单喷嘴顶置粉煤气化炉热态数值模拟及烧嘴头部受热分析

郭 伟，匡建平



单喷嘴顶置粉煤气化炉热态数值模拟及烧嘴头部受热分析

郭 伟1，匡建平2

（1. 神华宁夏煤业集团 煤炭化学工业分公司， 宁夏 灵武 750411； 2. 中国船舶重工集团公司 第七一一研究所， 上海 201108）

气化炉和烧嘴的匹配性是气化效率高效与否的关键。针对粉煤气化炉流场特性进行模拟研究，对单喷嘴顶置粉煤气化炉进行不同工况条件下的热态数值模拟及嘴头部受热状况进分析，结果证明烧嘴头部和气化炉燃烧室温度分布能够满足长周期运行的要求，为装置的实际运行提供理论研究依据。

粉煤气化；烧嘴；数值模拟；受热分析

煤气化是煤化工的先导技术，粉煤气化以其高碳转化率和高冷煤气效率日益得到重视，其中单喷嘴顶置的干煤粉气化技术主要有航天粉煤加压气化技术和GSP干煤粉加压气化技术。近年来中国在研究、开发、消化引进煤气化技术方面进行了大量工作，随着上述两种技术在气化炉水冷壁易超温烧损、烧嘴运行时间短燃烧效果不佳、气化炉连续运行时间不长等问题上取得突破，及在国内大规模工业装置的成功运行，也正在得到市场越来越广泛的认可和肯定。

单喷嘴顶置粉煤气化技术的关键是煤粉烧嘴必须满足气化炉长周期、高效、稳定运行的要求。由于气化炉热态运行时烧嘴头部区域所处的环境较为恶劣，既要受到炉内高温烟气的辐射换热和对流换热，又要受到高温融渣的冲刷。如果不能合理设计烧嘴的冷却水结构，合理组织烧嘴前流场的流动形式，将直接影响到烧嘴的使用寿命，影响到气化炉的正常运行[1-5]。

1 气化炉模型及初始参数设置

1.1 气化炉物理模型

模拟计算选用2 000 t/d粉煤气化炉，操作压力为4.5 MPa。煤气化合成气有效气流量（CO+H2）要达到130 000 Nm3/h以上，操作负荷77％～108％。气化炉直径为ø2 800 mm，排渣口直径为ø596 mm，组合式烧嘴接口直径为ø524 mm，气化炉直段高度为4 390 mm。建模区域为气化炉燃烧室至激冷缩口（图1）。

1.2 气化反应的初始参数设置

煤样元素、工业分析和其它参数设定见表1-2。

图1 气化炉建模Fig. 1 Modeling of gasifier

表1 煤样元素、工业分析

表2 其它参数设定

2 数值模拟计算结果分析

2.1 正常工况条件下气化炉热态数值模拟结果

图2显示了不同负荷条件下气化炉炉内温度场的分布特性。100％负荷条件下合成气出口温度分别为1 752 K（1 479 ℃）。

图2 炉膛温度分布（100% 负荷） Fig. 2 Furnace temperature distribution (100% load)

单喷嘴顶置烧嘴煤粉进入气化炉后，在高速旋转的氧气射流的带动下发生弥散，获得动量后向气化炉燃烧室中下部运行，发生燃烧反应；一般燃烧分为以下几个阶段：吸热、挥发份脱除、焦炭吸热、燃烧，时间为毫秒级别，同时需要吸收大量的热量。由图可见，气化炉燃烧室内200～2 000 mm处为高温区，温度约为2 600 K；炉膛3 m以下的区域，温度1 750 K较为均匀。拱顶位置温度1 500 K左右相对。气化炉燃烧室拱顶位置温度相对较低。

2.2 正常工况条件下烧嘴头部换热计算结果

气化烧嘴安装在气化炉燃烧室顶部中心位置，连接方式如图3所示。烧嘴头部端面处于气化炉燃烧室高温区域，端面受热依靠烧嘴外层的冷却水夹套进行换热将大部分热量带走。

图3 烧嘴头部与炉体连接结构 Fig.3 Connecting structure of burner head and furnace

2.2.1 烧嘴头部建模及初始参数设置

烧嘴头部网格的划分如图4所示。

图4 烧嘴头部结构及网格划分

表3 烧嘴给粉量和氧化剂量参数

2.2.2 烧嘴头部受热计算

额定工况时，烧嘴头部在冷却水流量20.1 Nm3/h、烟气温度为2 00 K、冷却水管内壁光滑，烧嘴头部温度场分布如图5至图7所示，烧嘴端面和圆角处温度最高值为分别405和470 K左右。

图 5 主烧嘴冷却水端面温度场分布（3D）

图 6 烧嘴头部向火面温度场分布Fig. 6 Burner head fireside surface temperature distribution

图 7 烧嘴中轴面温度场分布Fig.7 Burner axis surface temperature distribution

3 工业装置运行情况

图8、9为顶喷烧嘴实炉运行100 d后的情况对比图片。气化炉操作压力4.0 MPa,投煤量2 000 t/d。

图 8 外冷却水端面情况（试烧前） Fig.8 End face of the cooling water situation (before test firing)

图 9 外冷却水端面情况（试烧后） Fig.9 End face of the cooling water situation (after test firing)

从冷却水端面来看，没有烧损，说明冷却水外加套设计合理，烧嘴头部向火端面的材质能够满足高温环境下的热应力和强度要求，采用旋流通道结构能够加强冷却水的旋流流动效果，强化换热效果，可以有效降低烧嘴向火面的温度，端面材料冷却效果优异。

从图10可看出，由于强化了煤粉与氧气的混合效果，有效控制烧嘴头部火焰范围，5台气化炉在投料初期燃烧室热损失均控制在4 MW以下、且波动幅度较小，有效保护气化炉水冷壁在投料初期不被烧损；从图11及表4看出气化炉长周期运行过程中热损失低、且波动平稳，有利于气化炉的长周期高负荷稳定运行。

图10 气化炉投料24 h水冷壁热损对比 Fig. 10 Wall heat loss comparison after 24 h of gasifier feeding

图11 气化炉投料24 h水冷壁热损对比 Fig. 11 Wall heat loss comparison after 24 h of gasifier feeding

表4 水冷壁热损统计表

4 结 论

（1）单喷嘴顶置气化炉高温区域在烧嘴前方200～2 000 mm处，温度约在2 600 K左右；燃烧室3米以下的区域平均温度在1 750 K，温度较为均匀。

（2）烧嘴头部向火端面的材质在满足强度及高温环境热应力要求的前提条件下，尽可能的减少壁厚有利于提高换热效果；此外烧嘴头部采用旋流通道结构能够加强冷却水的旋流流动效果，强化换热效果，可以有效降低烧嘴向火面的温度。

（3）通过对烧嘴头部受热模拟，烧嘴端面在正常工艺条件下，端面温度只有405 K，最高达到510 K，烧嘴是可以保证长周期运行要求的。

［1］ 盛新，韩启元，汪永庆，等. Shell煤气化装置模拟计算和操作优化软件的的开发与应用[J]. 化工进展，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

郭伟（1983-），男，宁夏固原市人，工程师，硕士，2009年毕业于东北电力大学控制理论与控制工程专业，研究方向：粉煤气化技术工作。E-mail：124329005@qq.com。