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(tuán) 煤炭化學(xué)工業(yè)分公司， 寧夏 靈武 750411； 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(guān)鍵。針對(duì)粉煤氣化爐流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬研究，對(duì)單噴嘴頂置粉煤氣化爐進(jìn)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(jìn)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(zhǎng)周期運(yùn)行的要求，為裝置的實(shí)際運(yùn)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(dǎo)技術(shù)，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(shù)主要有航天粉煤加壓氣化技術(shù)和GSP干煤粉加壓氣化技術(shù)。近年來(lái)中國(guó)在研究、開(kāi)發(fā)、消化引進(jìn)煤氣化技術(shù)方面進(jìn)行了大量工作，隨著上述兩種技術(shù)在氣化爐水冷壁易超溫?zé)龘p、燒嘴運(yùn)行時(shí)間短燃燒效果不佳、氣化爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)等問(wèn)題上取得突破，及在國(guó)內(nèi)大規(guī)模工業(yè)裝置的成功運(yùn)行，也正在得到市場(chǎng)越來(lái)越廣泛的認(rèn)可和肯定。

單噴嘴頂置粉煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵是煤粉燒嘴必須滿足氣化爐長(zhǎng)周期、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。由于氣化爐熱態(tài)運(yùn)行時(shí)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?zé)煔獾妮椛鋼Q熱和對(duì)流換熱，又要受到高溫融渣的沖刷。如果不能合理設(shè)計(jì)燒嘴的冷卻水結(jié)構(gòu)，合理組織燒嘴前流場(chǎng)的流動(dòng)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(yùn)行[1-5]。

1 氣化爐模型及初始參數(shù)設(shè)置

1.1 氣化爐物理模型

模擬計(jì)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(dá)到130 000 Nm3/h以上，操作負(fù)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?yàn)闅饣癄t燃燒室至激冷縮口（圖1）。

1.2 氣化反應(yīng)的初始參數(shù)設(shè)置

煤樣元素、工業(yè)分析和其它參數(shù)設(shè)定見(jiàn)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(shè)定

2 數(shù)值模擬計(jì)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(fù)荷條件下氣化爐爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布特性。100％負(fù)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(fù)荷） Fig. 2 Furnace temperature distribution (100% load)

單噴嘴頂置燒嘴煤粉進(jìn)入氣化爐后，在高速旋轉(zhuǎn)的氧氣射流的帶動(dòng)下發(fā)生彌散，獲得動(dòng)量后向氣化爐燃燒室中下部運(yùn)行，發(fā)生燃燒反應(yīng)；一般燃燒分為以下幾個(gè)階段：吸熱、揮發(fā)份脫除、焦炭吸熱、燃燒，時(shí)間為毫秒級(jí)別，同時(shí)需要吸收大量的熱量。由圖可見(jiàn)，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(duì)。氣化爐燃燒室拱頂位置溫度相對(duì)較低。

2.2 正常工況條件下燒嘴頭部換熱計(jì)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(jìn)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(shè)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(jì)算

額定工況時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)分布（3D）

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

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

3 工業(yè)裝置運(yùn)行情況

圖8、9為頂噴燒嘴實(shí)爐運(yùn)行100 d后的情況對(duì)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(lái)看，沒(méi)有燒損，說(shuō)明冷卻水外加套設(shè)計(jì)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(yīng)力和強(qiáng)度要求，采用旋流通道結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)冷卻水的旋流流動(dòng)效果，強(qiáng)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(qiáng)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(tái)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(dòng)幅度較小，有效保護(hù)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(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中熱損失低、且波動(dòng)平穩(wěn)，有利于氣化爐的長(zhǎng)周期高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 氣化爐投料24 h水冷壁熱損對(duì)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(duì)比 Fig. 11 Wall heat loss comparison after 24 h of gasifier feeding

表4 水冷壁熱損統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度及高溫環(huán)境熱應(yīng)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(qiáng)冷卻水的旋流流動(dòng)效果，強(qiáng)化換熱效果，可以有效降低燒嘴向火面的溫度。

（3）通過(guò)對(duì)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(dá)到510 K，燒嘴是可以保證長(zhǎng)周期運(yùn)行要求的。

［1］ 盛新，韓啟元，汪永慶，等. Shell煤氣化裝置模擬計(jì)算和操作優(yōu)化軟件的的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 化工進(jìn)展，2009，28(11)：1072-1109.

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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(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：粉煤氣化技術(shù)工作。E-mail：124329005@qq.com。