Shell气流床粉煤气化过程建模与优化分析

发布时间：2020-08-20 07:12

【摘要】：Shell气流床煤气化技术因煤种适应性广、煤炭转化率高等优点在国内广受关注,但其运行中也存在一些问题,如煤线不稳引起煤粉进料量波动、气化炉内局部过热致使喷嘴烧坏、合成气中夹带飞灰造成换热器磨损或输气管路堵塞等,这些因素都可能导致非计划停车等。掌握气化炉内关键变量的分布规律对上述问题的合理解决方案及改善Shell粉煤气化炉的气化性能具有重要意义。为此本文针对气化炉内关键变量分布规律的探索主要开展了以下工作:首先建立了某工业级Shell气流床粉煤气化过程的系统模型,气化核心区域采用三维CFD模型描述、粗合成气后处理工段使用数学模型表达,并将模型求解结果和工业测量值进行对比,比对结果表明所建立的系统模型能很好地描述工业级的Shell气流床粉煤气化过程,且该模型具有较高精度。然后在上述工作的基础上,系统地分析并总结了气化核心区域CFD数值模拟结果,发现经喷嘴射入的物料在气化炉下部中心区域互相碰撞卷吸形成了强烈的旋涡,此旋涡强化了反应器内的气固混合和传热,且旋涡位置对气化炉的持续稳定运行有较大影响。进而探讨进料量波动导致反应器内流场温度场的变化规律,假设进料量波动的极限即气化炉某个喷嘴因故障停止进料的情况,分析了三种非常规操作工况(Case 1:三个喷嘴的煤量不变且总进料量为原来的3/4;Case2:三个喷嘴中的两个对置喷嘴均分故障喷嘴的煤量;Case3:三个喷嘴均分故障喷嘴的煤量)时流场分布规律,得出Case 1相对稳定。为改善流场结构、提升Shell气流床煤气化性能,对喷嘴偏置角和载气及氧气进料量进行了优化,得出5.0°偏置角、氧煤比0.9、载气煤比0.35为最佳选择。最后初步探索了气化炉出口飞灰量的影响因素,对工业级Shell气化炉上端缩口夹角进行调整,得出缩口夹角为115.5°有利于降低合成气夹带飞灰量。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ546
【图文】：

一次能源消费,煤气化技术

天然气消费总量（万吨标准煤）＿水电、核电、风电消费总量（万吨标准煤）逡逑＋能源消费总量（万吨标准煤）逡逑图１－１近１０年我国一次能源消费总量及构成变化趋势逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｔｏｔａｌ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｏｖｅｒ逡逑ｔｈｅ邋ｌａｓｔ邋１０邋ｙｅａｒｓ逡逑煤炭消费占比，逦ｕｉｉｉｉｉ逡逑６２％，：逡逑、ａ邋遵风电~T：占比，．灥＞／ｃ逡逑图１－２邋２０１６年我国一次能源消费结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎ邋２０１６逡逑１．２煤气化技术概述逡逑煤气化是煤化工领域的一个重要分支，为此本节首先简要介绍煤气化技术，逡逑然后概述了典型气流床煤气化技术特点，最后详细描述了邋Ｓｈｅｌｌ粉煤气化技术。逡逑２逡逑

几何结构图,气化炉,几何结构

２．１研究对象几何建模及网格划分逡逑本文以工业级Ｓｈｅｌｌ粉煤气化工艺流程为研宄对象，其核心设备Ｓｈｅｌｌ气化逡逑炉的几何结构如图２－１所示。炉体总高度为８．８０ｍ，直径为２．９６ｍ，气化炉上部逡逑至激冷缩口邋？１．１９ｍ，下部至排渣口邋￥０．９５ｍ，四个阵列分布的喷嘴均匀布置在气逡逑化炉下部的一个平面周围，该平面距离炉渣出口面２．０６ｍ邋（图中未标出）。从气化逡逑炉俯视图中可以看出，喷嘴在平面内的位置并非轴对称关系，而是有一个旋转角逡逑度，称为偏置角，图中喷嘴偏置角为４．５°。气化炉轴向不同位置速度梯度和温度逡逑梯度差别较大，为了真实模拟出炉内流场和温度场，将整个气化炉沿高度方向分逡逑为１０个区域，各区域尺寸如表２－１所示。Ｓｈｅｌｌ气化炉在实际运行过程中，粗合逡逑成气离开炉体上端缩口会进入激冷流程，该部分温度、压力等条件不同于气化炉逡逑内部

网格,信息,六面体网格,气化炉

六面体网格能用更少的节点获得高精度的结果，为了避免四面体网格所造逡逑成的伪扩散，本文对气化炉主体区域采用六面体网格划分。喷嘴附近存在较大的逡逑温度梯度和速度梯度，因此对表２－１中的６、７和８号区域（如图２－１所示）进行逡逑网格加密，以便捕捉气化炉内部更多细节信息。综合考虑网格独立性、数值结果逡逑准确性及计算资源消耗等因素，最终确定网格节点数１３３６３４４、表面四边形网格逡逑数６２９９４、六面体网格数１３０４４３６。气化核心区网格及喷嘴附近网格局部放大如逡逑图２－２所示，从图中可以看出全部网格质量大于０．４，符合复杂系统网格质量不逡逑小于０．３的精度要求［３１］。逡逑１６逡逑

【参考文献】