水冷壁冷卻水流量280 m3·h-1，水側壓力4.5 MPa。氣化煤種為神木煤，水煤漿流量38976 kg·h-1，水煤漿含量61.7%，氧氣流量16000 m3·h-1。煤種為神木煤，其工業分析和元素分析見表2。入爐煤假設由4種粒徑組成，其質量分布見表3。

圖5 氣化爐結構尺寸及小室單元劃分

表2 神木煤工業分析、元素分析

表3 估計煤顆粒粒度分布

2.2 計算驗證

表4為計算得到的氣化爐出口氣體組分、溫度和碳轉化率與工業數據[20]的對比。可以看出工業數據與實驗數據吻合良好，鑒于工業氣化爐內高溫高壓環境，獲得渣層厚度的工業數據比較困難，可以采用氣化爐出口參數間接表明該方法的準確性。

表4 模擬值與工業數據對比

2.3 顆粒壁面行為

2.3.1 顆粒壁面捕捉比例分布 圖6為各粒徑段顆粒被壁面捕捉比例分布。約71.25%（顆粒數百分比）的顆粒被氣流攜帶出氣化爐，可以看出小顆粒流出氣化爐的比例較高，這主要是因為顆粒越小其氣流跟隨性越好，越容易被氣流攜帶出氣化爐，而大顆粒慣性較強，不易被氣流攜帶；剩余28.75%的顆粒多被直筒段壁面和出口直段捕捉，并且隨顆粒粒徑增大顆粒被爐體壁面捕捉的比例增大。

圖6 顆粒壁面捕捉比例分布

2.3.2 顆粒有效停留時間分布 圖7為各粒徑段顆粒在爐內有效停留時間分布。如圖所示，被穹頂、直筒段以及底部縮口壁面捕捉的顆粒停留時間在0.3～3.4 s之間，而且顆粒越大停留時間越長，這是由于大粒徑顆粒需要經歷更長的反應時間才能達到臨界碳轉化率，從而被壁面捕捉；被出口直段捕捉的顆粒停留時間較長，并且隨顆粒粒徑的降低停留時間縮短，這是由于大顆粒的慣性使其更容易到達壁面；直筒段和底部縮口的熔渣層主要由于射流顆粒直接碰撞壁面進入渣層，而穹頂段的顆粒主要由顆粒回流卷吸形成，因而被穹頂壁面捕捉的顆粒有效停留時間比直筒段和底部縮口段長。圖8為綜合各個壁面、出口的顆粒得到的有效停留時間與粒徑關系。如圖所示，平均停留時間隨粒徑增大而減小，而且都處于8～10 s范圍內。

圖7 顆粒停留時間分布

圖8 粒徑與顆粒停留時間關系

2.3.3 顆粒碳轉化率分布 圖9為顆粒碳轉化率隨粒徑分布，圖10為碳轉化率與粒徑關系。由于氣化爐出口顆粒的有效停留時間高于被爐內壁面捕捉的顆粒，出口顆粒的碳轉化率高于爐內顆粒；被穹頂、直筒以及底部縮口壁面捕捉的顆粒的碳轉化率分別為94%、91.53%、90%，該趨勢與停留時間的分布相吻合，而且都高于臨界碳轉化率。煤顆粒的總碳轉化率為97.88%，并且隨粒徑的增加碳轉化率降低，但粒徑為30、60、110 μm的顆粒的碳轉化率接近，均在98%左右。粒徑為175 μm段顆粒碳轉化率較低，為93.2%，是導致碳轉化率降低的主要原因。

圖9 顆粒碳轉化率分布

圖10 碳轉化率與粒徑關系

2.4 基礎工況渣層結構

圖11為氣化爐內溫度分布。可以看出在氣化爐中心處形成高溫火焰，在氣化爐中間位置處溫度最高，這會影響爐壁的渣層分布。圖12為爐內渣層厚度分布。如圖所示，沿爐膛軸線方向向下熔渣厚度先減小后增加。這是由于穹頂段遠離高溫區，通過輻射和對流進入渣層的熱通量小，同時由于穹頂部分顆粒來源為回流卷吸，沉積率低，因而通過顆粒沉積攜帶進入穹頂部分渣層的熱量也較少，從而導致穹頂處的渣層厚度較厚；直筒段爐壁臨近高溫火焰區，輻射對流熱流強且顆粒沉積率大，因而渣層厚度變小；底部縮口段熱流和顆粒沉積與穹頂段相當，但由于直筒段流至縮口段的高溫熔渣帶來大量的入口熱量，在一定程度上減緩了縮口段渣層厚度的增加，因而底部縮口段熔渣厚度略有增加，但增加幅度不大。

圖11 氣化爐內溫度分布

圖12 渣層厚度隨高度分布

2.5 氧煤比變化對渣層結構的影響

在基礎工況的基礎上將氧煤比增加5%，以考察渣層的動態響應。在這里認為爐內溫度場對氧煤比變化的響應速度遠快于熔渣的響應速度，因而首先求解氧煤比增加5%工況下的溫度場，以此作為熔渣流動模型的新邊界輸入條件，考察渣層動態響應特性。

圖13為氧煤比變化后渣層厚度及出口蒸汽產量動態響應。由于爐內氧煤比增加導致爐溫升高，渣層厚度減少。爐膛中部渣層達到新的穩定值僅需0.45 h；穹頂和底部出口達到新的穩定值所需時間略長，分別為1.7 h和2.2 h。

圖13 渣層厚度和出口蒸汽含量動態響應

圖14為氧煤比變化后水冷壁管內工質含氣率變化。由于渣層厚度減小，渣層導熱熱阻減小，因而通過導熱進入水冷壁管內的熱通量增加，水冷壁出口蒸汽產量增加，由原來的2.8 t·h-1飛升至6.3 t·h-1。

