气流床气化炉内颗粒破碎及沉积特性研究

The entrained flow gasification technology is one of the key technologies in high-efficiency and low-pollution utilization of coal, and the main solution for primary energy converted into secondary energy. The entrained flow gasifier is a kind of high pressure and temperature reactor，and coal particles experience the evaporation, devolatilization, combustion and gasification process within a short time. Coal particle fragmentation, which often occurs because of the thermal stress ressure-induced fracture and percolation, has a significant impact on particle dispersion, ash formation and deposition and heterogeneous reactions. This project aims to study the coal particle swelling, deformtion, melt and fragmentation, discuss the influences of the coal rank, particle diameter/ temperature on the particles fragmentation, develop the particles fragmentation models. The phases interaction processes in the near wall bournary and the micron particle deposition principle will been investigated in this project. These researches in this project is very important to master the micron ash particle formation and depositon mechanism, and laythe foundation for the optimization and design of the entrained flow gasifier

气流床煤气化技术是当今煤炭等含碳物质清洁高效利用的关键技术之一，也是将一次能源转化为洁净二次能源的主要途径。在高温高压气化炉内，炉内颗粒极短的时间内要经历热辐射、热传导、水分蒸发、挥发分析出、颗粒燃烧与气化反应等过程，导致煤颗粒发生因热应力、挥发分析出和反应逾透而发生破碎。煤粒的破碎显著改变了给煤的粒度分布，对颗粒的弥散运动、壁面沉积及表面化学反应等特性都发生很大的变化。本项目将围绕气流床气化炉内煤颗粒物理化学反应过程开展相关应用基础研究，研究气流床气化炉内颗粒膨胀、变形、熔化和破碎过程，分析煤阶、颗粒直径、气化温度等对颗粒物理化学变化的影响，建立颗粒破碎模型。研究气化炉壁面气液固三相作用过程，掌握湍流边界层内微米级颗粒运动与沉积机理，建立微米级颗粒壁面沉积模型。通过研究，掌握气流床气化炉内飞灰颗粒产生与沉积机理，为气化炉优化设计提供相应的依据。

气流床气化技术具有碳转化率高、煤种适应性强等有点，是煤基高效清洁的燃气发电和现代煤化工的首选技术。气化炉内的颗粒破碎以及沉积过程对于气化炉工艺性能以及壁面熔渣流动行为有重要影响，从而影响气化炉的效率以及安全性。本项目基于多种实验手段和模拟方法，系统的研究了气化炉内颗粒破碎特性及沉积过程。首先在小型试验台架上模拟气流床气化反应，分析颗粒直径、煤种、加热速率和炉内气氛条件等对颗粒膨胀、变形、熔化和破碎等过程的影响，结合燃烧过程颗粒破碎模型，建立气流床气化炉内单个颗粒的热解、化学反应和破碎模型；其次基于小型热模实验平台，模拟高温下气流床中煤的热解、气化和颗粒破碎过程，并修正上述单个颗粒的热解、化学反应和破碎模型，得到适用于工业运行气化炉内颗粒反应运动的综合模型；搭建了冷模实验平台，分析颗粒粒径、化学组成和壁面结构等参数对颗粒沉积的影响，结合湍流边界层中颗粒受力分析，探究炉内飞灰颗粒沉积机理，建立微米级颗粒的沉积模型；结合气化炉内气固相反应流动方程，建立综合考虑颗粒膨胀、颗粒破碎和壁面颗粒沉积的多相反应流动模型，并开展工业气化炉内多相流动过程模拟研究，揭示了单喷嘴旋流气化炉壁面耐火砖衬里烧蚀、飞灰含量高的原因，并提出了建议的喷嘴结构设计参数；获得了单喷嘴水煤浆气化炉耐火砖表面熔渣流动、传热等规律，揭示了耐火砖蚀损规律与机理，提出了延长耐火砖寿命的操作参数调整方案。本项目从机理上研究了气化炉内煤颗粒破碎等物理变化详细过程以及不同操作条件对其影响，完善了气流床气化炉内颗粒反应运动的综合模型，为工业运行提供可靠地理论基础；此外，综合考虑颗粒膨胀、颗粒破碎和壁面颗粒沉积的多相反应流动模型以及模拟研究工作，为气化炉优化设计提供了可靠的数据支撑。