許世森，王肖肖，劉剛，李小宇，任永強(qiáng)，譚厚章

（1 中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，煤基清潔能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2 西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

煤炭仍是我國目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源支柱，同時(shí)也是主要的碳排放來源。我國承諾在2030 年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060 年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要對(duì)煤炭更加清潔高效利用，同時(shí)盡量減少煤炭利用后的碳排放。煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤的清潔高效利用重要技術(shù)之一，也是發(fā)展煤基化學(xué)合成（氨、甲醇、乙酸、烯烴等）、液體燃料合成（二甲醚、汽油、柴油）、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（integrated gasification combined cycle，IGCC）等工業(yè)過程的基礎(chǔ)。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電融合了化工和電力行業(yè)優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭利用過程中低污染物（NO和SO）排放以及低成本CO捕集和封存的協(xié)同，將有望實(shí)現(xiàn)煤炭利用過程中CO近零排放。氣流床氣化技術(shù)因具有煤種適應(yīng)性廣、處理量大、氣化效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。

掌握氣流床氣化爐中煤粉顆粒燃燒和氣化的控制機(jī)理，對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化氣化爐運(yùn)行參數(shù)至關(guān)重要。氣化爐中煤粉顆粒轉(zhuǎn)化率主要取決于煤粉顆粒固有氣化速率和停留時(shí)間，因?yàn)榻固繗饣俾蔬h(yuǎn)小于脫揮發(fā)分速率，脫揮發(fā)分完成后剩余的焦炭顆粒主要通過與CO和HO 的氣化反應(yīng)消耗。事實(shí)上，溫度和顆粒粒徑是影響焦炭顆粒氣化速率的重要因素。氣化爐中溫度范圍分布較廣，意味著不同區(qū)域顆粒氣化過程的控制因素不相同。Kim 等研究表明隨著顆粒尺寸增大，焦炭氣化反應(yīng)性降低，且高溫時(shí)影響更加明顯。主要是因?yàn)殡S著溫度升高內(nèi)孔擴(kuò)散主導(dǎo)了焦炭的固有氣化反應(yīng)速率，而減小煤顆粒尺寸可以極大地降低煤粉顆粒在高溫氣化時(shí)氣體擴(kuò)散阻力。已有研究表明煤粉經(jīng)過超細(xì)化后，具有優(yōu)越的理化特性和燃燒特性，其在大型燃煤機(jī)組再燃技術(shù)還原NO已經(jīng)取得了巨大成功。煤粉粒徑小到一定程度后稱其為超細(xì)粉，目前對(duì)超細(xì)煤粉粒徑還沒有嚴(yán)格的定義，針對(duì)目前氣流床氣化的工程實(shí)踐，本文將粒徑小于40μm煤粉顆粒定義為超細(xì)煤粉。此外，煤粉粒徑不但影響溫度場、組分場，而且影響氣化爐壁面固態(tài)和液態(tài)渣層分布。因?yàn)闅饬鞔矚饣癄t一般均為液態(tài)排渣，氣化爐正常運(yùn)行時(shí)壁面形成一層動(dòng)態(tài)的固態(tài)渣層和液態(tài)渣層。合理控制氣化爐溫度和液、固渣層厚度的動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)氣化爐穩(wěn)定、可靠運(yùn)行至關(guān)重要。已有學(xué)者報(bào)道煤粉粒徑對(duì)氣流床氣化性能和碳轉(zhuǎn)化率的影響，但其主要針對(duì)粒徑大于50μm 的顆粒，且沒有涉及對(duì)氣化壁面渣層流動(dòng)特性研究。

