Shell氣化爐煤化影響因素的數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文主要研究氣流床煤氣化爐煤氣化的影響因素,利用CFD商業(yè)軟件對(duì)某廠運(yùn)行的Shell煤氣化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過將模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)本文所選擇的數(shù)值模擬的計(jì)算模型以及對(duì)所研究對(duì)象進(jìn)行的幾何建模和網(wǎng)格劃分精度合適的,能夠滿足本文的研究需要。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置模擬條件,得出氣化爐內(nèi)部氣固兩相流運(yùn)動(dòng)特性、溫度分布、組分分布、以及氣化爐出口煤氣成分,結(jié)果表明基于氣化爐內(nèi)氣相速度分布可以將氣化爐內(nèi)部分為射流區(qū)、撞擊流

2、區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū),固相顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間在3s～8s之間,同時(shí)固相顆粒通過噴嘴進(jìn)入氣化爐后,會(huì)在幾股流體的相交處發(fā)生劇烈的碰撞,碰撞后固相顆粒分為兩部分,一部分向氣化爐上部運(yùn)動(dòng),一部分向氣化爐下部運(yùn)動(dòng),而且在撞擊顆粒流兩側(cè)可以清楚的看到產(chǎn)生的氣相回流,通過回流區(qū)域的固相顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間要較未通過回流區(qū)域的崮體顆粒的停留時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)還研究了氧煤比、蒸汽煤比、氣化壓力、煤種變化以及運(yùn)行負(fù)荷等氣化爐操作條件對(duì)氣化爐煤氣化的影響

3、。研究發(fā)現(xiàn),在其他條件不變情況下,有效氣體產(chǎn)率隨著氧煤比的變化有一最佳值,此時(shí)對(duì)應(yīng)的氧煤比處于0.57Nm3/kg～0.59Nm3/kg,同時(shí)CO和H2的摩爾濃度隨著氧煤比的增加先增加后降低,CO2和H2O的摩爾濃度隨著氧煤比的增加先降低后增加,溫度隨著氧煤比的增加而升高,碳轉(zhuǎn)化率隨著氧煤比的增高而增高,冷煤氣效率隨著氧煤比的增高先增高后降低；有效氣體產(chǎn)率隨著蒸汽煤比的變化有一最佳值,此時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽煤比處于0.11kg/kg～0.13k

4、g/kg,并且CO和H2摩爾濃度隨著蒸汽煤比的增加先緩慢增加后緩慢降低,H2O的摩爾濃度隨著蒸汽煤比的增加而增加,CO2摩爾濃度隨著蒸汽煤比的升高先升高后基本不變,溫度隨著蒸汽煤比的增加而增加。但是當(dāng)蒸汽煤比達(dá)到0.12kg/kg后增加變緩,碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率隨著蒸汽煤比的升高呈現(xiàn)先增高后基本保持不變:對(duì)于本文所研究的氣化爐最佳氣化壓力介于2.9MPa～3.3MPa之間；隨著運(yùn)行負(fù)荷的增加在氣化爐出口處CO和H2的摩爾濃度逐漸降低,H

5、2O和CO2的摩爾濃度逐漸升高,溫度逐漸升高,碳轉(zhuǎn)化率降低；高灰分煤對(duì)煤氣化存在很大的影響,同時(shí),高水分煤能夠在很大程度上緩解高灰分煤對(duì)煤氣化的影響。
　　 本文對(duì)氣化爐噴嘴沿軸向的布置位置、噴嘴在氣化爐軸向的角度變化和氣化爐高徑比的變化對(duì)氣化爐內(nèi)部氣相和固相運(yùn)動(dòng)、溫度分布、氣化爐出口位置的氣體組分分布,以及碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率進(jìn)行了研究。研究表明噴嘴位置沿著氣化爐爐體高度變化對(duì)氣化爐內(nèi)部氣相和固相運(yùn)動(dòng)、溫度分布、氣化爐出口位置

6、的氣體組分分布,以及碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率產(chǎn)生很大的影響,隨著噴嘴位置沿著軸向向上變化,氣化爐內(nèi)射流區(qū)、對(duì)撞區(qū)和回流區(qū)沿著軸向向上移動(dòng),射流區(qū)、對(duì)撞區(qū)和回流區(qū)的體積大小變化不大,管流區(qū)的體積大小隨著噴嘴位置向上變化而逐漸減小,固體顆粒相在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間逐漸減小。當(dāng)氣化爐噴嘴上部高度(a)與噴嘴下部高度(b)的比值(a/b)介于2.75和3.75之間的時(shí)候,氣化爐出口處的煤氣組成成分及溫度、氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率等參數(shù)比較理想。通

7、過對(duì)噴嘴在氣化爐軸向的角度(α)變化的研究發(fā)現(xiàn),隨著變化角度α的增大,氣化爐內(nèi)部碰撞區(qū)域逐漸向氣化爐上部移動(dòng),管流區(qū)域會(huì)逐漸減小,固相顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間降低。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不管是其一組對(duì)置噴嘴的角度發(fā)生變化還是二組對(duì)置噴嘴的角度變化,都會(huì)對(duì)氣化爐出口的煤氣組成成分、氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率產(chǎn)生影響,當(dāng)噴嘴的變化角度α介于-5°到5°之間的時(shí)候,氣化爐出口的煤氣組成成分及溫度、氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率等參數(shù)變化不大；當(dāng)噴嘴的變化

8、角度α處于這個(gè)變化范圍外的時(shí)候氣化爐出口的煤氣組成成分及溫度、氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率產(chǎn)生很大的變化。通過對(duì)氣化爐高徑比變化的研究發(fā)現(xiàn),氣化爐形狀緩慢地由“矮粗型”向“細(xì)高型”變化,氣化爐內(nèi)射流區(qū)域和回流區(qū)域的體積逐漸減小,管流區(qū)域體積逐漸增加,顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間逐漸增加,同時(shí),氣化爐的高徑比最佳值在4.25左右,當(dāng)高徑比高于這個(gè)值的時(shí)候,高徑比參數(shù)對(duì)于氣化爐出口參數(shù)影響較小,當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)值的時(shí)候,氣化爐的出口參數(shù)隨著該值的變化有較大