移动床式气化炉燃烧气化地仿真与分析报告
典型气流床煤气化炉气化过程的建模
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第8期·2426·化 工 进 展典型气流床煤气化炉气化过程的建模东赫1，刘金昌1,2，解强1，党钾涛1 ，王新1（1中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083；2九州大学电子和材料应用科学系，日本 福冈春日 816-8580 ）摘要：利用Aspen Plus 、基于热力学平衡模型对GSP 煤粉气化炉、GE 水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化过程建模。
根据煤颗粒热转化的历程，将煤气化过程划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应4个阶段，利用David Merrick 模型计算热解过程，采用Beath 模型校正压力对热解过程的影响，选用化学计量反应器模拟挥发分燃烧反应，编制Fortran 程序计算半焦裂解产物收率，最后基于Gibbs 自由能最小化方法计算气化反应。
结果表明，采用建立的气流床气化过程模型模拟工业气化过程的结果与生产数据基本吻合，对GSP 煤粉气化炉、GE 水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉等3种气化炉有效气成分（CO+H 2）体积分数模拟结果的误差均不超过2%，建立模型的可靠性得到验证。
关键词：气流床气化炉；热力学平衡模型；Aspen Plus中图分类号：TQ 546 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）08–2426–06 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.19Modeling of coal gasification reaction in typical entrained-flow coalgasifiersDONG He 1，LIU Jinchang 1，2，XIE Qiang 1，DANG Jiatao 1，WANG Xin 1（1School of Chemical and Environmental Engineering ，China University of Mining and Technology （Beijing ），Beijing 100083，China ；2Department of Applied Science for Electronics and Materials ，Kyushu University ，6-1 Kasuga-Koen ，Kasuga ，Fukuoka 816-8580，Japan ）Abstract ：This paper presents a modeling method for the coal gasification process proceeding in GSP pulverized coal gasification ，GE coal-water slurry gasification and Opposed Multiple-Burner gasification based on the thermodynamic equilibrium with the aid of Aspen Plus. In the light of thermal conversion procedure of fine coal particles ，the coal gasification was interpreted as consisting of four stages including pyrolysis ，volatile combustion ，char decomposition and gasification reaction. Then ，the pyrolysis stage was calculated by the David Merrick model and the effect of pressure on the coal pyrolysis was corrected by means of Beath model. The volatile combustion stage was simulated by using Rstoic reactor and the yield of char decomposition products was calculated via compiling Fortran program. And finally ，the gasification reaction stage was simulated based on the Gibbs free energy minimization. The results revealed that the simulated values from the developed simulation model of gasification processes were in good consistent with the industrial field data. The deviation of simulated results of volume fraction of the effective gas (CO+H 2) of these three typical entrained-flow gasifiers were all less than 2%，which can validate the reliability of the coal gasification model.第一作者：东赫（1991—），女，硕士研究生。
移动床气化法
加入炉的煤被来自下层的热煤气加热升温后，煤中水分
蒸发使燃料得到干燥，形成干煤。
煤
干燥区
除去水分 蒸出气体、焦油和油， 煤变焦炭+CH4+CnHm H2O+C=H2+CO CO2+C=2CO C+O2=CO2 灰渣区 气化剂
干馏区 气化区
燃烧区
排灰
移动床气化炉根据煤气出口位置的不同， 可以分为单段气化炉和两段气化炉。 单段气化炉只有一个煤气出口，位于煤
的煤气体积Vm=5.38m3/Kg.