中國華能集團(tuán)于2012 年在天津建立了中國首座HNCERI（Huaneng Clean Energy Research Institute）兩段干粉加壓氣化爐用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）示范電站，穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行至今。氣化爐一段反應(yīng)室產(chǎn)生的高溫合成氣（1400～1600℃）被二段噴入的煤和水蒸氣進(jìn)行化學(xué)降溫，提升了合成氣產(chǎn)量和冷煤氣效率。比國外先進(jìn)干粉氣化技術(shù)冷煤氣效率可提高2%～3%，比氧耗降低10%～15%。然而，該氣化爐實(shí)際運(yùn)行過程中也存在一些問題。比如氣化爐下端黑水過濾收集的濾餅中殘?zhí)剂扛?，氣化爐在不同負(fù)荷下長周期運(yùn)行時(shí)飛灰含碳量可達(dá)27.82%～44.9%，這主要由于氣化爐二段碳轉(zhuǎn)化率較低。掌握煤粉顆粒在氣化爐中轉(zhuǎn)化控制機(jī)理的空間分布對(duì)于進(jìn)一步提高兩段干粉加壓氣化爐碳轉(zhuǎn)化率至關(guān)重要，同時(shí)也可以為其他同類型干粉氣流床氣化爐提供參考。由于在承受高溫高壓爐壁上開孔取樣和測溫極易引起合成氣的泄露和爆炸，使用實(shí)驗(yàn)的方法很難對(duì)氣化爐內(nèi)部流場以及氣化過程控制因素進(jìn)行研究，而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值計(jì)算具有成本低、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于大型工業(yè)設(shè)備內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)研究。

本文使用CFD 數(shù)值模擬方法，采用考慮氣體在焦炭顆粒表面擴(kuò)散的隨機(jī)孔模型和Seggiani提出的熔渣模型分別計(jì)算氣化爐中焦炭顆粒固有氣化反應(yīng)速率和壁面液、固渣層分布特性，通過改變煤粉粒徑（20μm、40μm、70μm、100μm、200μm），研究煤粉粒徑對(duì)兩段干粉加壓氣化爐顆粒壁面沉積特性、液固渣層分布特性以及碳轉(zhuǎn)化率的影響，探討氣化爐中不同區(qū)域煤粉顆粒轉(zhuǎn)化速率的控制機(jī)理，旨在為進(jìn)一步提高兩段干粉加壓氣化爐碳轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)。同時(shí)，也可為其他干粉氣流床氣化爐進(jìn)一步提升氣化性能提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型和研究對(duì)象

1.1 物理模型

兩段干粉加壓氣化爐由兩個(gè)直徑相等的圓柱組成，通過一個(gè)縮口連接，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。氣化爐下半部分圓柱是一段燃燒室，有4個(gè)對(duì)置安裝的燒嘴；上半部分圓柱是二段還原室，有兩個(gè)對(duì)置安裝的燒嘴。為了研究氣化爐壁面溶渣沉積特性，對(duì)氣化爐一段燃燒室壁面進(jìn)行了分區(qū)，如圖1所示，燃燒室內(nèi)噴嘴下方直段均分為5層，噴嘴上方直段分13層，上下錐形縮口各均分為3層。

圖1 氣化爐主要尺寸及分層示意圖（單位：mm）

1.2 數(shù)學(xué)模型

在實(shí)際氣化爐運(yùn)行過程中，氣化爐中氣固兩相會(huì)發(fā)生一些幾乎同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜物理化學(xué)過程，主要包括：①氣體與煤粉顆粒的湍流混合；②氣相各組分之間的擴(kuò)散、混合及復(fù)雜而劇烈的化學(xué)反應(yīng)；③煤粉顆粒脫揮發(fā)分及揮發(fā)分裂解燃燒過程；④煤顆粒與氣體之間的異相反應(yīng)過程；⑤對(duì)流與輻射換熱過程。本文采用一系列子模型描述以上過程，具體模型如表1 所示。共考慮的13 個(gè)氣相反應(yīng)，如表2所示。下文介紹計(jì)算焦炭固有氣化速率的隨機(jī)孔模型和熔渣沉積模型。

表1 數(shù)值模擬所采用的子模型

表2 氣相反應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)[14]

