气流床气化炉内高温颗粒群动态特性可视化研究

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, etc. The entrained flow gasification, containing combustion and flame, is the most widely used and mature technique in clean coal technology, which has gained favorable economic and social benefit.. Based on the entrained flow bench-scale coal-water slurry (CWS) gasifier of Opposed Multi-Burner (OMB), 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 gasification flame with the introduction of high resolution industrial camera, high speed industrial cameras and UV camera combined with high temperature endoscopes. The morphology, behavior and reaction of high temperature particle cluster, interactions between particles, as well as the attachment feature of particle cluster on refractory lining, impinging and breaking characteristics are investigated by experiments and testing systems described above. Model for particle cluster reaction mechanism in gasifier will be established with the studies on distribution and variation features of free radical in consideration of a variety of particle cluster characteristics. These studies would provide theoretical guidance for the optimized design and stable operation of entrained flow gasifiers.

煤炭气化是发展煤基化学品、煤基液体燃料、制氢、燃料电池等过程工业的基础，气流床是煤炭气化发展的主要方向，其中气流床水煤浆气化应用最为广泛，其典型特征为火焰型气化。本项目以多喷嘴对置式气流床气化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，引入高分辨率工业相机、高速工业相机以及单色/彩色高速摄像仪，配合不同规格的高温内窥镜，开发运用于热态装置气化火焰的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、特定波段的滤光片与高温内窥镜，开发针对热态水煤浆气化炉气化火焰的光谱诊断系统。在上述系统的支撑下，试验探究热态气化炉内具有一定共性的大量颗粒所构成的高温颗粒群的形态、行为、反应、颗粒间相互作用、颗粒群与耐火衬里相互作用时的附壁、撞击和破碎过程特性，并基于高温颗粒群气化反应过程中自由基分布和变化特性的研究，建立颗粒群气化反应机理模型，为气流床气化炉优化设计及稳定运行提供理论指导。

以多喷嘴对置式气流床水煤浆气化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，开发了运用于热态装置气化火焰的高分辨率成像系统和高速成像系统，探究了气化火焰中高温颗粒群动态特性，开展了气化炉内高温颗粒群动态特性的统计研究，并考察了气化炉操作参数对高温颗粒群动态特性的影响。研究结果表明：(1) 气化炉不同空间区域的颗粒类型不同，不同类型的颗粒可相互转化。喷嘴平面的颗粒主要呈圆形或类圆形，通常发生爆裂破碎，破碎概率较低。大多数粒径较大的颗粒在气化炉喷嘴平面以上100-300mm空间内脱除挥发分并发生外部破碎和中心破碎。喷嘴平面以上400mm至气化炉拱顶区域，颗粒主要为焦炭。越接近气化炉拱顶，颗粒的中值粒径越小。(2) 气流床气化炉内水煤浆初次破裂为雾化模式，水煤浆二次破裂模式主要可分为不破裂模式、拉伸破裂模式和剪切破裂模式。高O/C条件下雾化效率更高，雾化稳定性更好。当O/C升高时，小液滴比例增加，大液滴逐渐消失，液滴初始反应率更高，液滴浓度、平均粒径以及其振荡范围均呈下降趋势。(3) 气化炉内颗粒轨迹表明射流区中颗粒呈现简单直线运动，颗粒运动行为可划分为三种：旋转、变形和破碎。非射流区中颗粒轨迹表明颗粒运动方向不规则且分布不均匀。颗粒轨迹统计分析表明，非射流区颗粒轨迹所占比例大于射流区颗粒轨迹占比。随着O/C比的增加，分布于射流区颗粒轨迹占比降低。(4) 气化炉内液滴沉积模式分为三类：无粘附的液滴变形反弹模式、无粘附的液滴破裂反弹模式和部分粘附的液滴破裂反弹模式。颗粒沉积模式分为四类：无破裂粘附的颗粒完全反弹模式、无破裂反弹的颗粒完全粘附模式、无粘附的颗粒破裂反弹模式和部分粘附的颗粒破裂反弹模式。粘附颗粒的脱附模式分为四类：完全脱附模式、破裂脱附模式、撞击后脱附模式和多过程脱附模式。(5) 撞击使火焰下游的CH*分布更加均匀，两喷嘴撞击效应不足以在撞击区形成新的反应中心。四喷嘴撞击形成约束流场并改变撞击区的湍流强度，撞击区出现新的反应中心。四喷嘴撞击在氧碳当量比([O/C]e)较低时强化反应的效果更好。气化炉内火焰的举升长度主要由合成气浓度和雾化效果两个因素共同控制。(6) 颗粒粒径增大使剧烈反应区域大幅度收缩并向颗粒表面依附。氧气浓度较低时，Boudouard反应是颗粒内部低温区域形成的主要原因。颗粒孔隙率较高时，颗粒内部化学反应不再受扩散过程控制。