空气耗量：标准状态下，气化单位质量碳所需要
的空气量：Vk=4.44m3/Kg
煤气的低位热值：标准状态下，单位体积煤气的
热值：Qnet=4.39MJ/m3 气化效率：煤气的热量与所用原料的热量之比： η=69.3%
（2）发生炉煤气的制造
采用蒸汽和空气的混合物作为气化剂制造
（3）煤种适应性广
（4）可远距离运输
（5）空分装置大
2 加压气化的原理和过程
（1）理想过程的加压气化原理
①燃烧反应 C+O2=CO2
②二氧化碳还原反应 C+CO2=2CO 及水蒸
气分解反应C+H2O=CO+H2 ③甲烷生成反应 C+2H2=CH4
（2）实际加压气化炉内的反应区域
燃料层从下往上可分为灰渣、燃烧、气
1 水煤气的制造
（1）理想水煤气的制造 在理想条件下制取的水煤气称为理想水煤气。理想水煤气的所谓理想是指在整 个生产水煤气的过程中无热量损耗。 吹风阶段： C+O2+3.76=CO2+3.76N2+409MJ 制气阶段： C+H2O=CO+H2-119MJ 总反应： 4.44C+O2+3.76N2+3.44H2O=CO2+3.76N2+3.44CO+3.44H2
(选学)分析固定床气化技术
煤炭气化生产技术
1.UGI炉结构
炉子为直立圆筒形结构。 炉体用钢板制成，下部设 有水夹套以回收热量、副 产蒸汽，上部内衬耐火材 料，炉底设转动炉篦排灰。
上锥体
水夹套 炉篦传动装置 出灰机械
设备结构简单，易于操作， 不需用氧气作气化剂，热 效率较高，但是生产强度 低，对煤种要求比较严格， 采用间歇操作工艺管道比 较复杂。
由炉底吹入空气，把残留在炉上部及 管道中的水煤气送往贮气柜而得以回收， 以免随吹风气逸出而损失。
10
煤炭气化生产技术
• 3－4分钟循环各阶段时间分配表：
序 号
阶段名称
3min循环,（S） 4min循环, （S）
1
吹风阶段
40～50
60～80
2
3 4
蒸气吹净阶段 2
上吹制气阶段 45～60 下吹制气阶段 50～55
2
60～70 70～90
5
二次上吹阶段 18～20
18～20
11
煤炭气化生产技术
吹风阶段
蒸气吹净阶段
一次上吹制气阶段
下吹制气阶段
二次上吹制气阶段
空气吹净阶段
12 其缺点是生产必须间歇阀门频繁切换，生产效率低
煤炭气化生产技术
软水 蒸汽总阀 上吹蒸汽阀
蒸汽 下吹蒸汽阀 集汽包 上水
集汽包
水 煤 气 发 生 炉
燃 烧 室
废 热 锅 炉
烟 囱 上 行 煤 气 阀 烟囱阀
蒸汽缓冲罐 空气鼓风机
吹风空气阀
洗 气 箱
洗 涤 塔
下行煤气阀 气柜 煤气去净化
气柜水封 图5--27 水煤气站流程
气柜水封
13
煤炭气化生产技术
气化炉试验报告
气化炉试验报告08年8月29日开始秸杆气化炉的工作试验,此次试验主要对秸杆气化炉、燃料燃烧状态进行相关数据、稳定性、可燃气化率、气化炉的性能、产生的焦油处理、等方面进行基本检验。
现就试验基本情况作如下记录与分析；一、主要参数与燃料燃烧状态表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数在家用同样大小的壶做烧水试验,天然气烧水时间为14分钟一壶.水重5kg.表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数表1.高效节能秸秆气化炉技术参数二、气化炉燃烧试验情况在试验过程中观察到以下现象：1、燃料添加情况：燃料添加操作比较简便，铺上底灰至不超过空气管后从下而上添加燃料，并露出空气管周围点火空间即可。
但在燃料种类不同时情况又有所不同，碎料、粉料（如刨花、锯末）压实，填充较易，条形燃料（如包谷芯、包谷秆、秸秆）等压实就比较困难，所需的填充料较多才能覆盖、压实中间的空隙。
2、点火及燃烧情况：该气化炉点火较为困难，产生明火后覆盖燃料，容易加速它的完全燃烧，造成输出燃气浓度比不够，或者不纯，混杂了大量的二氧化碳及水蒸气，燃烧效果不好，混杂的烟气排除后对人刺激性较大。
