付偉賢，高 明，王向龍

(1.新奧科技發(fā)展有限公司；2.煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊 065001)

1 概 述

粉漿氣化技術(shù)是指在氣化爐內(nèi)同時噴入煤粉和水煤漿，通過調(diào)節(jié)粉漿投料比例和角度，改變爐內(nèi)氣固流動狀態(tài)，調(diào)節(jié)反應(yīng)結(jié)果，實現(xiàn)煤粉和煤漿高效共氣化[1]。與水煤漿氣化技術(shù)相比，該技術(shù)對煤種的適用性更加廣泛，單位產(chǎn)品原料煤耗、氧耗下降，有效氣含量增加[2]；與常規(guī)粉煤氣化技術(shù)相比，該技術(shù)采用新奧自主粉煤高壓密相輸送技術(shù)，可將氣化壓力提高至6.5 MPa以上，氣化爐產(chǎn)能相對提高[3]。

粉漿氣化的特征爐型有兩種[1，4](詳見圖1)：一種是在氣化爐頂部設(shè)置煤粉噴嘴，并在距離頂部噴嘴一定位置的平面上設(shè)置4個水煤漿噴嘴，煤漿噴嘴上部為拱段，頂部為圓角錐段，下部為規(guī)則錐段渣口；另一種是在氣化爐頂部設(shè)置粉漿組合燒嘴，與傳統(tǒng)GE水煤漿氣化爐一致，頂部設(shè)置一個擴(kuò)大段，下部是規(guī)則錐段的渣口。

為了深入分析單噴嘴粉漿氣化爐內(nèi)的流場特性，筆者采用商業(yè)CFD計算軟件FLUENT結(jié)合用戶自定義函數(shù)(UDF)對單噴嘴粉漿氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了投煤量1 500 t/d單噴嘴粉漿氣化爐采用不同粉漿配比時，對其氣化性能的影響。

圖1 粉漿氣化爐氣化室結(jié)構(gòu)示意

2 氣化模型及校驗

2.1 幾何模型

1 500 t/d單噴嘴粉漿氣化爐幾何模型與GE同等投煤量保持一致[5]，反應(yīng)室內(nèi)徑2 134 mm，渣口尺寸為1 030 mm，頂部采用擴(kuò)大段(如圖2所示)。

工藝燒嘴采用粉漿頂置組合燒嘴，水煤漿輸送通道與GE工藝燒嘴保持一致，采用O-C-O結(jié)構(gòu)，粉漿工藝燒嘴主要特點是在水煤漿燒嘴外環(huán)氧外側(cè)再加一環(huán)形通道，CO2輸送的粉煤在該環(huán)形通道內(nèi)均布后從噴口環(huán)隙噴出，與外環(huán)氧持續(xù)反應(yīng)。工藝燒嘴結(jié)構(gòu)示于圖3。整體結(jié)構(gòu)為C-O-C-O結(jié)構(gòu)(由外至內(nèi))。

圖2 GE氣化爐幾何尺寸

圖3 粉漿工藝燒嘴進(jìn)料示意

2.2 氣化模型

粉漿氣化過程包含了復(fù)雜的流動、傳質(zhì)、傳熱過程，并且其高溫反應(yīng)包括多種均相和非均相(氣—固)反應(yīng)過程，因此其數(shù)值模型非常復(fù)雜。需要處理的模型見表1。表1中除反應(yīng)部分外，其他均為FLUENT軟件中的成熟模型[6-11]。

2.2.1 熱解模型

為簡化起見，本模擬中的煤顆粒脫揮發(fā)分過程采用單步模型，如式(1)所示：

式(1)中：mp和mpc分別表示顆粒質(zhì)量和顆粒中除揮發(fā)分以外物質(zhì)的質(zhì)量，kg；t為時間，s；Tp為顆粒溫度，K；Av和Ev分別為單步脫揮發(fā)分速率的指前因子和活化能，其值[6]分別為21 000 s-1和3.28×107J/kmol。

表1 粉漿氣化過程包含的模型

注：(1)不考慮顆粒間碰撞，僅考慮顆粒間相互作用；(2)要求T∞大于飽和溫度；(3)包括C+H2O；C+CO2； C+H2；C+O2等。

2.2.2 焦炭異相反應(yīng)

