科腾气化炉内流场及渣层热应力数值模拟

发布时间：2020-05-17 03:50

【摘要】：常压气化技术投资成本小,日常维护费用低,成为广大中小型氮肥化工厂的最佳选择,具有良好的发展前景。科腾气化炉是一种新型高效的强旋转常压煤粉气流床气化技术,其一、二次风布置方式使炉内形成强烈、复杂的旋转流场,也对气化炉内进行的煤气化反应产生强烈影响,解决了气流床气化炉内壁耐火材料以及气化炉烧嘴寿命短、煤粉在炉内停留时间短和碳转化率低下等问题。对科腾气化炉的热态流场和渣层热应力场进行数值模拟,有助于了解其运行工作特性,对工况和气化炉结构进行优化。本文对科腾气化炉流场域建立了几何模型,运用数值模拟方法,使用Fluent软件对现场热态试验工况进行了模拟运算,分析了科腾气化炉热态流场特性,研究了上下二次风配比、给煤量对科腾气化炉热态流场的影响。在热态工况计算的基础上,以热态模拟计算温度为边界条件,基于有限元方法,使用Ansys Mechanical APDL软件对科腾气化炉内渣层热应力场进行了计算并进行分析。对热态流场的数值模拟,合成气出口有效气成分随上下二次风配比先增后减,上下二次风配比2:8为最优工况;合成气出口有效气成分随给煤量增加,在所研究范围中,给煤量4.796kg/s的工况为最优工况。对渣层热应力的数值模拟,炉膛升温时,渣层中靠近向火侧位置等效应力大,靠近渣层—SiC位置等效应力小,应力表现为受压;炉膛降温时,新生固态渣区域和旧有固态渣区域中都表现出靠近渣层—SiC交界面位置等效应力大的特点,但新生固态渣区域等效应力比旧有固态渣区域中大,应力均表现为受拉。炉膛降温时更易发生渣层的破坏。
【图文】：

煤炭气化,反应过程

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文世纪 80 年代以来，国内气化技术迅速发展，一些自主研发的新型煤气化涌现。“九五”期间，华东理工大学[27]开发出了多喷嘴对置式水煤浆气2002 年在山东建立了示范性装置，此后得到了部分应用，该种技术氧耗低；清华大学等研发了清华炉系列技术[28]，在山西投入运行，该种技术快，煤种适应性宽广，安全性高，已经发展了二代；西安热工院开发了煤粉加压气化技术，在内蒙古、山西等地投入运行，具有较好的合成气种适应性强，运行稳定可靠；中国航天科技集团研发出 HT-L 技术，属于气化，已在安徽、河南等地投入运行[29]，该工艺碳转化率高达 99%，冷达到 82%，有效气成分高于 90%。综合来看，我国的煤气化技术向世界平迅速过渡，具有良好的发展前景。气化反应过程[30]化反应的一般过程如图 1-1 所示，气流床气化炉中发生的气化过程本质上炭颗粒在高温环境下与气化剂发生的热反应过程，生成的粗合成气中含2、H2O、CO2、N2以及微量的 CH4、H2S 和 COS 等。

示意图,渣层,水冷壁,温度

CO2+C→2CO 力数值模拟数学模型气化炉运行过程中，炉内的煤粉颗粒燃烧或气化反应后形成高，灰渣处于熔融状态，当其运动至温度较低的耐火砖层时层，如图 2-1，假定最外层的灰渣覆盖温度保持不变，受到内部渣层的温度逐渐降低，体积收缩而表现为拉应力，这种渣层成长热应力[66]。可以看出，，科腾气化炉运行时，渣层象，向火一侧温度高，耐火砖一侧温度低，不同温度处热胀为温度梯度热应力。长热应力与温度梯度热应力一起构成了渣层的总热应力，受约束材料性质，温度环境条件等共同影响。工况波动时，烟层中出现较大的热应力，有可能造成裂缝甚至掉渣，对于普象除渣，但对于科腾气化炉，内壁失去渣层的保护，容易损应力过大。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ545

【参考文献】