1.2.1 焦炭氣化模型

準(zhǔn)確計(jì)算焦炭氣化反應(yīng)速率對(duì)于準(zhǔn)確的模擬氣化爐內(nèi)各個(gè)場分布和氣化爐碳轉(zhuǎn)化率至關(guān)重要。一般認(rèn)為焦炭異相反應(yīng)速率分為三個(gè)控制區(qū)域：區(qū)域Ⅰ（化學(xué)反應(yīng)速率控制，低溫）、區(qū)域Ⅱ（孔隙擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)速率共同控制，中高溫）和區(qū)域Ⅲ（氣體擴(kuò)散控制，高溫）。本文使用隨機(jī)孔模型，并考慮氣體在孔擴(kuò)散的影響，使用合適的有效因子η來修正不同區(qū)域的總體反應(yīng)速率，每種氣化劑的氣化速率方程如式(1)所示，每種氣化劑與焦炭氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用Kajitani實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 焦炭氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)[19]

有效因子η的確定如式(2)。

其中，?為Thiele 模量，對(duì)于每種氣化劑?表示如式(3)。

對(duì)于每種氣化劑的有效擴(kuò)散率如式(4)。

假設(shè)煤的孔隙度為0.5，彎曲度=1/。

1.2.2 渣層流動(dòng)模型

使用Seggiani提出的熔渣模型計(jì)算氣化爐壁面渣層分布和熱損失。圖2(a)為某一層壁面渣單元熱量質(zhì)量傳遞截面示意圖，對(duì)每一個(gè)渣層控制單元建立質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒方程。質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒分別如式(5)～式(7)。

邊界條件為：=0，d/d=0；=，=0。

熔渣流動(dòng)模型與氣化爐模型的集成以及模型的輸入輸出變量如圖2(b)所示，CFD數(shù)值計(jì)算為熔渣模型提供、和，熔渣模型使用MATLAB軟件進(jìn)行求解計(jì)算，將計(jì)算得到熔渣表面溫度返回給CFD繼續(xù)求解，CFD計(jì)算得到新的、和，傳遞給熔渣模型求解出新的，依此交互，直至熔渣模型兩次求解得到的壁面溫度相差在5%之內(nèi)。熔渣模型同時(shí)得到氣化爐壁面固、液渣層厚度分布特性。煤灰黏性隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如圖3 所示，計(jì)算中所使用的煤灰渣其他參數(shù)如表4所示。

表4 煤渣物性參數(shù)和計(jì)算參數(shù)

圖2 熔渣熱量傳遞和模型變量傳輸示意圖

圖3 煤灰黏度隨溫度變化特性

由于氣化爐模型對(duì)稱性，采用四分之一模型進(jìn)行數(shù)值模擬，網(wǎng)格和邊界設(shè)置如圖4所示，網(wǎng)格均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為66 萬。入口邊界條件如表5 所示；表6 和表7 為基礎(chǔ)工況計(jì)算所用煤粉入爐基工業(yè)分析、元素分析和粒徑分布，其中煤粉顆粒平均粒徑為35μm。使用Simple算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合求解；壓力使用PRESTO 格式；動(dòng)量、、方程、組分輸運(yùn)方程、能量方程均使用二階迎風(fēng)格式；收斂標(biāo)準(zhǔn)除能量和DO方程設(shè)置為10，其余均為10。

表5 入口邊界條件

表6 煤工業(yè)分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖4 網(wǎng)格及邊界示意圖

一般情況下氣化爐中煤粉顆粒粒徑分布不是均勻分布的，但為了更加清楚地理解氣化過程中煤粉粒徑變化對(duì)氣化爐中碳轉(zhuǎn)化率和壁面渣層沉積特性的影響，模擬中保持其他邊界條件不變，將入口煤粉粒徑設(shè)置為統(tǒng)一直徑，具體設(shè)置工況如表7所示。

