新型水煤浆气化喷嘴和气化炉的开发以及气化过程数值模拟
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摘要
水煤浆气化技术在近年来一直受到国际社会和我国的高度重视，我国在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目中一直将水煤浆技术列在其中。水煤浆技术在我国也得到了空前的发展，并取得了可喜的成绩。然而，与国际社会相比，我国的水煤浆气化技术还存在许多问题，在喷嘴的设计与制造、大容量高压煤浆泵的制造、喷嘴与气化炉结构的配置、数值模拟计算软件的开发、高温炉衬耐火砖的制造、PDP软件包的设计等方面还不尽如人意。另外，由于受到Texaco水煤浆气化技术专利的限制，在引进时都要向其支付昂贵的技术专利费，因此开展不同原料(如渣油、油水煤浆、焦水煤浆、黑液水煤浆等)的气化技术从而绕开Texaco技术专利的限制，是解决这个问题的良好途径。
本文即在目前我国水煤浆气化技术存在的上述问题下开展了部分研究工作。利用实验室现有的设备和技术结合其他形式水煤浆喷嘴的优点，开发了三通道多级内混撞击式水煤浆气化喷嘴，并进行了大量的试验，对喷嘴内各部件结构尺寸对雾化的影响展开了研究，通过优化选择确定了各部件的结构尺寸，得到了最佳雾化效果的水煤浆气化喷嘴，确定了喷嘴内各部件结构尺寸对雾化的影响规律；在导师的指导和帮助下开发了新型多入口水煤浆气化炉，并利用数值模拟计算方法对不同炉侧喷嘴入口高度、不同炉侧喷嘴入口角度等因素对气化炉内流畅分布的影响进行了冷态数值模拟，得到了不同形式的气化炉内流场分布、颗粒浓度分布等，确定了最佳形式的喷嘴与气化炉结构配置方式，同时对上述因素对气化炉内流场分布、颗粒浓度分布、压力分布等进行了冷态试验研究，得到的结果与数值模拟计算结果吻合良好，确定了数值模拟计算代替试验研究的可行性；利用数值模拟计算方法对现场工业炉气化过程进行了数值模拟计算，并进行了现场工业炉试验测试，数值模拟计算方法得到的结果和试验测试结果吻合很好，证实了该数值模拟计算方法的可靠性和优越性；利用上述方法对新型多喷嘴入口水煤浆气化炉进行了热态水煤浆气化过程的数值模拟，确定了不同氧煤比、煤浆浓度、气化压力、炉侧喷嘴入口角以及各喷嘴不同煤浆量和氧气量的配比对气化过程和出口煤气成分的影响规律，得到了不同影响因素下气化炉内的温度分布、速度分布、压力分布、CO、CO_2、H_2、H_2O、CH_4、O_2等的浓度分布规律，同时得到了出口煤气组成，为今后气化炉的设计和运行提供了理论依据和指导，并且为气化炉的开发设计和改造提供了一套完整的数值模拟计算方法；进一步运用该方法对焦水煤浆、油水煤浆在该气化炉内的气化过程进行了数值模拟，为今后不同原料的气化提供了理论依据和指导，为不同原料气化炉的开发和设计提供了一套可行的简便方法。
通过本文的研究证实，利用数值模拟计算方法进行水煤浆气化炉的初期开发或改造是切实可行的，它不但节省了大量的人力物力资源，缩短了开发周期，而且可以为气化炉的运行提供理论指导。
Coal water slurry (CWS) gasification technique is always highly recognized by international society and our country in recent years. This technique is always listed on sixth, seventh, eighth and ninth five-year project. CWS technique is developed well in China. But, compare with the developed countries, in design and manufacture of burner, manufacture of big capacity high pressure CWS pump, structure configuration of the burner and the gasifier, the development of numerical simulation software, the manufacture of furnace firebrick, the design of PDP software and other sides, our technique is not perfect. In addition, because of the limitation of the patent of Texaco CWS gasification technique, high patent cost will be paid when introducing it. So, developing our own gasification technique of different raw material is necessary.In this paper, some research work was developed on above issue. Three tunnel multi-level inner-mixed CWS gasification burner was developed independently, and a lot of experiments were done. At the same time, the effect of the structure size of burner upon CWS atomization was studied. The structure size of the burner was confirmed by optimization test, and the best atomization effect of the burner was obtained. The influence of the structure size of the burner on atomization effect was confirmed. A new multi-inlet CWS gasifier was developed independently. The effect of different furnace side burner inlet height and angle upon flow field distribution was analyzed by means of numerical simulation, and different kind of flow field distribution and particle concentration of gasification furnace was obtained. Consequently, the best kind burner and furnace structure was confirmed. Furthermore, cold test of above factors on flow field, particle concentration distribution, and pressure distribution was done. Because the numerical simulation is in agreement with the test result, the feasibility of numerical simulation replacing experiment investigation was confirmed. The numerical simulation on gasification process of industrial furnace is applied, and industrial furnace site test was finished too. The result of numerical simulation agrees well with the test result. Accordingly, the reliability and superiority of numerical simulation method was proved. Hot numerical simulation of CWS gasification process on the new furnace was finished using above method. The influences on gasification process and the content of the outlet gas were confirmed by different O2 coal ratio, slurry concentration, gasification pressure, burner inlet angel, different ratio of coal slurry and oxygen. And the distribution of the temperature, the velocity, the pressure, and the concentration distribution of CO, CO2, H2, H2O, CH4, O2 in the furnace were obtained. In addition, the content of the outlet gas was obtained also. These not only provided theory foundation and guidance for design and operation of gasifier, but also a set of complete numerical simulation method for design and reform of gasifier. Numerical simulation of gasification process on coke CWS, oil CWS was finished using above method, which provided theory foundation and guidance for gasification of different raw materials, and a set of simple method for design and development of gasifier of different raw material.In this paper, my research proved the earlier development and the reform of CWS gasifier using numerical simulation method is feasible. A lot of material resources could be saved, and the developing period could be shortened. Furthermore, the theory guidance of gasifier operation was provided.