根據(jù)Smith[12]的研究工作，焦炭模型的氣化反應(yīng)模型可假定在加壓條件下，焦炭異相反應(yīng)受氣體內(nèi)外擴(kuò)散過程和焦炭的本征反應(yīng)共同控制，且氣體擴(kuò)散和焦炭顆粒的本征反應(yīng)過程并不相互關(guān)聯(lián)。計算焦炭顆粒同某種氣體i的異相反應(yīng)速率如式(2)：

式(2)中：Ri表示單位表面積的焦炭顆粒與i種氣體的反應(yīng)速率，kg/(m2·s)；Ri，d表示擴(kuò)散控制的速率，kg/(m2·s)；Ri，k表示本征控制速率，kg/(m2·s)。

由于氣化爐是在壓力條件下運(yùn)行的，故在計算本征反應(yīng)和擴(kuò)散反應(yīng)時，均需考慮壓力的影響，本模型中采用常用的壓力n次方經(jīng)驗公式來計入壓力的影響，Ri，d和Ri，k分別由式(3)和式(4)表示：

式(3)(4)中：Ci為i氣體擴(kuò)散控制常數(shù)，假定各氣化反應(yīng)擴(kuò)散控制常數(shù)均為4×10-14s/K0.75；T∞為氣體的溫度，K；dp為顆粒粒徑，m；Ai和Ei分別為焦炭同i氣體本征反應(yīng)的指前因子和活化能；R為氣體常數(shù)，8 314 J/ kmol；Pi為氣體i的分壓，Pa；n為反應(yīng)級數(shù)。焦炭同O2、CO2、H2O和H2反應(yīng)的活化能和指前因子，以及壓力影響因子n的值根據(jù)文獻(xiàn)報道及計算經(jīng)驗共同確定，如表2所示。

表2 公式(2)和公式(3)中的常數(shù)

2.2.3 均相反應(yīng)

實際氣化反應(yīng)過程包括上百種，本模型中考慮了40多種主要氣化反應(yīng)，整個氣化反應(yīng)的計算過程必須保證元素和能量平衡，才能保證計算得到的出口溫度和出口氣成分與實際相符。模型方程的求解過程中，動量方程、能量方程以及組分輸運(yùn)方程的插值格式均采用二階迎風(fēng)格式。速度與壓力方程的解耦采用SIMPLE算法。采用EDC(eddy-dissipation concept)處理湍流對化學(xué)反應(yīng)的影響。

2.3 模型驗證

粉漿氣化模型需要對水煤漿氣化反應(yīng)、粉煤氣化反應(yīng)同時進(jìn)行模擬，同時與粉漿氣化中試實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證模型的準(zhǔn)確性。以1 500 t/d處理量的GE單噴嘴氣化爐和相同處理量的航天粉煤氣化爐為模擬對象，采用相同的煤種計算模擬了氣化爐內(nèi)流場分布和出口氣體組成情況。

表3為模擬計算結(jié)果與GE現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對比。表中氣體體積均指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，全文同。

表4為模擬計算結(jié)果與航天粉煤現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對比。

表3 模擬結(jié)果與GE現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

表4 模擬結(jié)果與航天粉煤現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

粉漿氣化模型經(jīng)上述GE水煤漿氣化和航天粉煤氣化兩種工業(yè)數(shù)據(jù)驗證，模擬得到的碳轉(zhuǎn)換率、有效氣組分、比氧耗等指標(biāo)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)基本相近。

表5為采用該模型計算的粉漿配比(50 t/d粉煤+100 t/d水煤漿)的單噴嘴粉漿氣化爐模擬計算結(jié)果與粉漿氣化爐中試現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對比。

表5 模擬結(jié)果與粉漿氣化中試現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

粉漿氣化模型模擬得到的粉漿配比(50 t/d粉煤+100 t/d水煤漿)下的碳轉(zhuǎn)換率、有效氣組分、比氧耗等指標(biāo)與中試數(shù)據(jù)相比，各指標(biāo)誤差率均低于5%，模型準(zhǔn)確可靠。

3 數(shù)值模擬

3.1 燃料性質(zhì)

表6為氣化爐入爐煤的工業(yè)分析和元素分析，其中水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。煤粉粒徑采用均一粒徑分布，統(tǒng)一為0.075 mm，粉煤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%。

表6 賽蒙特煤工業(yè)分析及元素分析

3.2 模擬工況

單噴嘴粉漿氣化爐數(shù)值模擬設(shè)置參數(shù)見表7。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 粉漿配比對氣化爐溫度場的影響