产生暗火（火星）后覆盖燃料，又容易压熄，其中以包谷芯、包谷秆为甚，如果燃料温度大则更甚，一旦这种情况发生，需将大部分燃料从炉体中取出后重新点火，比较麻烦。
3、产生速度及供气量：在试验操作中有以下体会：添加燃料干湿度，覆盖后压实程度以及燃料品种得当，产气速度就比较理想，最好的情况一分钟左右就开始供应纯度较高的燃气了。
但以上三个条件任何一个出现问题，产气速度就受到影响，需2～3分钟甚至时间更长。
四流化床生物质气化特性的实验及数值模拟研究
四流化床生物质气化特性的实验及数值模拟研究四流化床生物质气化特性的实验及数值模拟研究摘要：本研究以生物质为原料，利用四流化床气化技术进行气化实验，并对实验结果进行模拟分析。
通过改变氧气分布方式和流速等气化参数，研究其对气化特性的影响。
实验结果表明，在流动床率相同的情况下，完全混合氧供应方式下，生物质气化效率相对较高。
在数值模拟过程中，采用了多相流数值计算方法对气化过程进行数值模拟，实验结果与数值模拟结果基本一致，证明了模拟方法可信可靠。
本研究结果可为四流化床气化技术的优化和生物质气化技术的发展提供参考和建议。
关键词：四流化床；生物质气化；实验；数值模拟；氧气分布方式；流速一、引言气化技术在生物质能源领域有着广泛的应用价值。
四流化床气化技术是目前应用较为广泛的一种气化技术。
然而，气化反应复杂，气化所需气体成分、流速、温度等参数的精细调节对气化效率的提高有着重要的作用。
因此，本研究通过实验及数值模拟的方式研究四流化床生物质气化特性，通过调节氧气分布方式和流速等气化参数，探究其对气化效率的影响，为四流化床气化技术的优化和生物质气化技术的发展提供参考和建议。
二、实验部分1. 实验设备本实验中采用4流化床气化实验装置进行实验。
该装置由气化炉体、光束采集系统、气氛控制系统等组成。
气化炉由内圆管和外环形管构成，内管为气化反应区，外管则用于供氧和控制炉温。
光束采集系统用于对反应过程中光学成像，以获取生物质燃烧及气化现象。
气氛控制系统则用于控制床层温度及气氛组成。
2. 实验方法本实验选用切碎的木屑作为原料，以流态化氧气和氮气组成的气体作为气化介质。
通过调节氧气分布方式和流速等气化参数，研究其对气化效率的影响。
实验结果以顶部床层温度、气体组成、产物组成为指标进行评估，并进行统计分析。
三、数值模拟部分采用ANSYS Fluent软件中的多相流数值计算方法，对实验中生物质气化过程进行数值模拟。
建立三维气化反应室模型，并参考实验数据对其进行验证。
固定(移动)床气化法讲解
• 主要适用于长焰煤、气煤等弱粘结性煤种，湿法排灰（灰渣通过水封的 旋转灰盘排出）
3M21型煤气发生炉
将3M13型气化炉的滚筒式自动
加煤机和搅拌装置取下，再换 上双钟罩自动加煤机，即成为 3M21型气化炉 3M21型适合气化无粘结性的煤
(Y＜8mm)
不带搅拌装置 主要用于气化贫煤、无烟煤 和焦炭等不黏结性燃料
温度（oC）
固定床气化炉－ Lurgi炉中的反应行为
恒量氮气下的气体组成（％）
982
分析范围 593 灰 水蒸气 和氧气 煤 气 煤
204
燃料层高度 • O2迅速消耗完（残余很多C） CO和H2的产生不是同步？ • CO2先于CO出现, CO2与O2的关系 (C + H2O = CO + H2) • CO2先增加，后下降，后又增加？
C.W-G型混合煤气发生炉
(a)用四个料管（上、下两段软 连接）向气化炉内加煤 (b)上炉体外为全水套结构 (c)鼓风空气经水套水面，带蒸 气经饱和空气管从底部进入气化 炉 (d)炉篦可转动，将灰渣排入底 部灰斗，故为干渣排灰 (e)炉底灰斗设上、下两道阀门 ，可在气化 炉运行过程中排灰 (f)特殊的加煤机构使气化炉接 近满料操作
理想情况： 气化纯碳，且碳全部转化为CO； 按化学计量方程供入空气和水蒸气且无过剩； 气化系统为孤立系统，系统内实现热平衡
放热反应：Ｃ＋0.5Ｏ２＋1.88N2 ＝＝ＣＯ＋1.88N2 +110.4KJ/mol 吸热反应：Ｃ＋ H2Ｏ＝＝ＣＯ＋H2 -135.0KJ/mol 热平衡：２.２Ｃ＋０.６Ｏ２＋ H2Ｏ＋２.３ N2 ＝＝２.２ＣＯ＋ H2 ＋２.３ N2
