第39卷第4期鍋爐技術VoL. 39, No,42008年7月BOILER TECHNOLOGYJul. ,2008文章編號: CN31 - 1508(2008)04 - 0029 - 04氣流床氣化爐水冷壁設計方案的水動力分析燕， 李文凱，張建勝，岳光溪，呂俊復(清華大學熱能工程系，北京100084)關鍵詞:氣流床氣化爐; 垂直水冷壁;水動力摘要:對于日處理煤量700 t的非熔渣-熔渣兩段式氣流床氣化爐內(nèi)采用的垂直管屏水冷壁進行了水動力穩(wěn)定性分析,為新型氣流床氣化爐的設計提供理論依據(jù)。計算比較了$51X6 mm和φ38X6 mm兩種結(jié)構(gòu)對水動力的影響，發(fā)現(xiàn)采用φ51X6 mm光管會使水冷壁發(fā)生水動力不穩(wěn)定現(xiàn)象,可以通過采用φ38X6 mm光管得到改善。而水冷壁人口參數(shù)對流動穩(wěn)定性沒有太大影響?？梢圆捎门R界流速作為判斷此類氣化爐垂直水冷壁管內(nèi)流動是否穩(wěn)定的依據(jù)。中圍分類號: TK545文獻標識碼: A北京達利科公司提出了非熔渣-熔渣兩段煤氣1前言化工藝0,在詳細系統(tǒng)的研究基礎上[0-11,成功氣流床氣化爐是大規(guī)模煤氣化的主要工地進行了日處理煤量500 t規(guī)模的工業(yè)示范。良藝"。氣化爐中,粉煤在高溫條件下與氧氣和水好的運行結(jié)果表明了該技術的先進性和可靠性。蒸氣反應,生成高有效組分的合成氣。為了保持與其他采用耐火襯里的氣化爐一樣,其煤種適用高溫條件,降低氣化爐體積,多采用純氧高壓氣范圍比較窄。為了進一步完善該技術，擴展其煤化。因此可以采用壓力罐內(nèi)村耐火材料的氣化種使用范圍,正在進行日處理煤量700 t的水冷爐結(jié)構(gòu),典型的是Texaco氣化爐。耐火襯里的壁結(jié)構(gòu)的工業(yè)示范。與耐火襯里結(jié)構(gòu)相比,最大.材料要求嚴格,一般是價格昂貴的高Cr磚,定期的變化是出現(xiàn)了水冷壁結(jié)構(gòu)。水冷壁的流動的檢修更換，能夠在高溫還原條件下長期運行[2。穩(wěn)定性、安全性對氣化爐的安全運行有重要作但是即使是采用高Cr磚,溫度超過- -定水平后，用。本文對其水冷壁結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)入口參數(shù)進行了仍然燒蝕很快，因此通常限制在1500C以研究分析,以便為工程設計提供基礎。下(3-1。同時,為了維持穩(wěn)定的反應和便于排除2研究對象煤中的灰分,一般采用液態(tài)排渣,因此,對氣化煤的灰熔點要求比較嚴格，通常要在1 300C以日處理煤量700t的氣流床氣化爐采用垂直下4。因此采用耐火襯里的絕熱氣化爐的煤種管屏水冷壁,強制冷卻。氣化爐內(nèi)徑2 096 mm,適用范圍比較小。為了改善煤種適應性,使用高高7 075 mm,沿爐壁布置膜式水冷壁。安裝完成灰熔點煤,需要將氣化爐維持在更高的溫度下運.后,水冷壁敷設耐火襯里;運行后,耐火襯里逐漸行,這時,耐火襯里的壽命不足以保證設備的經(jīng)被熔渣替代。其結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖1所示。冷濟性[5,出現(xiàn)了用水冷壁氣化爐,典型的是Shell卻水系統(tǒng)為直流系統(tǒng),從下向上一次通過氣化和GSP。采用垂直管屏膜式水冷壁間]或盤管膜爐,設計流量為60 t/h,人口壓力3. 59 MPa,人口式水冷壁技術[”時,可以依靠掛在水冷壁上的熔溫度104 C.渣層保護水冷壁,使得氣化裝置可以長周期運此研究對象可以簡化為并聯(lián)垂直管屏的水轉(zhuǎn)。因此,從這點來看,水冷壁技術優(yōu)于耐火磚動力問題由干冷卻水 出口尚低于對應壓力下技術,是今后氣化爐發(fā)展的主要方向1.3.6]。的飽中國煤化工過冷水,為單總結(jié)分析了煤氣化的技術進步,清華大學和相流體;MYHCNMHG收稿日期:2007-09 -20基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2004CB217705)作者簡介:李燕(1981小,女.陜西西安人，博士研究生,從事潔凈煤燃燒技術的研究工作.30鍋爐技術第39卷人引出壓降。若水冷壁出口水溫仍有一定欠.熱,則垂直管內(nèi)工質(zhì)為過冷水,需要在受熱面熱流密度最大處與受熱面內(nèi)水溫最高處進行過冷沸騰的校驗,保證這些地方的水速高于不發(fā)生過冷沸騰的安全水速。二次氧加入下冷卻本區(qū)卻翻計算中,典型的爐內(nèi)平均壁面熱負荷根據(jù)液|十個態(tài)排渣爐確定,爐內(nèi)溫度按著1 300 C考慮。給水泵.4計算結(jié)果分 析與討論1↓對于采用φ51X6 mm的管子結(jié)構(gòu),計算得到.圖1某氣流床氣化爐垂直管道屏水冷壁示意圖了此系統(tǒng)的全壓差特性曲線，如圖2所示?？