表7 基礎(chǔ)工況粒徑分布

2 模擬結(jié)果

2.1 基礎(chǔ)工況

表9為本文所使用數(shù)學(xué)模型預(yù)測的氣化爐出口主要?dú)怏w組分摩爾分?jǐn)?shù)和碳轉(zhuǎn)化率與工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)和樊強(qiáng)等模擬結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯霰疚乃褂脭?shù)學(xué)模型對(duì)氣化爐出口主要?dú)怏w組分摩爾分?jǐn)?shù)和碳轉(zhuǎn)化率的預(yù)測結(jié)果與工業(yè)運(yùn)行值一致，微量氣體甲烷的預(yù)測值與工業(yè)運(yùn)行值存在一定偏差。樊強(qiáng)等使用簡化的概率密度（PDF）模型考慮湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用，模擬結(jié)果代表了平衡狀態(tài)下氣化爐出口各個(gè)組分的含量，可以看出氣化爐出口組分濃度基本達(dá)到平衡狀態(tài)。相比樊強(qiáng)等使用的Wen等提出的焦炭反應(yīng)模型，本文所使用的考慮氣體在焦炭顆粒表面擴(kuò)散的隨機(jī)孔模型計(jì)算焦炭氣化速率，并結(jié)合Seggiani提出的灰渣模型預(yù)測氣化爐壁面熱損失，更準(zhǔn)確地預(yù)測出了氣化爐一段和二段的碳轉(zhuǎn)化率。圖5(a)顯示了基礎(chǔ)工況對(duì)應(yīng)的氣化爐中心截面溫度場，可以看出氣化爐一段溫度很高，射流區(qū)和上下流股區(qū)溫度在1900K之上，這可以保證煤粉顆粒在較短停留時(shí)間內(nèi)達(dá)到高碳轉(zhuǎn)化率，二段燒嘴噴入水蒸氣和煤粉對(duì)合成氣進(jìn)行化學(xué)降溫導(dǎo)致二段合成氣溫度持續(xù)下降。從圖5(b)和(c)可以看出氣化爐一段四股高速氧氣射流撞擊后形成兩個(gè)大的上下循環(huán)區(qū)，這可以增加顆粒的停留時(shí)間，氣化爐二段氣體流動(dòng)主要以平推流為主。

圖5 基礎(chǔ)工況溫度和速度矢量分布

表8 工況設(shè)置

表9 氣化爐出口組分模擬值與工業(yè)值對(duì)比

圖6為氣化爐一段壁面氣體溫度、渣層表面溫度和顆粒在壁面沉積率分布。從圖6(a)可以看出，氣化爐上縮口處壁面氣體溫度約為1800K。隨著與縮口距離增大，壁面氣體溫度逐漸降低，至燒嘴平面上部最低，約為1750K，隨后迅速升高，至下端出口處又迅速降低。這是因?yàn)闊炱矫嫔喜可涎h(huán)區(qū)的存在，導(dǎo)致上流股區(qū)的高溫氣體沿著壁面回流被壁面逐漸冷卻，而在燒嘴平面以下也存在類似的下循環(huán)區(qū)，且燒嘴平面以下區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)高溫?zé)煔庋h(huán)的死區(qū)，因此溫度較燒嘴上部高。壁面渣層表面溫度分布趨勢和氣體溫度分布趨勢相同，但溫度值約低100K，這與Seggni對(duì)Shell 氣化爐壁面液渣表面溫度模擬結(jié)果相似。圖6(b)為灰顆粒在壁面沉積率沿著壁面分布，顆粒沉積率在氣化爐底部縮口斜面最大，這是因?yàn)榇罅款w粒向下運(yùn)動(dòng)因慣性撞擊到底部斜面導(dǎo)致。顆粒沉積率在燒嘴平面附近最小，燒嘴平面以上區(qū)域分布比較均勻，不同于Shell氣化爐壁面顆粒沉積率的雙峰分布。