從圖4可以看出：工況1和工況4高溫火焰長度較短，工況2和工況3高溫火焰長度較長。主要是因為隨著煤漿煤量的減少，高速氧氣的相對動能增大，帶動煤漿流速增加，火焰拉長，但同時由于綜合水分的減少，氣化爐溫度增加，霧化后的煤漿煤干燥及反應(yīng)速度加快，高溫火焰上移，因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象，這也說明了隨著粉煤量的增加，合成氣出口溫度增加量減少。工況4高溫火焰雖然較短，但末端中溫火焰區(qū)域較大，爐膛溫度整體還是增加。

表7 單噴嘴粉漿氣化爐數(shù)值模擬設(shè)置參數(shù)

圖4 單噴嘴粉漿氣化爐不同粉漿配比下溫度場變化

3.3.2 粉漿配比對氣化爐工藝參數(shù)的影響

工況1～工況4為總投煤量1 500 t/d，氧煤比0.802不變，粉煤投煤量分別為200 t/d、300 t/d、400 t/d和500 t/d的粉漿配比工況下，單噴嘴粉漿氣化爐工藝參數(shù)的變化。從表8可以看出：保持總投煤量和氧量不變，隨著粉煤量的增加，有效氣量逐漸增加，比氧耗和比煤耗逐漸降低，碳轉(zhuǎn)化率逐漸增大，氣化爐操作溫度和合成氣出口溫度均逐漸增加。主要是因為隨著粉煤量的增加，氣化爐內(nèi)綜合水分降低，用于水汽化升溫的能耗減少，所以工藝參數(shù)逐步優(yōu)化，爐溫升高。

3.3.3 優(yōu)化工況下的工藝參數(shù)

選取500 t/d粉煤+1 000 t/d水煤漿作為單噴嘴粉漿氣化爐最佳投煤量，參照工況4模擬計算結(jié)果，總氧量選取35 000 m3/h的操作溫度稍微偏高，工況5和工況6通過調(diào)整氧煤比研究對氣化爐工藝參數(shù)的影響，見表9所示。

從表9中可以看出，隨著總氧量的減少，氣化爐操作溫度及合成氣出口溫度均顯著降低。當(dāng)總氧量為34 500 m3/h時，計算操作溫度為1 236 ℃，合成氣出口溫度為1 286 ℃，滿足操作溫度及低能耗要求。隨著總氧量的減小，合成氣組分基本不變，有效氣量稍微降低，但碳轉(zhuǎn)化率降低明顯。隨著總氧量的減小，比氧耗減小，比煤耗增加。由此確定投煤量(500 t/d粉+1000 t/d漿)下的最佳氧量為34 500 m3/h，對應(yīng)的賽蒙特煤最佳氧煤比為0.789，對應(yīng)的最佳氧碳原子比為0.978，對應(yīng)的最佳設(shè)計工況為工況5。該工況下拱頂段靠近壁面處氣體溫度為1 263 ℃，較出口溫度和直段壁面溫度均低，不存在頂部超溫現(xiàn)象，因此單噴嘴粉漿氣化爐仍然采用GE拱頂擴(kuò)大段結(jié)構(gòu)。

表8 不同粉漿配比下氣化爐主要工藝參數(shù)

表9 優(yōu)化工況*下氧/煤比對工藝參數(shù)的影響

*：投煤量：500 t/d粉+1000 t/d漿。

4 結(jié) 語

通過不同工況下的數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了粉漿配比的變化對氣化爐內(nèi)溫度場以及氣化過程的影響。得到的主要結(jié)論如下：

(1)粉漿配比直接影響綜合水分，保持氧煤比一致，隨著綜合水分降低，氣化爐溫度升高，有效氣組分和產(chǎn)量增加，碳轉(zhuǎn)化率略有提升；

(2)在粉漿配比一定的條件下，隨著氧煤比的小幅降低，氣化爐溫度和碳轉(zhuǎn)化率降低，有效氣組分和產(chǎn)量略有降低；

(3)單噴嘴粉漿氣化爐拱頂段溫度偏低，小于合成氣出口溫度和直段壁面溫度，單噴嘴粉漿氣化爐可采用GE拱頂擴(kuò)大段，結(jié)構(gòu)不變；

(4)投煤量15 000 t/d單噴嘴粉漿氣化爐采用賽蒙特煤作為設(shè)計煤種時的優(yōu)化的設(shè)計工況為：粉漿配比(500 t/d粉煤+1 000 t/d水煤漿)，氧煤比0.789，操作溫度1 236 ℃。