梢钥吹?當工質(zhì)流量為60 t/h時,流速為0. 242 m/s,其所對應的壓力降已位于倒流范圍之內(nèi),水冷壁.3計算模型出口溫度152.64 C,出口壓力5. 325 MPa。當水動力計算采用單相流體計算方法[10。其發(fā)生熱負荷或其他參數(shù)擾動時,系統(tǒng)可能發(fā)生倒流動過程產(chǎn)生的壓力降包括重位壓降、摩擦壓降流,存在水動力不穩(wěn)定的可能性。在此結(jié)構(gòu)下水與局部壓降。由于系統(tǒng)壓力低于臨界壓力,可以冷壁對應的臨界流速為0. 272 m/s,只有當流速忽略加速壓降;局部壓降包括彎頭壓降與集箱引.高于此臨界流速時才能保證其水動力穩(wěn)定性。0.069中S1x6 mmE 0.068 t0.0680.0670.060.066(242.0.060--60.0.00o.do4t.040.03 t0.062-300 -200-100 0100 200 300 .-i5-1.0 0流量4h-1流速/m.-1(@)流最-壓降曲線(b)流速-壓降曲線圖2φ51X6mm水冷壁系統(tǒng)全壓差特性曲線對于φ51X6 mm的管子結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)人口低,但是對系統(tǒng)水動力穩(wěn)定性影響并不明顯。壓力至7.5 MPa時的系統(tǒng)壓差特性曲線與原系對于φ51X6 mm的管子結(jié)構(gòu),若降低系統(tǒng)人統(tǒng)曲線比較如圖3所示,這里采用流速一壓降曲口溫度至80 C ,即提高系統(tǒng)過冷度,其系統(tǒng)壓差特線。工質(zhì)流量為60t/h下,流速為0.241 m/s,水性曲線與原系統(tǒng)比較如圖3所示。工質(zhì)流量為60冷壁出口溫度152. 85 C,出口壓力7. 434 6t/h下,流速為0.237 m/s,水冷壁出口溫度130.1 .MPa。其臨界流量高于60 t/h,臨界流速約為C ,出口壓力5.323 9 MPa。其臨界流量高于60 t/h,0.2715 m/s,與原系統(tǒng)臨界流速非常接近。因此臨界流速約為0. 261 m/s.因此系統(tǒng)仍然處于水在60t/h的流量下,系統(tǒng)仍然處于水動力不穩(wěn)定動力不穩(wěn)定范圍。通過計算得到,其他條件不變范圍。計算得知,當人口壓力提高至22.0MPa的情I中國煤化工到21 C時才時,臨界流量為67.4t/h,對應的臨界流速為能高=流速高于臨界0.268 m/s,系統(tǒng)仍然處于倒流范圍。因此,雖然0HCNMHG流速，還前安繼實陣低入山面設。可以看到,人.提高人口壓力可以使得過冷沸騰的安全流速降口參數(shù)對水動力穩(wěn)定性效果并不十分明顯。第4期李燕,等:氣流床氣化爐水冷壁設計方案的水動力分析31品0.070-; 0.0680.0690.0670.068 l06660.237.0.663.4)70.242.0.065 08)D064一-75 MPa0.040.06--... MPa0.035三的0.0620.062[-15 -1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 is-15-10-05 0.0 05 1.O 73流速/m-1圖3提高人口壓力時水冷壁系統(tǒng)流速-壓降特性曲線圖4降低人口溫 度時水冷壁系統(tǒng)流速一壓降特性 曲線因此將水冷壁結(jié)構(gòu)改為采用φ38X6 mm管,降已高于倒流范圍,水冷壁出口溫度157. 48 C,相應調(diào)整管節(jié)距。在熱負荷、人口參數(shù)等條件與出口 壓力5. 325 MPa.其臨界流速為0. 28 m/s.原系統(tǒng)一致的情況下，全壓差特性曲線如圖4所在此結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)水動力是穩(wěn)定的。示。此時工質(zhì)流速為0. 35 m/s,其所對應的壓力; 0.070tE中38x6m， 0.070E -φ38x6 mm世0.068066. 160.0.0652)0.066(030.0------.--------D:0640640.00620.000.060-，0058-200 -150 -100 -50 0 s0 100 150 200-15 -1.0 -0.5 0.0 0.5 10 1流量/th-1流速/0m-1(@)流量-壓降曲線(b)流速-壓降曲線圖5φ38X6mm水冷壁系統(tǒng)全壓差特性曲線將上述計算結(jié)果進行對比,見表1。可以看表1計算參數(shù)與結(jié)果對比到,氣化爐內(nèi)水冷壁人口參數(shù)對水冷壁系統(tǒng)穩(wěn)定.