單噴嘴頂置粉煤氣化爐熱態(tài)數(shù)值模擬及燒嘴頭部受熱分析

郭 偉，匡建平

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單噴嘴頂置粉煤氣化爐熱態(tài)數(shù)值模擬及燒嘴頭部受熱分析

郭 偉1，匡建平2

（1. 神華寧夏煤業(yè)集團 煤炭化學工業(yè)分公司， 寧夏 靈武 750411； 2. 中國船舶重工集團公司 第七一一研究所， 上海 201108）

氣化爐和燒嘴的匹配性是氣化效率高效與否的關鍵。針對粉煤氣化爐流場特性進行模擬研究，對單噴嘴頂置粉煤氣化爐進行不同工況條件下的熱態(tài)數(shù)值模擬及嘴頭部受熱狀況進分析，結(jié)果證明燒嘴頭部和氣化爐燃燒室溫度分布能夠滿足長周期運行的要求，為裝置的實際運行提供理論研究依據(jù)。

粉煤氣化；燒嘴；數(shù)值模擬；受熱分析

煤氣化是煤化工的先導技術，粉煤氣化以其高碳轉(zhuǎn)化率和高冷煤氣效率日益得到重視，其中單噴嘴頂置的干煤粉氣化技術主要有航天粉煤加壓氣化技術和GSP干煤粉加壓氣化技術。近年來中國在研究、開發(fā)、消化引進煤氣化技術方面進行了大量工作，隨著上述兩種技術在氣化爐水冷壁易超溫燒損、燒嘴運行時間短燃燒效果不佳、氣化爐連續(xù)運行時間不長等問題上取得突破，及在國內(nèi)大規(guī)模工業(yè)裝置的成功運行，也正在得到市場越來越廣泛的認可和肯定。

單噴嘴頂置粉煤氣化技術的關鍵是煤粉燒嘴必須滿足氣化爐長周期、高效、穩(wěn)定運行的要求。由于氣化爐熱態(tài)運行時燒嘴頭部區(qū)域所處的環(huán)境較為惡劣，既要受到爐內(nèi)高溫煙氣的輻射換熱和對流換熱，又要受到高溫融渣的沖刷。如果不能合理設計燒嘴的冷卻水結(jié)構(gòu)，合理組織燒嘴前流場的流動形式，將直接影響到燒嘴的使用壽命，影響到氣化爐的正常運行[1-5]。

1 氣化爐模型及初始參數(shù)設置

1.1 氣化爐物理模型

模擬計算選用2 000 t/d粉煤氣化爐，操作壓力為4.5 MPa。煤氣化合成氣有效氣流量（CO+H2）要達到130 000 Nm3/h以上，操作負荷77％～108％。氣化爐直徑為?2 800 mm，排渣口直徑為?596 mm，組合式燒嘴接口直徑為?524 mm，氣化爐直段高度為4 390 mm。建模區(qū)域為氣化爐燃燒室至激冷縮口（圖1）。

1.2 氣化反應的初始參數(shù)設置

煤樣元素、工業(yè)分析和其它參數(shù)設定見表1-2。

圖1 氣化爐建模Fig. 1 Modeling of gasifier

表1 煤樣元素、工業(yè)分析

表2 其它參數(shù)設定

2 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

2.1 正常工況條件下氣化爐熱態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果

圖2顯示了不同負荷條件下氣化爐爐內(nèi)溫度場的分布特性。100％負荷條件下合成氣出口溫度分別為1 752 K（1 479 ℃）。

圖2 爐膛溫度分布（100% 負荷） Fig. 2 Furnace temperature distribution (100% load)

單噴嘴頂置燒嘴煤粉進入氣化爐后，在高速旋轉(zhuǎn)的氧氣射流的帶動下發(fā)生彌散，獲得動量后向氣化爐燃燒室中下部運行，發(fā)生燃燒反應；一般燃燒分為以下幾個階段：吸熱、揮發(fā)份脫除、焦炭吸熱、燃燒，時間為毫秒級別，同時需要吸收大量的熱量。由圖可見，氣化爐燃燒室內(nèi)200～2 000 mm處為高溫區(qū)，溫度約為2 600 K；爐膛3 m以下的區(qū)域，溫度1 750 K較為均勻。拱頂位置溫度1 500 K左右相對。氣化爐燃燒室拱頂位置溫度相對較低。

2.2 正常工況條件下燒嘴頭部換熱計算結(jié)果

氣化燒嘴安裝在氣化爐燃燒室頂部中心位置，連接方式如圖3所示。燒嘴頭部端面處于氣化爐燃燒室高溫區(qū)域，端面受熱依靠燒嘴外層的冷卻水夾套進行換熱將大部分熱量帶走。

圖3 燒嘴頭部與爐體連接結(jié)構(gòu) Fig.3 Connecting structure of burner head and furnace

2.2.1 燒嘴頭部建模及初始參數(shù)設置

燒嘴頭部網(wǎng)格的劃分如圖4所示。

圖4 燒嘴頭部結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

表3 燒嘴給粉量和氧化劑量參數(shù)

