節(jié)煤煤氣發(fā)生爐

時(shí)間：2012-07-10作者：上海煌熠機(jī)械科技有限公司瀏覽：52

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常壓固定床煤氣化發(fā)生爐內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)過程十分復(fù)雜。就傳質(zhì)來講，不僅有氣相和固相各自的本體運(yùn)動(dòng)，還有氣固相間、固相顆粒內(nèi)部向顆粒外部的傳質(zhì)過程。就傳熱而言，有氣固相間、氣固相與爐壁間、固相不同層面之間的各種傳熱過程。從機(jī)理上講，傳質(zhì)過程有擴(kuò)散傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì)，傳熱過程有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式。傳熱過程包括以下各個(gè)步驟：
（1）顆粒內(nèi)傳導(dǎo)；
（2）相接觸的顆粒間傳導(dǎo)；
（3）顆粒間輻射；
（4）顆粒流體間的對(duì)流；
（5）顆粒向流體的輻射；
（6）流體內(nèi)傳導(dǎo)；
（7）流體內(nèi)輻射；
（8）流體混合；
（9）顆粒爐壁間傳導(dǎo)；
（10）顆粒爐壁間輻射；
（11）流體爐壁間對(duì)流；
（12）流體爐壁間輻射。
相對(duì)來講，傳質(zhì)過程就要簡(jiǎn)單的多，其原因有以下三點(diǎn)：
（1）顆粒內(nèi)擴(kuò)散經(jīng)?？梢院雎?；
（2）沒有向爐壁的傳質(zhì)；
（3）沒有與輻射傳熱相對(duì)應(yīng)的傳質(zhì)方式。
傳熱與傳質(zhì)過程可能伴隨化學(xué)反應(yīng)，也可能不伴隨化學(xué)反應(yīng)。下面對(duì)常壓固定床煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)單歸納。
氣體和固體的許多特性（如熱容、粘度、傳質(zhì)系數(shù)等）都是溫度和壓力的函數(shù)，當(dāng)溫度變化范圍較小時(shí)，可以采用平均值的方式來簡(jiǎn)化傳熱與傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。但在煤氣化反應(yīng)爐中，溫度沿床層高度的變化很大，因而**確定各種性質(zhì)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系。
在簡(jiǎn)單的一維均相模型中，床層向爐壁的傳熱可以用總傳熱系數(shù)來代表。目前文獻(xiàn)中采用的典型數(shù)值一般為15~35W/(m2?K)，即54~126kJ/(m2?h?k)。這樣的數(shù)值屬于強(qiáng)制對(duì)流范圍。也有的模型采用的數(shù)值較高一些，比如后面提到的Biba模型，為217kJ/(m2?h?k)。通過爐壁的熱耗主要來自氣相，也就是說，由于氣相在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速率很高，故其徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)也很高。
床層向爐壁的總傳熱系數(shù)可以有不同的計(jì)算方法，除了選取經(jīng)驗(yàn)值外，還可以由計(jì)算公式得到。比如用Li 和Finlayson給出的公式，或者由Hobbs等人給出的計(jì)算公式。由于煤粒在粒度和形狀上的多變性，再加上床層不同高度空隙率的不同，總傳熱系數(shù)很難**地求得，現(xiàn)有公式計(jì)算的理論值和實(shí)驗(yàn)值之間的偏差達(dá)到20%以內(nèi)時(shí)便可以認(rèn)為足夠**。
除了總傳熱系數(shù)以外，氣相和固相之間的傳熱系數(shù)也是一個(gè)很重要的參數(shù)。這一系數(shù)的計(jì)算要較困難一些，爐內(nèi)氣固相間傳熱的擾動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)的存在、煤粒形狀的不規(guī)則都有可能帶來計(jì)算結(jié)果的偏差，有時(shí)候這種偏差甚至?xí)哌_(dá)幾十倍。1963年，Gupta 和Thodos給出了較好的計(jì)算公式，1986年Bhattacharya等人在建立固定床煤發(fā)生爐的數(shù)學(xué)模型時(shí)就采用了這一公式[16]。1992年Hobbs等人在計(jì)算這一系數(shù)時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，假定沿整個(gè)床層的煤粒都是均一的。
