气流床气化炉水冷壁设计方案的水动力分析.pdf

第39卷第4期锅炉技术Vol.39,No.4
2008年7月BOILERTECHNOLOGYJul.,2008

文章编号:CN31-1508(2008)04-0029-04
气流床气化炉水冷壁设计方案的水动力分析

李燕,李文凯,张建胜,岳光溪,吕俊复
(清华大学热能工程系,北京100084)

关键词:气流床气化炉;垂直水冷壁;水动力
摘要:对于日处理煤量700t的非熔渣-熔渣两段式气流床气化炉内采用的垂直管屏水冷壁进行了水动
力稳定性分析,为新型气流床气化炉的设计提供理论依据。计算比较了<51@6mm和<38@6mm两种结构
对水动力的影响,发现采用<51@6mm光管会使水冷壁发生水动力不稳定现象,可以通过采用<38@6mm
光管得到改善。而水冷壁入口参数对流动稳定性没有太大影响。可以采用临界流速作为判断此类气化炉垂
直水冷壁管内流动是否稳定的依据。
中图分类号:TK545文献标识码:A

北京达利科公司提出了非熔渣-熔渣两段煤气
1前言
化工艺[8],在详细系统的研究基础上[9-13],成功
气流床气化炉是大规模煤气化的主要工地进行了日处理煤量500t规模的工业示范。良
艺[1]。气化炉中,粉煤在高温条件下与氧气和水好的运行结果表明了该技术的先进性和可靠性。
蒸气反应,生成高有效组分的合成气。为了保持与其他采用耐火衬里的气化炉一样,其煤种适用
高温条件,降低气化炉体积,多采用纯氧高压气范围比较窄。为了进一步完善该技术,扩展其煤
化。因此可以采用压力罐内衬耐火材料的气化种使用范围,正在进行日处理煤量700t的水冷
炉结构,典型的是Texaco气化炉。耐火衬里的壁结构的工业示范。与耐火衬里结构相比,最大
材料要求严格,一般是价格昂贵的高Cr砖,定期的变化是出现了水冷壁结构。水冷壁的流动的
检修更换,能够在高温还原条件下长期运行[2]。稳定性、安全性对气化炉的安全运行有重要作
但是即使是采用高Cr砖,温度超过一定水平后,用。本文对其水冷壁结构、系统入口参数进行了
仍然烧蚀很快,因此通常限制在1500e以研究分析,以便为工程设计提供基础。
下[3-4]。同时,为了维持稳定的反应和便于排除
2研究对象
煤中的灰分,一般采用液态排渣,因此,对气化煤
的灰熔点要求比较严格,通常要在1300e以日处理煤量700t的气流床气化炉采用垂直
下[1,4]。因此采用耐火衬里的绝热气化炉的煤种管屏水冷壁,强制冷却。气化炉内径2096mm,
适用范围比较小。为了改善煤种适应性,使用高高7075mm,沿炉壁布置膜式水冷壁。安装完成
灰熔点煤,需要将气化炉维持在更高的温度下运后,水冷壁敷设耐火衬里;运行后,耐火衬里逐渐
行,这时,耐火衬里的寿命不足以保证设备的经被熔渣替代。其结构示意简图如图1所示。冷
济性[5],出现了用水冷壁气化炉,典型的是Shell却水系统为直流系统,从下向上一次通过气化
和GSP。采用垂直管屏膜式水冷壁[6]或盘管膜炉,设计流量为60t/h,入口压力3.59MPa,入口
式水冷壁技术[7]时,可以依靠挂在水冷壁上的熔温度104e。
渣层保护水冷壁,使得气化装置可以长周期运此研究对象可以简化为并联垂直管屏的水
转。因此,从这点来看,水冷壁技术优于耐火砖动力问题。由于冷却水出口尚低于对应压力下
技术,是今后气化炉发展的主要方向[1,3,6]。的饱和温度,水冷壁系统内工质为过冷水,为单
总结分析了煤气化的技术进步,清华大学和相流体。

收稿日期:2007-09-20
基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2004CB217705)
作者简介:李燕(1981-),女,陕西西安人,博士研究生,从事洁净煤燃烧技术的研究工作。
30锅炉技术第39卷

入、引出压降。若水冷壁出口水温仍有一定欠
热,则垂直管内工质为过冷水,需要在受热面热
流密度最大处与受热面内水温最高处进行过冷
沸腾的校验,保证这些地方的水速高于不发生过
冷沸腾的安全水速。
计算中,典型的炉内平均壁面热负荷根据液
态排渣炉确定,炉内温度按着1300e考虑。

4计算结果分析与讨论

对于采用<51@6mm的管子结构,计算得到

图1某气流床气化炉垂直管道屏水冷壁示意图了此系统的全压差特性曲线,如图2所示。可以
看到,当工质流量为60t/h时,流速为0.242m/s,
3计算模型其所对应的压力降已位于倒流范围之内,水冷壁
出口温度152.64e,出口压力5.325MPa。当
[14]
水动力计算采用单相流体计算方法。其发生热负荷或其他参数扰动时,系统可能发生倒
流动过程产生的压力降包括重位压降、摩擦压降流,存在水动力不稳定的可能性。在此结构下水
与局部压降。由于系统压力低于临界压力,可以冷壁对应的临界流速为0.272m/s,只有当流速
忽略加速压降;局部压降包括弯头压