圖14 水冷壁管內含氣率變化

氧煤比變化后，水冷壁出口蒸汽含量迅速增加，在約1 h左右出口蒸汽量變化比例達到66%，隨后出口蒸汽量增加變緩，并在約5 h左右達到新的穩定工況。由于灰渣是水冷壁氣化爐壁熱阻的主要來源，決定了導熱進入水冷壁管的熱流，因而其厚度決定了水冷壁管內工質的出口產量，而且出口含氣率響應時間長于渣層厚度相應時間。出口蒸汽量能反映爐內溫度及厚度，而且其響應速度非常快，可以作為爐溫監測的一種輔助手段。

2.6 水冷壁和耐火磚氣化爐差異

圖15和圖16為某相同工況下耐火磚和水冷壁爐內渣層厚度分布（不含穹頂部分）。如圖所示，爐型不同，爐內渣層結構也存在明顯差異：水冷壁氣化爐內渣層為固態、液態渣層共存，而在耐火磚氣化爐內僅存在液態渣層；兩者的液態渣層厚度相當，均為1 cm左右。

圖15 耐火磚氣化爐內渣層厚度隨高度變化

圖16 水冷壁氣化爐內渣層厚度隨高度變化

圖17為水冷壁爐內和耐火磚爐內渣層熱阻量級的比較，從圖中可以看出，爐內的輻射和對流傳熱系數大，對整體熱阻的貢獻微乎其微。對于壁面材料，無論在水冷壁爐還是耐火磚爐中，壁面耐火層厚度均較金屬壁大，而且熱導率較管壁材料小，因而壁面熱阻（圖中虛線框內部分）主要由碳化硅/耐火層決定。

圖17 水冷壁爐、耐火磚爐熱阻量級比較（單位為m2·K·W-1）

耐火磚的導熱熱阻比水冷壁爐內碳化硅層導熱熱阻高1個數量級，這是由兩種不同爐型內耐火層厚度的量級及其熱導率量級差異決定的；水冷壁管內為強制對流換熱，而耐火磚爐表面與外界環境可視為自然對流換熱，熱阻相差3個數量級。將圖中上述3項熱阻綜合起來看，水冷壁爐爐壁熱阻（虛線框內部分）遠小于耐火磚爐，在相同的熱通量條件下水冷壁爐內從工質水側到碳化硅內表面的溫升小于耐火磚爐金屬壁面到耐火磚層內表面的溫升，碳化硅表層溫度低于灰渣熔融溫度，有利于固態渣層的形成，起到“以渣抗渣”的作用，而耐火磚表面溫度有可能高于熔融溫度，從而無法形成固態渣層。圖中黑色部分為兩個爐型的渣層結構中熱阻的主要來源：根據工況和高度的不同，水冷壁爐內渣層厚度變化范圍為1～10 cm，該變化范圍對應其導熱熱阻約為10-3～10-2m2·K·W-1，說明渣層熱阻始終是水冷壁氣化爐熱阻的最主要組成部分；而僅存在液相渣層的耐火磚氣化爐，其渣層厚度從數毫米變化至約1 cm，渣層的導熱熱阻始終遠小于耐火磚層和外壁面的自然對流熱阻。

3 結 論

對工業水冷壁氣化爐內熔渣壁面捕捉及流動特性進行模型研究，主要結論如下。

（1）煤顆粒粒徑對于碳轉化率和顆粒壁面捕捉具有兩面性：大粒徑顆粒易于被壁面捕捉，利于穹頂渣層和直筒段渣層的形成，但不利于碳轉化率的提高；小粒徑顆粒具有高碳轉化率，但是下游細灰的主要來源，容易加劇下游受熱面和灰黑水系統的負擔。

（2）由于水冷壁氣化爐壁面熱阻小，碳化硅表面溫度低，利于形成固態渣層保護碳化硅和水冷壁，起到“以渣抗渣”的作用。

（3）水冷壁出口蒸汽量能快速反映爐內渣層厚度及爐溫變化，可以作為監視氣化爐運行溫度的一種輔助手段。

（4）水冷壁和耐火磚氣化爐壁面熱阻量級分配存在顯著差異，耐火磚氣化爐爐磚是熱阻的主要組成部分，爐磚表面溫度高，難以形成固態渣層。

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BI Dapeng, ZHAO Yong, GUAN Qingliang, XUAN Weiwei, ZHANG Jiansheng

Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of EducationDepartment of Thermal EngineeringTsinghua UniversityBeijingChina

A slag flow model was developed for the membrane wall gasifier by coupling the 3D gasifier model, the one-dimensional slag model and the particle trap model. The influence of particle behavior and O/C (ratio of oxygen to coal) on slagging of gasifier was demonstrated. Differences between membrane wall gasifier and refractory wall gasifier were shown. The larger particle benefited the capture efficiency and formation of slag layer, while the smaller one favored high carbon conversion. The thermal resistance of solid slag layer accounted for a large proportion in the membrane wall gasifier, thus it could protect silicon carbide layer and membrane wall from thermal corrosion.

slag; flow; gasification; granular flow; particle behavior; thermal resistance

2014-08-29.

Prof. ZHANG Jiansheng, zhang-jsh@tsinghua. edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141321

TQ 54

A

0438—1157（2015）03—0888—08

國家高技術研究發展計劃項目（2011AA05A201）。

2014-08-29收到初稿，2014-10-23收到修改稿。

聯系人：張建勝。第一作者：畢大鵬（1986—），男，博士研究生。

supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2011AA05A201).