（七）气化过程的主要评价指标
1.气化强度
移动床煤气化炉的设计和计算
煤气产率/气化效率/热 效率
通过计算潞安矿务局
干煤气产率：3.38m3/kg 湿煤气产率：3.58m3/kg 气化效率：69.63% 热效率：76.66%
以上作为气化炉设计的基础参数
气化炉的设计
• 本设计选用常压固定床混合煤气发生炉。 • 此炉型由上、中、下三部分组成。 • 上部分包括加煤机、炉盖、探火孔等主要部件。 • 中部包括炉体和蒸汽水套、碎渣圈等。 • 下部包括炉篦、灰盘通风箱等。灰盘及通风箱均设有水封，以保
• 大型固定床气化技术包术是在常压固定床气化技术基础上发展起来的，主要解决常压固定 床气化技术中气化强度低、单炉处理负荷小等缺点，最有代表性的是Lurgi加压气 化炉。
• BGL气化技术是在Lurgi气化技术基础上发展起来的，该技术最大的改进是降低了
煤气化的化学反应
• (a) 气相反应：
• 2CO + O2 → 2CO2 • 2H2 + O2 → 2H2O • CH4 + O2 → 2H2O + CO • CO + H2O → CO2 + H2 • CO + 3H2→ 2H2O+CH 4 • CxHy(气态煤焦油)+ （x+y/2）2O2
→ y/2H2O + xCO
• 目前国内外气化技术众多，自世纪中叶德国Siemen兄弟最早开发煤气发生 炉至今，已有150余年历史!形成了固定床(移动床)、流化床和气流床三种 技术工艺。各种技术都有其特点和特定的适用场合，它们的工业化应用程 度及可靠性不同，选择与煤种及下游产品相适宜的煤气化工艺技术是煤化 工产业发展中的重要决策。
炉墙及探火孔
在进行耐火材料的选择时，主要考虑耐火 度和绝热性能两项指标。由于整个装置内 部温度都在1000左右，故要求向火面的耐 火材料有较高的耐火度。 炉内温度900℃，由此选择耐火材料为粘土 耐火砖，保温材料为水泥珍珠岩制品 探火孔是发生炉的重要部件之一，8个探火 孔均匀分布在炉盖的圆周上。其作用是： 通过探火孔对燃料表层进行观察；调整炉 况及对燃料层进行深层调整；用钎子探测 炉内各层温度及分布情况，用以指导操作。 探火孔由塞子、外壳、及喷嘴组成。
第三章移动床常压气化详解
四 固定床气化对煤质量的要求
粒度：（粒度与比表面积和传热的关系） 煤的比表面积和煤的粒径有关，煤的粒径越小，其比表
面积越大。 煤和灰都是热的不良导体，导热系数小，传热速度慢，
因此粒度的大小对传热过程的影响显著，进而影响焦油的产 率。
四 固定床气化对煤质量的要求
粒度：（粒度与生产能力的关系）
对于固定床而言，粒度范围一般在6-50mm之间，一般大 于6mm。粒度小有利于气化反应，但会增大气化剂通过燃料 层的阻力，粒度太小，会增加带出物的损失。反之，大块燃 料会增加灰渣中可燃组分的含量。
一 煤气化产物的种类
•常压固定床煤气化技术是以空气、空气—水蒸汽、 水蒸气等为气化剂，将固体燃料转化成煤气的过程。 • 常压固定床气化生成煤气的有效成分主要有 H2 、 CO和少量 CH4 ，用于合成氨生产的半水煤气中的氮 也是有效成分。 工艺煤气一般分为空气煤气、混合 煤气（发生炉煤气）、水煤气、半水煤气等。
四 固定床气化对煤质量的要求
综上所述，固定床气化对原料的要求是低水、低 灰、低硫、高活性、高灰熔性、热稳定性好、机械 强度高、不黏结、粒度均匀适中的燃料。
五 制气原理
1 空气煤气
• 空气煤气是发生炉煤气最简单的生产工艺。它以空气作为气化燃料， 主要的化学反应如下：
C O2 CO2 394.4kJ / mol
原料煤的性质对气化过程影响很大。固定床气化对煤的选 择尤为严格。
• 水分：随煤的碳化度而异。无烟煤和烟煤的含水量多在 5%以下。次烟煤和褐煤含水量约10%-30%。煤种水分和挥 发份含量有关，随挥发份含量降低而降低。气化用煤含水量 越低越好，一般要求不超过8%。