計算參數(shù)ABD性的影響并不明顯,因此,在保證水冷壁出口不結(jié)構(gòu)尺寸/mmφ51X6 $51X6 φ51X6 φ$38X6發(fā)生過冷沸騰的情況下,可以盡可能降低系統(tǒng)壓入口溫度/C104力以減小水泵電耗，節(jié)約運行費用。然而通過修入口壓力/MPa5. 397. 505.39 5.39改其水冷壁結(jié)構(gòu)可以改善水動力特性來保證其出口溫度/C152.64 152. 85130.1 157. 48穩(wěn)定。這主要是由于通過改變水冷壁結(jié)構(gòu)提高出口壓力/MPa 5. 32497.4346 5. 32395. 3248了工質(zhì)質(zhì)量流率及工質(zhì)流速。然而其臨界流速壓力降/kPa65.165.145.3465.26606C卻僅從0.272 m/s變化到了0.28 m/s。臨界質(zhì)質(zhì)量流率/kg'm-*s 226. 2226. 2226.2 327.2量流率也改變很小。因此對于此種類型的氣化爐內(nèi)水冷壁,工質(zhì)為過冷水,可以認為是不可壓流速/m*s~'0.2420.2410.2370.35過冷佛騰安全流縮流體,因此可以采用臨界流速作為判別標準。速/m中國煤化工0.079 0.1其設計尺寸必須使系統(tǒng)流量(或流速)大于臨界臨界流:CYH.CNMH Go.261C66.29 47.66流量(或臨界流速)以保證其水動力的穩(wěn)定性。臨界流0. 28為獲得一定的安全裕度,可以對臨界流量乘以某臨界質(zhì)量流率/kg*(m2 s)-1255. 543 255. 864 249. 823 259. 747系數(shù)來進一步保證其水動力的穩(wěn)定性。32鍋爐技術第39卷對采用φ38X6 mm的水冷壁系統(tǒng)進行變負(2)臨界流速可以作為檢驗氣化爐內(nèi)垂直水荷時水動力穩(wěn)定性校驗。其變負荷時水冷壁系冷壁系統(tǒng)是否發(fā)生倒流的依據(jù)。對于本研究對象，統(tǒng)的全壓差特性曲線如圖6所示?？梢钥吹剑瑧」べ|(zhì)流速大于0.28m/s以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。100 %負荷下臨界流速為0.29 m/s,負荷降低至(3)熱負荷是影響水冷壁系統(tǒng)臨界流速的重50%時對應的臨界流速為0.223m/s,增加至要因素。需要對氣化爐最大負荷工況以及熱負荷.120 %時其臨界流速為0. 324 m/s。 計算表明，分布不均時受熱最強管校核其水動力穩(wěn)定性。在50 %~120 %負荷的變化幅度下,系統(tǒng)水冷壁流速均大于相應負荷下的臨界流速,水冷壁系統(tǒng)參考文獻:水動力穩(wěn)定。從圖6中可以看到,負荷增加,熱[1]陳家仁.加壓氣流床煤氣化工藝的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題[J].負荷相應增大,臨界流速也增大,系統(tǒng)壓降減小。煤化工，2006,(6);1-7.負荷減小時變化趨勢相反。熱負荷對水冷壁臨[2]國葬，程光旭，鄭寶祥，等.德士古煤氣化工藝及裝置的長周期安全運行分析[J].西安交通大學學報，2005, 39(9):界流速的影響比較明顯,是影響臨界流速的重要994- 997.因素,對水冷壁的水動力穩(wěn)定性影響很大。若[3]鄭振安. Shell 煤氣化技術(SCGP)的特點[J]. 煤化工，100 %負荷時水冷壁流速的裕度不夠，則在更高2003,(2): 7-11.負荷時可能發(fā)生水動力不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此需要[4]鄭振安.煤種特性對殼脾堞氣化裝置設計和操作的影響[].化肥設計.2003, 4(6); 15-19.對氣化爐最大負荷工況進行水動力穩(wěn)定性校驗。[5]彭愛華. Shell 煤氣化技術在合成氨生產(chǎn)中的應用[J].化肥并且,若受熱面熱負荷分布不均勻，則對受熱最工業(yè)，2004. 31(4): 45- 48. .強管校核其水動力穩(wěn)定性也是非常必要的。[6]陳廣智. Shell煤氣化技術在我國應用的思考[J].煤炭加工與綜合利用，199.(6): 42-43.0.072[7]唐宏青. GSP T藝技術概述[].中氮肥， 2005,(2); 14-18.120%負荷合[8]顧大地，岳光溪.非熔碴-熔碴氣化爐[P].中國:02121086.i 0.070」，2003..068[9]張建勝，胡文斌，劉艷霞，等.高溫下煤氣化本征反應動力.066學研究方案設計[J].煤炭轉(zhuǎn)化, 2004, 27(增刊); 13-15..6.....