2.2.2 燒嘴頭部受熱計算

額定工況時，燒嘴頭部在冷卻水流量20.1 Nm3/h、煙氣溫度為2 00 K、冷卻水管內(nèi)壁光滑，燒嘴頭部溫度場分布如圖5至圖7所示，燒嘴端面和圓角處溫度最高值為分別405和470 K左右。

圖 5 主燒嘴冷卻水端面溫度場分布（3D）

圖 6 燒嘴頭部向火面溫度場分布Fig. 6 Burner head fireside surface temperature distribution

圖 7 燒嘴中軸面溫度場分布Fig.7 Burner axis surface temperature distribution

3 工業(yè)裝置運行情況

圖8、9為頂噴燒嘴實爐運行100 d后的情況對比圖片。氣化爐操作壓力4.0 MPa,投煤量2 000 t/d。

圖 8 外冷卻水端面情況（試燒前） Fig.8 End face of the cooling water situation (before test firing)

圖 9 外冷卻水端面情況（試燒后） Fig.9 End face of the cooling water situation (after test firing)

從冷卻水端面來看，沒有燒損，說明冷卻水外加套設計合理，燒嘴頭部向火端面的材質(zhì)能夠滿足高溫環(huán)境下的熱應力和強度要求，采用旋流通道結(jié)構(gòu)能夠加強冷卻水的旋流流動效果，強化換熱效果，可以有效降低燒嘴向火面的溫度，端面材料冷卻效果優(yōu)異。

從圖10可看出，由于強化了煤粉與氧氣的混合效果，有效控制燒嘴頭部火焰范圍，5臺氣化爐在投料初期燃燒室熱損失均控制在4 MW以下、且波動幅度較小，有效保護氣化爐水冷壁在投料初期不被燒損；從圖11及表4看出氣化爐長周期運行過程中熱損失低、且波動平穩(wěn)，有利于氣化爐的長周期高負荷穩(wěn)定運行。

圖10 氣化爐投料24 h水冷壁熱損對比 Fig. 10 Wall heat loss comparison after 24 h of gasifier feeding

圖11 氣化爐投料24 h水冷壁熱損對比 Fig. 11 Wall heat loss comparison after 24 h of gasifier feeding

表4 水冷壁熱損統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

（1）單噴嘴頂置氣化爐高溫區(qū)域在燒嘴前方200～2 000 mm處，溫度約在2 600 K左右；燃燒室3米以下的區(qū)域平均溫度在1 750 K，溫度較為均勻。

（2）燒嘴頭部向火端面的材質(zhì)在滿足強度及高溫環(huán)境熱應力要求的前提條件下，盡可能的減少壁厚有利于提高換熱效果；此外燒嘴頭部采用旋流通道結(jié)構(gòu)能夠加強冷卻水的旋流流動效果，強化換熱效果，可以有效降低燒嘴向火面的溫度。

（3）通過對燒嘴頭部受熱模擬，燒嘴端面在正常工藝條件下，端面溫度只有405 K，最高達到510 K，燒嘴是可以保證長周期運行要求的。

［1］ 盛新，韓啟元，汪永慶，等. Shell煤氣化裝置模擬計算和操作優(yōu)化軟件的的開發(fā)與應用[J]. 化工進展，2009，28(11)：1072-1109.

［2］ 崔勇，梁杰，王張卿. 煤炭地下氣化過程數(shù)值模擬研究進展[J]．煤炭科學技術，2014，42(1)：48-54.

［3］ 張玉柱，黃斌．寧東煤在煤氣化工藝中的應用分析[J]．煤化工，2013（4）：22-25.

［4］ 張勇，余安華. 煤氣化模擬計算模型[J]. 設計技術，2010，20(2)：9-11.

［5］ 王靜，簡麗，張前程. 煤氣化模型研究及氣化產(chǎn)物組分預測分析[J]. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學學報，2011，30(3)：243-249.

Numerical Simulation of the Thermal State in Pulverized Coal Gasifier With Top-installed Single Nozzle and Analysis on the Heat at the Top of Burner

GUO Wei1，KUANG Jian-ping2

（1. Shenghua Ningxia Coal Group Coal Chemistry Industry Co. Ningxia Lingwu 750411，China；2. ShangHai Marine Diesel Inginner Research Insititute,Shanghai 201108，China）

The compatibility of gasifier and burner is a key factor to affect the gasification efficiency. In this paper, numerical simulation of flow field characteristics in the pulverized coal gasifier was carried out, and the heat at the top of burner under different conditions was analyzed. The results prove that the gasifier burner head and combustion chamber temperature distribution can meet the requirements of long-term operation.

Coal gasification; Burner; Numercial simulation; Heat simulation analysis

TQ 530

A

1671-0460（2016）06-1170-03

2016-03-07

郭偉（1983-），男，寧夏固原市人，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于東北電力大學控制理論與控制工程專業(yè)，研究方向：粉煤氣化技術工作。E-mail：124329005@qq.com。