煤中水分高会增加气化过程的热损失，降低煤气产率和 气化效率，使消耗定额增加。 •
气流床燃烧气化及壁面熔渣沉积特性的数值模拟的开题报告
气流床燃烧气化及壁面熔渣沉积特性的数值模拟的开题报告一、研究背景和意义：气流床燃烧气化和壁面熔渣沉积特性是气流床燃烧技术应用过程中的关键问题。
目前，气流床燃烧技术已成为一种优越的烟煤、焦煤等固体燃料的燃烧方式，具有燃烧效率高、反应速度快、污染物减排等优点。
但在气流床内部，气流运动、燃烧反应、气体热力学参数变化等因素都会影响燃烧过程的稳定性、燃烧效率和反应产物特性。
而壁面熔渣沉积特性又会影响气流床内的传热和气流运动，从而影响燃烧反应的稳定性和燃烧效率。
因此，对气流床燃烧气化和壁面熔渣沉积特性进行研究，可以为提高气流床燃烧技术的燃烧效率、减少污染物排放、保障能源安全等方面提供指导和参考。
二、研究内容和方法：本研究将使用数值模拟方法对气流床燃烧气化和壁面熔渣沉积特性进行研究。
具体内容包括：1.气流床燃烧气化过程中气体流动、燃烧反应和气体传热特性的数值模拟，分析不同燃料类型和不同燃烧参数对气流床内燃烧反应和气体传热的影响。
2.气流床内壁面熔渣沉积过程的数值模拟，考虑熔渣流动、沉积以及壁面传热等因素，分析不同燃料类型、不同气体流动速度和不同壁面材料对熔渣沉积的影响。
为了达到以上研究目的，我们将采用ANSYS Fluent等流体模拟软件，并建立相应的模型和模拟方案。
同时，将根据模拟结果对气流床燃烧技术进行优化和改进，提高其燃烧效率和稳定性。
三、预期成果和意义：本研究的预期成果包括：1.对气流床燃烧气化和壁面熔渣沉积特性进行深入分析和研究，为气流床燃烧技术的应用和发展提供科学依据和指导。
2.优化气流床燃烧技术的设计和实施，提高其燃烧效率、减少污染物排放，从而保障能源安全和环境保护。
因此，本研究的意义在于完善气流床燃烧技术的燃烧理论和方法，提高其应用效果和应用范围，为解决能源和环境问题做出贡献。
煤炭气化方法—移动床的床层结构及温度分布(煤气化技术课件)
干燥层位于干馏层的上面，上升的热煤气与刚入炉的燃料在
这一层相遇并进行换热，燃料中的水分受热蒸发。
过程
控制
一般地，利用劣质煤时．因其水分舍量较大，该层高度
较大，如果煤中水分含量较少，干燥段的高度就小。
作用
空层
空层即燃料层的上部，炉体内的自由区，其主要作用是汇集
煤气。
由于空层的自由截面积增大，使得煤气的速度大大降低，气
上面三个反应都是放热反应，因而氧化层的温度是最高的。
还原层
作用
在氧化层的上面是还原层，赤热的炭具有很强的夺取水蒸气
和二氧化碳中的氧而与之化合的能力，水(当气化剂中用蒸汽
时)或二氧化碳发生还原反应而生成相应的氧气和一氧化碳，
还原层也因此而得名。
控制
还原层厚度一般控制在300～500mm左右。如果煤层太薄，还原反应进
C+O2→CO2+Q （Ｏ２↘， CO2↗）
C+CO2→2CO-Q（Ｏ２耗尽，出现CO，CO2↘）
还原层：
C+CO2→2CO-Q
C+H2O→CO+H2-Q（H2O↘，CO2↘，H2↗，CO↗）
还原层以上：
CO+H2O→CO2+H2+Q（CO、H2O稍↘，CO2、H2稍↗）
干馏层
氧化层
干燥层
空层
制在600℃左右。
有无反应
+_→
+_ →_+
+_ →_+_
+_→_
+_→_+_
+_→_+_
_+_→_+_
干馏层位于还原层的上部，气体在还原层释放大量的热量，
移动床式气化炉燃烧气化的仿真与分析
年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名： 导师签名：
日期： 日期：
目录
摘要............................................................................................................................................... 1.绪论.........................................................................................................................................1