圖6 壁面氣體溫度、熱流度和顆粒沉積率分布

圖7為基礎(chǔ)工況壁面液固渣層厚度和壁面熱流密度分布，可以看出液態(tài)渣層厚度沿著氣化爐壁面從1.5mm 逐漸增加到5mm，但在燒嘴平面下部略有減小，之后在底部斜面迅速增加。不同于四燒嘴切圓布置的Shell 氣化爐和單噴嘴旋流的西門子（GSP）氣化爐壁面液態(tài)渣層厚度分布，其特征均是沿著氣化爐壁面從上至下持續(xù)增加，但三種粉煤氣流床氣化爐液渣厚度分布均在1～5mm 之間。造成兩段干粉加壓氣化爐燒嘴平面下部液渣厚度減小的原因在于此區(qū)域壁面附近氣體溫度急劇升高，導(dǎo)致液態(tài)渣層黏度減小，流動(dòng)速度增大，同時(shí)顆粒沉積量在此區(qū)域較小。而在氣化爐底部因?yàn)樾泵娴拇嬖趯?dǎo)致渣層流速減小，同時(shí)顆粒沉積量在此區(qū)域最大，兩者共同導(dǎo)致液渣厚度在氣化爐底部急劇增大。從圖7(b)可以看出，氣化爐壁面固態(tài)渣層厚度在縮口處約為12mm，沿著壁面逐漸增加，同樣是到燒嘴平面上部達(dá)到最大值30mm，之后急劇減小，到底部斜面又急劇增加。這種分布規(guī)律與壁面氣體溫度和顆粒沉積率分布息息相關(guān)。GSP氣化爐壁面固態(tài)渣層厚度分布是先減小后增加，厚度在5～40mm 之間。三種氣流床氣化爐壁面液態(tài)渣層分布規(guī)律的不同，反映了三種氣流床氣化爐內(nèi)部氣流組織方式和煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在根本差異。

圖7(c)顯示了從穩(wěn)態(tài)能量守恒方程中計(jì)算得到的兩段干粉加壓氣化爐一段熱流密度分布?？梢钥闯鰺崃髅芏仍跉饣癄t縮口處為152kW/m，沿著壁面向下逐漸減小，至燒嘴平面上部最小，這是因?yàn)楸诿鏆怏w溫度沿著此方向逐漸降低[圖6(a)]，導(dǎo)致溫差降低，同時(shí)液態(tài)渣層和固態(tài)渣層厚度逐漸增大[圖7(a)、(b)]，導(dǎo)致熱阻升高。而在燒嘴平面下部直段熱流密度逐漸增加，至底部斜面熱流密度再次降低。可以看出氣化爐壁面熱流密度分布與爐膛溫度和壁面渣層厚度分布息息相關(guān)。實(shí)際工業(yè)氣化爐運(yùn)行過程中一段產(chǎn)生5MPa高壓蒸汽量為14～17t/h，計(jì)算得到所需熱量為9～10.3MW，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，氣化爐一段總散熱量9.28MW左右，說明本文所使用的的模型可以較好的預(yù)測氣化爐一段壁面散熱。

圖7 基礎(chǔ)工況壁面液固渣層厚度和壁面熱流密度分布

2.2 粒徑對(duì)氣化爐壁面渣層的影響

圖8為煤粉粒徑對(duì)氣化爐壁面沉積率和液態(tài)渣層表面溫度分布的影響，從圖8(a)可以看，出煤粉粒徑主要影響氣化爐底部斜坡附近壁面顆粒沉積率分布，而對(duì)氣化爐一段縮口和直段顆粒沉積量影響較小，表現(xiàn)為隨著煤粉粒徑從20μm 增加到200μm，底部斜面顆粒沉積率最大值從0.12kg/m增大到0.39kg/m。這主要是因?yàn)榇箢w粒質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)化速率較慢，在氣流撞擊后受重力影響易向氣化爐下部運(yùn)動(dòng)，而向下運(yùn)動(dòng)過程中由于慣性較大更易沉積在下端斜坡壁面。從圖8(b)可以看出，隨著煤粉粒徑增大液態(tài)渣層表面溫度呈上升趨勢，其中粒徑小于100μm 時(shí)，渣層表面溫度從上至下分布趨勢與基礎(chǔ)工況一致。當(dāng)粒徑增大到200μm 時(shí)，渣層表面溫度比其他粒徑下高出很多，且從氣化爐縮口至底部斜面一直增大。這是因?yàn)槊悍哿皆龃?，一段碳轉(zhuǎn)化率降低，而氣化爐內(nèi)焦炭的轉(zhuǎn)化主要通過吸熱氣化反應(yīng)完成，導(dǎo)致了氣化爐總體爐溫升高。