本文即在目前我国水煤浆气化技术存在的上述问题下开展了部分研究工作。利用实验室现有的设备和技术结合其他形式水煤浆喷嘴的优点，开发了三通道多级内混撞击式水煤浆气化喷嘴，并进行了大量的试验，对喷嘴内各部件结构尺寸对雾化的影响展开了研究，通过优化选择确定了各部件的结构尺寸，得到了最佳雾化效果的水煤浆气化喷嘴，确定了喷嘴内各部件结构尺寸对雾化的影响规律；在导师的指导和帮助下开发了新型多入口水煤浆气化炉，并利用数值模拟计算方法对不同炉侧喷嘴入口高度、不同炉侧喷嘴入口角度等因素对气化炉内流畅分布的影响进行了冷态数值模拟，得到了不同形式的气化炉内流场分布、颗粒浓度分布等，确定了最佳形式的喷嘴与气化炉结构配置方式，同时对上述因素对气化炉内流场分布、颗粒浓度分布、压力分布等进行了冷态试验研究，得到的结果与数值模拟计算结果吻合良好，确定了数值模拟计算代替试验研究的可行性；利用数值模拟计算方法对现场工业炉气化过程进行了数值模拟计算，并进行了现场工业炉试验测试，数值模拟计算方法得到的结果和试验测试结果吻合很好，证实了该数值模拟计算方法的可靠性和优越性；利用上述方法对新型多喷嘴入口水煤浆气化炉进行了热态水煤浆气化过程的数值模拟，确定了不同氧煤比、煤浆浓度、气化压力、炉侧喷嘴入口角以及各喷嘴不同煤浆量和氧气量的配比对气化过程和出口煤气成分的影响规律，得到了不同影响因素下气化炉内的温度分布、速度分布、压力分布、CO、CO_2、H_2、H_2O、CH_4、O_2等的浓度分布规律，同时得到了出口煤气组成，为今后气化炉的设计和运行提供了理论依据和指导，并且为气化炉的开发设计和改造提供了一套完整的数值模拟计算方法；进一步运用该方法对焦水煤浆、油水煤浆在该气化炉内的气化过程进行了数值模拟，为今后不同原料的气化提供了理论依据和指导，为不同原料气化炉的开发和设计提供了一套可行的简便方法。
通过本文的研究证实，利用数值模拟计算方法进行水煤浆气化炉的初期开发或改造是切实可行的，它不但节省了大量的人力物力资源，缩短了开发周期，而且可以为气化炉的运行提供理论指导。
Coal water slurry (CWS) gasification technique is always highly recognized by international society and our country in recent years. This technique is always listed on sixth, seventh, eighth and ninth five-year project. CWS technique is developed well in China. But, compare with the developed countries, in design and manufacture of burner, manufacture of big capacity high pressure CWS pump, structure configuration of the burner and the gasifier, the development of numerical simulation software, the manufacture of furnace firebrick, the design of PDP software and other sides, our technique is not perfect. In addition, because of the limitation of the patent of Texaco CWS gasification technique, high patent cost will be paid when introducing it. So, developing our own gasification technique of different raw material is necessary.In this paper, some research work was developed on above issue. Three tunnel multi-level inner-mixed CWS gasification burner was developed independently, and a lot of experiments were done. At the same time, the effect of the structure size of burner upon CWS atomization was studied. The structure size of the burner was confirmed by optimization test, and the best atomization effect of the burner was obtained. The influence of the structure size of the burner on atomization effect was confirmed. A new multi-inlet CWS gasifier was developed independently. The effect of different furnace side burner inlet height and angle upon flow field distribution was analyzed by means of numerical simulation, and different kind of flow field distribution and particle concentration of gasification furnace was obtained. Consequently, the best kind burner and furnace structure was confirmed. Furthermore, cold test of above factors on flow field, particle concentration distribution, and pressure distribution was done. Because the numerical simulation is in agreement with the test result, the feasibility of numerical simulation replacing experiment investigation was confirmed. The numerical simulation on gasification process of industrial furnace is applied, and industrial furnace site test was finished too. The result of numerical simulation agrees well with the test result. Accordingly, the reliability and superiority of numerical simulation method was proved. Hot numerical simulation of CWS gasification process on the new furnace was finished using above method. The influences on gasification process and the content of the outlet gas were confirmed by different O2 coal ratio, slurry concentration, gasification pressure, burner inlet angel, different ratio of coal slurry and oxygen. And the distribution of the temperature, the velocity, the pressure, and the concentration distribution of CO, CO2, H2, H2O, CH4, O2 in the furnace were obtained. In addition, the content of the outlet gas was obtained also. These not only provided theory foundation and guidance for design and operation of gasifier, but also a set of complete numerical simulation method for design and reform of gasifier. Numerical simulation of gasification process on coke CWS, oil CWS was finished using above method, which provided theory foundation and guidance for gasification of different raw materials, and a set of simple method for design and development of gasifier of different raw material.In this paper, my research proved the earlier development and the reform of CWS gasifier using numerical simulation method is feasible. A lot of material resources could be saved, and the developing period could be shortened. Furthermore, the theory guidance of gasifier operation was provided.
引文
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