[10] Zhang Jiansheng, Hu Wenbin, 1iu Yanxia, et al. Experi-0.062mental Measurement on the Spray Particles of Triple Chan-0.060nel Nozle. Zhang H, Zhou z, Huang2, etal. eds. Pro--0058ceedings of the 4th International Symposium on Measure--15 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5ment Techniques for Multiphase Flows[C]. 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Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)Key words: circulating fluidized bed boiler;furnace; horizontal tubes; abrasionAbstract: Based on the quick development of the capacity of the circulating fluidized bedboilers in the recent years, and the horizontal heat exchangers are in the exit part of thefurnace in some types of big capacity circulating fluidized boilers, the experimental researchon the abrasion of horizontal tube by the ash particles of petroleum tar was done in the bigcold circulating fluidized bed facility. The experimental results show: The abrasion ofhorizontal tube by petroleum tar ash particles in circulating fluidized bed was the result ofdual function of impacting abrasion and cutting abrasion. The abrasion of horizontal tube bypetroleum tar ash particles increased as the flow velocity increased. It is not uniform of theabrasion of horizontal tube with the same cross section, the most heavy abrasion positionsare the middle positions of the cross section and the position far from the middle positionwith the distance ratio of 2/3.(上接第32頁)Key words: entrained-flow coal gasifier; vertical water wall; hydrodynamicAbstract; The hydrodynamic of vertical water wall in an entrained-flow coal gasifier with700 ton coal per day was predicted in this paper in order to supply reasonable understandingfor the design. The effect of the tube size on the hydrodynamic was investigated by compa-ring the tube size with 51 mm in diameter, 6 mm in thickness and 38mm in diameter, 6 mmin thickness. The results show that the water flow is unstable if the tube is 51 mm in diame-ter, while it becomes stable in case of the tube is 38 mm in diameter. However, it could notbe improved by decreasing the water temperature at中國煤化工easing thewater pressure. The authors suggested that the hydrcMYHCNMHGentrained-flow coal gasifier could be judged by the critical velorty.