移动床式气化炉燃烧气化的仿真与分析
[摘要]：本文从型煤富氧连续气化这个角度入手，调研气化炉的结构与运行规律，借助计算流体动
力学商业软件 Fluent，对气化炉炉内的气化与化学反应过程进行仿真模拟。仿真结果与实际状况相 符合，可用于优化气化炉的运行参数，并为今后其内部结构的优化设计与改进奠定基础。
[关键词]：移动床 气化炉 仿真 分析 计算流体动力学
科技成果——移动床纯氧连续气化技术
科技成果——移动床纯氧连续气化技术技术开发单位昊华骏化集团有限公司适用范围在煤制合成气领域，玻璃、陶瓷用工业窑炉领域具有很高的市场推广价值，且该技术对原有造气装置及工业窑炉装置的上下游工序不产生任何影响，可与系统稳定匹配。
同时该技术对原煤的适应性较强，无烟煤、烟煤、褐煤等均可使用。
成果简介采用具有自主知识产权的特殊高径比分段燃烧气化炉，通过延长煤炭在气化炉的停留时间，提高煤炭转化率，有效气含量提升至85%以上，灰渣残碳含量降至0.5%以下；用纯氧替代空气做气化剂，提高了气化效率及装置的规模化效益，解决了吹风气的外排难题，降低了煤耗，同时实现了装置的稳定连续运行；造气废水采用自主开发的相变水处理装置，实现了废水的分级循环利用，解决了造气循环水难处理、外排量大、气味大的行业难题。
技术效果以合成氨行业为例，吨氨可节约100kg原煤；有效气含量由70%提升至85%，传动设备的动力消耗（电耗）降低约10%；蒸汽分解率由45%提升至75%以上，吨氨蒸汽耗减少约1吨；灰渣残碳含量由15%降至0.5%以下，实现了灰渣的直接资源化利用（直接用于建筑材料）；造气循环水分级利用，解决了废气、废水外排的行业难题。
应用情况河南省驻马店市河南顺达新能源科技有限公司，8套ɸ3600移动床纯氧连续气化成套装置。
该装置已稳定运行2年半时间，每小时产合成气（CO+H2）100000Nm3，有效气含量可达85-88%，比煤耗小于580kg/KNm3（CO+H2），比氧耗低于240Nm3/KNm3（CO+H2），灰渣残碳含量小于1%，蒸汽分解率大于75%，造气废水全部分级循环再利用。
该示范装置在2017年10月通过中国石油和化学工业联合会的技术鉴定，与会专家一致评定“移动床纯氧连续气化技术已达到国际先进水平，具有很高的市场推广价值”。
市场前景T-G炉气化技术较BGL炉、UGL炉相比具有效气含量高、灰渣残碳低、无三废排放的优点，较大型水煤浆炉、航天粉煤气化炉具有投资省、建设周期短等优点，经过多套示范装置的应用，运行稳定可靠，是中小氮肥企业及工业窑炉行业技术升级改造的理想之选。
气流床气化炉的CPFD数值模拟
气流床气化炉的CPFD数值模拟梁咏诗; 赵香龙; 秦强; 郭屹; 程易【期刊名称】《《化工学报》》【年(卷),期】2019(070)009【总页数】9页(P3291-3299)【关键词】气流床; 气化炉; CPFD模拟; 气化反应; 颗粒停留时间【作者】梁咏诗; 赵香龙; 秦强; 郭屹; 程易【作者单位】北京低碳清洁能源研究院北京102211; 清华大学化学工程系北京100084【正文语种】中文【中图分类】TQ54引言气流床煤气化技术是目前主流的气化技术。
它具有碳转化率高、气体产品清洁等优点。
气流床气化炉内的流动与反应非常复杂，深入研究其规律对于实现碳的高效转化及超净排放有重要意义。
目前对于气流床气化炉的研究主要采用实验和数值模拟两种方法，通过实验方法能获得比较可靠的实验数据，但受限于测量手段和气化炉内的高温环境，很多影响炉内气化反应的重要参数及其分布（如流场和温度场分布、反应速率等）却很难通过实验获得。
随着计算流体力学（CFD）的发展，通过先进的数值模拟方法来对气化炉内流动与反应特性进行模拟和预测已成为非常重要的研究手段。