1971年DeWasch 和Froment給出了一套數(shù)學(xué)公式，可以計(jì)算床層向爐壁的有效傳熱系數(shù)以及這一系數(shù)中氣相和固相各自的貢獻(xiàn)，Yagi也進(jìn)行過這方面的研究，另外Hobbs等人也給出了一套復(fù)雜的計(jì)算公式，上面簡(jiǎn)單回顧了傳熱過程的計(jì)算，現(xiàn)在來討論一下煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)的流速、升溫速率及床層空隙率。工業(yè)化Lurgi爐中煤的停留時(shí)間以小時(shí)計(jì)，而氣相的停留時(shí)間僅以秒計(jì)。
對(duì)常壓固定床煤氣化反應(yīng)爐，其氣固相的運(yùn)動(dòng)線速度一般分別**3m/s和0.1m/s，對(duì)高壓常壓固定床煤氣化反應(yīng)爐，其氣固相的運(yùn)動(dòng)速度一般分別**0.3m/s和0.15m/s。顯然，氣相線速度的急劇減小是因?yàn)閴毫Φ拇嬖诖蟠髩嚎s了煤氣化反應(yīng)爐中氣體的體積流速，而固相線速度的增加則是因?yàn)楦邏翰僮鲿r(shí)煤氣化反應(yīng)爐的煤處理能力的增加。上面給出的線速度值僅為估計(jì)的平均線速度，實(shí)際上，氣相和固相在爐內(nèi)的線速度是不斷變化的。影響氣體運(yùn)動(dòng)線速度的因素有：①隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氣體總量總是不斷增加；②壓力沿床層的變化；③溫度沿床層的變化；④床層空隙率的變化。隨著氣體自下而上的運(yùn)動(dòng)，雖然在燃燒區(qū)之后床層溫度是不斷降低的，但氣體總量的增加、壓力的降低以及床層空隙率的減小都會(huì)引起氣體線速度的增加。影響固體線速度的因素有：①隨著固體不斷失重而引起的固體質(zhì)量流速的減??；②床層空隙率的不斷增加。從物料衡算的觀點(diǎn)來分析，由于單位時(shí)間內(nèi)流入氣化反應(yīng)爐和流出氣化反應(yīng)爐的灰分量相等，而入口處的固體物流中灰分含量?jī)H較多占到25%，出口處的固體物流中灰分含量卻要占到95%以上，顯然入口處的固體物流的質(zhì)量流量和體積流量均要大大降低，從而造成灰分區(qū)的運(yùn)動(dòng)線速度較低。
氣固相的升溫速度與反應(yīng)器內(nèi)部的溫度分布及氣固相的停留時(shí)間有關(guān)。一般來講，氣相的升溫速度要比固相高出四個(gè)數(shù)量級(jí)。在燃燒區(qū)，由于多相氧化反應(yīng)的劇烈進(jìn)行，升溫速率較大，而在氣化區(qū)，氣固相的溫度變化要平緩的多。
關(guān)于煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)的壓力降，對(duì)于常壓操作的煤氣化反應(yīng)爐，比如Wellman 和Galusha爐，一般僅為1.1kPa左右（~100mmH2O）；對(duì)于高壓操作的煤氣化反應(yīng)爐，如Lurgi爐，Hobbs等人的模擬計(jì)算結(jié)果也在kPa數(shù)量級(jí)。因此，在模型計(jì)算中，除了進(jìn)行動(dòng)量守恒的計(jì)算外，假定煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)的壓力為恒定常數(shù)也可以得到足夠**的計(jì)算結(jié)果。
床層空隙率是指床層空隙體積與床層總體積之比。一般情況下，床層**部的空隙率為0.3，而底部的空隙率甚至可達(dá)0.7。床層**部的空隙率基本上可以由煤的堆積密度和顆粒密度求得。顯然，空隙率越大，氣體流動(dòng)的阻力就越小，沿床層的壓降就越小。

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