基于炉膛可视化的多喷嘴对置式水煤浆气化炉内颗粒特性及反应机理研究

As one of the key clean coal technologies, coal gasification is the basic technology for developing coal-based industries, such as chemical products, liquid fuel, hydrogen production, fuel cell, direct-reduction iron making, etc. The entrained flow gasification is the most widely used and mature technique in clean coal technology which has gained favorable economic and social benefit. Based on the bench-scale opposed multi-burner (OMB) coal-water slurry (CWS) gasifier, furnace visualization techniques and spectrum diagnostic techniques are applied to develop high resolution imaging system, high speed imaging system and Vis-UV spectrum diagnostic system for particles in gasifier with the introduction of high resolution industrial camera, high speed industrial cameras and UV camera combined with high temperature endoscopes. The particle morphology, particle behavior, particle reaction, interactions between particles, as well as particle attachment on refractory, impinging and break characteristics are investigated by experiments and testing systems described above. Model for particle reaction mechanism in gasifier is established with the studies on distribution and variation laws of free radical in consideration of a variety of particle characteristics. These studies would provide both theoretical basis and practical guidance for the design and optimization of industrial operation of OMB gasifiers.

煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，气流床是煤炭气化技术发展的主要方向，其中气流床水煤浆气化技术应用最为广泛。本项目拟以多喷嘴对置式水煤浆气化炉热态试验平台为基础，基于炉内可视化技术和光谱诊断技术，同时引入高分辨率工业相机、彩色高速工业相机以及单色高速摄像仪，配合不同规格的高温内窥镜，开发高分辨率成像系统和高速成像系统，并整合可见光、紫外工业相机、特定波段的滤光镜与高温内窥镜，开发针对热态水煤浆气化炉的颗粒光谱诊断系统。在上述系统的支撑下，通过实验探究热态气化炉内颗粒形态、颗粒行为、颗粒反应、颗粒间相互作用、颗粒与耐火衬里相互作用时的颗粒附壁、撞击和破碎过程特性，并在研究颗粒气化反应过程中自由基分布和变化规律的基础上，建立颗粒气化反应机理模型，为多喷嘴对置式水煤浆气化炉设计及其工业操作的优化提供理论依据和实践指导。

基于气流床气化热态试验平台，利用现有的可视化设备，针对本项目研究内容，开发了敞开环境下研究气化反应过程使用的高分辨率成像系统、可见光和紫外光谱诊断系统、高温封闭条件下适用的高分辨率成像系统、黑白及彩色高速成像系统以及光谱诊断系统。研究了多喷嘴对置式水煤浆气化炉内颗粒的颗粒外形、颗粒粒径、颗粒温度、颗粒运动、颗粒类型和相互转化的统计规律、颗粒破碎、颗粒壁面沉积行为类型及统计规律等，并与操作参数进行耦合，基本掌握了操作条件与颗粒不同特性间的关系。在敞开空间条件下利用光纤光谱仪和紫外成像系统研究了水煤浆气化/燃烧过程的辐射光谱特征及OH*自由基二维分布，探讨了不同操作条件对自由基的产生区域、辐射强度、化学反应核心区等特性的影响。在封闭空间条件下研究了炉内颗粒大量聚集的撞击反应区内柴油及水煤浆气化过程中自由基辐射变化特征，探究受限空间中撞击火焰中化学反应特征及光谱辐射特性，并提出一种扣除火焰中背景辐射的图像处理方法，应用该方法探究了不同类型撞击火焰的撞击强化作用、撞击区新反应中心的形成原因以及气化炉内火焰举升长度的控制因素。开展了气体燃料及颗粒气化过程反应机理的相关研究，对扩散火焰中OH*自由基辐射的分布特性进行了探索，结合数值模拟手段探究了OH*自由基的生成路径和反应机理。针对颗粒气化过程，采用三种不同结构模型对O2/N2高温气氛下单颗粒煤焦的反应特性进行数值模拟，获得了不同条件下的火焰层迁移规律和组分分布规律，并得到了不同结构单颗粒煤焦的火焰层和主要反应区分布规律，以及颗粒表面温度和碳消耗速率随颗粒粒径和孔隙率的变化规律。