文献中对气流床气化炉的模拟研究已有不少报道。
吴玉新等[1-2]采用简化PDF 模型对Texaco 气化炉建立起了热态模拟模型，其模拟结果与工业数据基本一致。
毕大鹏等[3]基于相同模型对GSP 气化炉进行了模拟，并得到了炉内流场和组分分布。
Sun 等[4]采用EF 模拟方法得到了多喷嘴对置型气化炉中的温度场和流场。
Abani 等[5]利用大涡模型对一个小型气流床气化炉进行了模拟，并捕捉到了气化炉内的湍流流动特性。
以往的这些报道中，大多使用商用软件Fluent对气流床气化炉进行模拟。
由于煤气化反应的复杂性，在有限的计算资源条件下，这些模拟研究往往采用二维或“拟三维”气化炉模型。
在“拟三维”模型中，其数值计算区域为炉体的四分之一[1,3]，并设定了圆周向周期边界。
由于气化炉的非稳态数值计算非常复杂，文献中报道的模拟研究大都选择了稳态数值模拟的方法。
气化炉的可行性分析报告
气化炉的可行性分析报告气化炉是一种将固体燃料转化为可用气体燃料的设备。
它利用高温和压力来使燃料分解，并通过反应生成可燃气体，如氢气、甲烷和一氧化碳。
然后这些气体可以用作燃料供应给发电机、炉子或其他热能和动力设备。
本文将分析气化炉的可行性，包括其经济性、环保性和能源安全性等方面。
首先，从经济角度来看，气化炉具有一定的可行性。
气化炉可以将廉价的固体燃料，如木材、秸秆和垃圾等转化为高价值的可燃气体。
这种转化过程可以节约能源成本，并且提供一种廉价的替代燃料。
此外，气化炉还可以产生其他有价值的化学品，如焦炭和特殊合成气体。
这些产品可以进一步利用或销售，为气化炉增加经济价值。
其次，从环保角度来看，气化炉也具备一定的可行性。
气化炉利用高温和压力使燃料分解，这个过程可以有效地清除固体燃料中的泥土、灰炭和杂质等有害物质。
因此，气化炉可以减少燃烧过程中产生的污染物排放，如颗粒物、硫化物和氮氧化物等。
此外，由于气化炉可以灵活地使用各种固体燃料，可以减少对化石燃料的依赖，从而减少温室气体的排放。
然而，气化炉也存在一些挑战和限制。
首先，气化炉的投资成本相对较高，需要大量的设备和基础设施。
其次，气化炉的运营和维护成本也较高，需要定期检修和清洁设备。
再者，气化炉对燃料的质量要求较高，需要使用干燥和纯净的燃料才能保证正常运行。
最后，气化炉的操作需要专业的技术人员，对于一些地区和企业来说可能缺乏相关经验和技术支持。
在能源安全方面，气化炉也具有一定的可行性。
气化炉可以利用各种固体燃料，包括生物质和废物等，这种多元化的能源来源可以降低对进口石油和天然气的依赖。
此外，气化炉可以灵活地调整生产能力和燃料类型，以适应不同的能源需求和市场变化。
这种灵活性使气化炉成为一种可靠的能源供应方式，可以帮助提高能源安全性。
综上所述，气化炉具有可行性的特点。
尽管它在投资和运营方面存在一些挑战，但从经济、环保和能源安全等角度来看，气化炉仍然是一种值得考虑的能源转化设备。
煤化工工艺学课件5.3固定(移动)床气化法
产品回收
经过净化的气体产品经过冷却、分离 等步骤，得到各种有用的气体组分， 如氢气、一氧化碳等。
固定(移动)床气化法
04
应用和发展
在煤化工领域的应用
生产合成气
固定(移动)床气化法可用于将煤转 化为合成气，合成气是生产各种 化工产品的原料。
固定(移动)床气化法
03
工艺流程
原料准备
01
02
03
原料准备
将煤破碎至一定粒度，去 除其中的杂质，为气化做 好准备。
煤的输送
通过输送设备将破碎后的 煤送至气化炉的进料口。
煤的干燥
在气化前对煤进行干燥， 以降低气化过程中的水蒸 气分压，提高气化效率。
气化剂的准备
空气的压缩
将空气经过压缩，提高其压力和流速，以满足气化炉的需求 。
未来的研究重点将集中在提高气化效率、降低能 耗和减少污染物排放等方面，以实现绿色、低碳 、可持续发展。
同时，加强国际合作与交流，吸收国外先进技术 成果，也是推动我国煤化工行业发展的重要途径 。
THANKS.