圖8 煤粉粒徑對(duì)顆粒沉積率和液態(tài)渣層表面溫度影響

圖9顯示了煤粉粒徑對(duì)氣化爐液、固渣層厚度的影響。從圖9(a)可以看出，煤粉粒徑的改變對(duì)氣化爐液態(tài)渣層沿壁面分布規(guī)律基本沒有影響，但隨著煤粉粒徑增大，液態(tài)渣層厚度在氣化爐上縮口和直段減小，變化量均很小。這主要是因?yàn)殡S著煤粉粒徑增大液渣表面溫度升高，導(dǎo)致渣層黏度降低，流速增大。而在底部斜坡和下渣口附近液渣厚度隨著粒徑增大而增加，這是因?yàn)榇藚^(qū)域粒徑增大灰渣沉積率增加所致。分析圖9(b)可知，煤粉粒徑增大，氣化爐上縮口和直段壁面固態(tài)渣層厚度降低，而在底部斜坡壁面固態(tài)渣層厚度基本相同，這主要與液態(tài)渣層表面溫度和熱流密度有關(guān)。

圖9 粒徑對(duì)壁面固液渣層影響

2.3 粒徑對(duì)氣化爐氣化性能的影響

溫度是影響焦炭氣化反應(yīng)速率的重要因素，而氣化爐中溫度分布范圍較廣。本文定義氣化爐中某空間位置單位體積內(nèi)焦炭反應(yīng)到原來濃度1/所需要時(shí)間為焦炭氣化反應(yīng)的特征時(shí)間，大小為氣化爐空間某位置單位體積網(wǎng)格內(nèi)焦炭濃度的1/除以當(dāng)?shù)氐臍饣磻?yīng)速率。氣化爐中氣固混合也是影響焦炭氣化速率的重要因素，氣化爐中宏觀混合主要由氣相湍流脈動(dòng)控制，根據(jù)湍流能譜理論，積分尺度渦團(tuán)表征了流場中完成大部分能量和動(dòng)量輸運(yùn)渦團(tuán)的特性，同湍流混合密切相關(guān)，定義積分尺度渦團(tuán)時(shí)間尺度τ=k/ε。HNCERI 氣化爐一段射流區(qū)高溫區(qū)可達(dá)2300K以上，而二段合成氣經(jīng)過化學(xué)降溫后溫度只有不到1400K。為了清晰地認(rèn)知兩段干粉加壓氣化爐內(nèi)焦炭轉(zhuǎn)化的控制機(jī)理，圖10 顯示了基礎(chǔ)工況下氣化爐一段和二段積分渦時(shí)間尺度和氣化反應(yīng)R15特征時(shí)間尺度分布。因?yàn)榉磻?yīng)R16特征時(shí)間分布和R15 類似因此不再列出。從圖10(a)和(b)可以看出，一段射流區(qū)積分渦時(shí)間尺度數(shù)量級(jí)為10，撞擊區(qū)和靠近燒嘴平面的上下流股區(qū)積分時(shí)間尺度數(shù)量級(jí)為10，這與此區(qū)域R15特征時(shí)間尺度在同一數(shù)量級(jí)，說明此區(qū)域內(nèi)宏觀尺度的湍流脈動(dòng)對(duì)焦炭顆粒異相氣化反應(yīng)有強(qiáng)烈的影響。而氣化爐一段燃燒室內(nèi)其他區(qū)域R15特征時(shí)間尺度在10～10。說明氣化爐一段焦炭氣化區(qū)主要為射流區(qū)和靠近燒嘴平面上下流股區(qū)。R15特征時(shí)間尺度分布也說明氣化爐一段碳轉(zhuǎn)化率主要受到固有氣化速率的影響，因此可以通過提升顆粒固有氣化反應(yīng)速率來提升一段碳轉(zhuǎn)化率。圖10(c)和(d)可以看出氣化爐二段射流區(qū)積分時(shí)間尺度數(shù)量級(jí)為10～10，而焦炭氣化反應(yīng)R15的特征時(shí)間尺度數(shù)量級(jí)為10，說明二段宏觀尺度的湍流脈動(dòng)對(duì)焦炭異相反應(yīng)影響很小，此時(shí)可以依靠提升顆粒停留時(shí)間來提高二段碳轉(zhuǎn)化率。

圖10 氣化爐一段和二段氣相積分渦時(shí)間尺度和氣化反應(yīng)R15特征時(shí)間分布

從圖11(a)可以看出當(dāng)煤粉粒徑為20μm 和40μm時(shí)，氣化爐一段碳轉(zhuǎn)化率分別可達(dá)99.68%和99.64%，說明煤粉粒徑達(dá)到超細(xì)粉有利于氣化爐一段焦炭顆粒轉(zhuǎn)化；當(dāng)煤粉粒徑增加到70μm 時(shí)，一段碳轉(zhuǎn)化率降低至99.26%；繼續(xù)增大顆粒粒徑，一段碳轉(zhuǎn)化率明顯降低，至粒徑為200μm 時(shí)，一段碳轉(zhuǎn)化率僅有95.06%。這是因?yàn)闅饣癄t內(nèi)焦炭主要通過反應(yīng)R15和R16消耗，氣化爐一段溫度很高，其中絕大部分區(qū)域溫度大于1900K。此時(shí)孔耗散對(duì)于焦炭氣化反應(yīng)速率的影響變得比化學(xué)反應(yīng)速率重要。而焦炭氣化反應(yīng)模型中有效因子η與顆粒粒徑成反比，因此隨著粒徑增大氣化反應(yīng)速率減小。此外隨著顆粒粒徑增大，顆?？偙砻娣e也減小，同時(shí)從氣相到顆粒相的輻射傳熱也會(huì)減小，這都會(huì)降低氣化反應(yīng)的速率。再者，從圖11(b)可以看出，隨著顆粒粒徑從20μm增大到200μm，一段顆粒平均停留時(shí)間從2.5s降低到了1.5s，說明一段煤顆粒停留時(shí)間也是焦炭轉(zhuǎn)化的影響因素。以上原因共同導(dǎo)致了隨著粒徑增加一段碳轉(zhuǎn)化率降低。

圖11 粒徑碳轉(zhuǎn)化率和停留時(shí)間的影響

從圖11(a)可以看出，氣化爐二段碳轉(zhuǎn)化率在粒徑為20μm時(shí)為69.03%，隨著粒徑增加到70μm，二段碳轉(zhuǎn)化率緩慢增加到了71.56%；當(dāng)顆粒粒徑增大到100μm時(shí)，二段碳轉(zhuǎn)化率提升到了78.75%；當(dāng)顆粒粒徑進(jìn)一步增大到200μm 時(shí)，二段碳轉(zhuǎn)化率增加到了89%。這與隨著粒徑增大，一段碳轉(zhuǎn)化率降低，導(dǎo)致進(jìn)入二段的氣體溫度更高，氣化劑CO和HO 濃度也增加有一定關(guān)系，但根據(jù)上文分析可知，氣化爐二段顆粒轉(zhuǎn)化率主要受到停留時(shí)間的控制，從圖11(b)也可以看出，顆粒在二段的停留時(shí)間和碳轉(zhuǎn)化率分布趨勢非常一致。與此同時(shí)，煤顆粒粒徑增加的同時(shí)會(huì)增加氣固相之間的滑移速度，這有利于增加氣固相之間的傳質(zhì)和傳熱。在氣化爐二段較長停留時(shí)間作用下，其有利于大顆粒氣化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生。對(duì)于新設(shè)計(jì)的兩段氣化爐可以考慮將二段噴嘴布置為切圓形式，這樣可以進(jìn)一步增加煤粉顆粒在氣化爐二段中的停留時(shí)間。

3 結(jié)論

本文采用考慮了焦炭表面氣體組分?jǐn)U散效應(yīng)的隨機(jī)孔模型和Seggiani 提出的熔渣模型分別計(jì)算氣化爐內(nèi)焦炭氣化速率和壁面熔渣分布特性，研究了煤粉顆粒粒徑對(duì)HNCERI氣化爐壁面固、液渣層厚度分布和碳轉(zhuǎn)化率的影響，探討了氣化爐一段和二段煤粉顆粒轉(zhuǎn)化的控制因素。通過預(yù)測顆粒粒徑對(duì)氣化爐液固渣層厚度和碳轉(zhuǎn)化率影響，得到以下結(jié)論。

（1）本文所構(gòu)建的的數(shù)學(xué)模型對(duì)氣化爐出口碳轉(zhuǎn)化率、主要?dú)怏w組分的預(yù)測值與工業(yè)運(yùn)行值一致，同時(shí)也較好地預(yù)測了氣化爐一段水冷壁散熱量。

（2）隨著煤粉粒徑增大，氣化爐底部斜坡顆粒沉積量增加。但液態(tài)渣層厚度分布基本不受粒徑變化的影響，固態(tài)渣層厚度分布受到粒徑變化影響顯著。

（3）氣化爐一段宏觀混合湍流脈動(dòng)對(duì)焦炭氣化速率有很大影響，焦炭固有氣化速率和顆粒停留時(shí)間共同控制一段煤顆粒碳轉(zhuǎn)化率。模擬結(jié)果表明，隨著顆粒粒徑從20μm增加到200μm，一段碳轉(zhuǎn)化率從99.64%降低到了95.06%，即煤粉粒徑減小至超細(xì)粉有利于提高一段碳轉(zhuǎn)化率。

（4）氣化爐二段焦炭氣化速率受宏觀混合湍流脈動(dòng)影響較小，二段焦炭轉(zhuǎn)化率主要受顆粒停留時(shí)間控制。模擬結(jié)果表明，隨著顆粒粒徑從20μm增加到200μm，二段碳轉(zhuǎn)化率69.03%增加到了89%，即煤粒徑適當(dāng)增大有利于提高二段碳轉(zhuǎn)化率。

A—— 壁面面積，m

—— 指數(shù)前因子

c—— 渣層比熱容，J/(kg·K)

—— 有效擴(kuò)散率，m/s

—— Knudsen擴(kuò)散系數(shù)，m/s

—— 分子擴(kuò)散系數(shù)，m/s

—— 焦炭顆粒的直徑，m

—— 活化能，J/kmol

—— 重力加速度，m/s

—— 碳的分子量，kg/kmol

—— CO的分子量，kg/kmol

—— 流出控制單元渣層質(zhì)量流量，kg/s

—— 渣沉積到壁面的質(zhì)量流量，kg/s

—— 焦炭顆粒質(zhì)量，kg

—— 初始狀態(tài)焦炭顆粒質(zhì)量，kg

—— 反應(yīng)級(jí)數(shù)

—— 總壓，Pa

P—— 組分的分壓，Pa

—— 單位時(shí)間流出控制單元的渣帶走的熱量，W

—— 灰渣熔化熱，J/kg

—— 煙氣進(jìn)入渣層表面的熱流密度，W/m

—— 耐火材料與金屬壁面間的熱流密度，W/m

—— 灰渣與耐火材料間的熱流密度，W/m

—— 溫度，K

—— 臨界黏度對(duì)應(yīng)的溫度，K

—— 時(shí)間，s

—— 氣化劑的化學(xué)計(jì)量因子

—— 焦炭顆粒的總碳轉(zhuǎn)化率

Y—— 物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

—— 渣層總厚度，m

—— 液態(tài)渣層厚度，m

—— 固態(tài)渣層厚度，m

—— Thiele模量

—— 渣黏度，Pa·s

η—— 有效因子

—— 炭顆粒的孔隙率

—— 渣密度，kg/m

—— 氣體密度，kg/m

—— 焦炭顆粒的密度，kg/m

—— 孔隙的彎曲度

—— 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)