移动床气化法的优点
气化强度高，生产效率高；气化温度均匀，煤气 质量稳定；粗煤气中基本不含焦油、酚等杂质； 用水量较少。
固定床气化法的缺点
气化温度较低，反应速度较慢，生产效率较低； 炉内各段反应温度不均，导致粗煤气中含有一部 分焦油、酚等杂质；需要消耗大量的冷却水来冷 却煤气。
移动床气化法的缺点
对原料煤的粒径要求较高，需要使用粒径较小的 煤；操作复杂，投资较大；煤气中甲烷含量较低 ，热值较低。
针对这些问题，本章提供了相应的解 决方案和措施，有助于指导实际生产 操作和提高产品质量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Sanming UniversityDiploma Work (Project)Title:The simulation and analysis of combustion and gasification for a Moving-bed gasifierGrade & Major:Grade 2006, Machine Design &Manufacturing and Their Automation Number:20060663129Name:Instructor:2010-03-06毕业论文(设计)承诺书我仔细阅读了毕业论文（设计）的有关文件规定。
我知道，抄袭别人的成果是剽窃行为，是可耻的，也是违反毕业论文（设计）规定的。
如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。
我郑重承诺，严格遵守学院毕业论文（设计）规定，以自己的真实水平认真做好毕业论文（设计）。
如有违反规定的行为，我将接受严肃处理。
我的毕业论文（设计）题目为：学生签名：日期:导师签名：日期:论文版权使用授权书本论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：导师签名：日期：目录摘要......................................................................1.绪论 (1)1.1煤炭资源 (1)1.1.1 煤炭资源及其利用 (1)1.1.2煤气化方法: (2)1.2 气化炉结构 (2)1.2.1 移动床气化炉 (2)1.3 FLUENT软件 (5)1.3.1 FLUENT软件概述 (5)1.3.2 程序的结构 (5)2. 移动床气化炉的仿真与分析 (7)2.1 数值模拟研究方法 (7)2.1.2基本控制方程： (7)2.2 利用GAMBIT建立网格 (8)2.2.1 参数的确定 (9)2.3 利用FLUENT求解器求解 (11)2.3.1 显示网格 (11)2.3.2 仿真分析 (12)2.3.3 显示结果 (16)3. 结论与展望 (20)致谢 (21)参考文献 (22)移动床式气化炉燃烧气化的仿真与分析[摘要]：本文从型煤富氧连续气化这个角度入手，调研气化炉的结构与运行规律，借助计算流体动力学商业软件Fluent，对气化炉炉内的气化与化学反应过程进行仿真模拟。
仿真结果与实际状况相符合，可用于优化气化炉的运行参数，并为今后其内部结构的优化设计与改进奠定基础。
[关键词]：移动床气化炉仿真分析计算流体动力学The simulation and analysis of combustion and gasification for aMoving-bed gasifier[Abstract]: In this paper, we start from the perspective of Oxygen Rich Continuous Gasification, survey gasifier structure and operation rules, using commercial software Fluent to caculate fluid dynamics,and to simulate the gasfication and chemical reaction process in the gasifier. The simulation results correspond with the actual situation, so it can be used to optimize the gasifier operating parameters, as well as to make the foundation for future design optimization and improvement of its internal structural.[Key words]: moving-bed gasifier simulation analysis computational fluid dynamics1.绪论在世界经济的高端发展阶段，面对各种危机的挑战，而能源危机越来越凸显了，如今能源问题很受人们热议，上至政治高层，下至黎民百姓。
对此，如何合理并有效利用这有限能源是最为关键的，所以在这方面的技术开发也是最为前沿，备受关注。
本文利用FLUENT软件分析煤气化炉气化方面问题，研究煤的合理有效利用。
1.1煤炭资源1.1.1 煤炭资源及其利用煤炭资源是我国进行社会主义建设的能源基石之一。
我国煤炭储量丰富，分布极广，品种齐全。
目前煤的利用主要以直接燃烧发电为主，有效利用率低，能耗高和环境污染严重而制约着我国国民经济的发展。
为了合理利用这一宝贵资源，充分发挥其效益，避免使用时造成污染，首先，必须对煤的组成及性质有足够的了解。
特别是在进行煤的加工，例如气化、燃烧时，无论是根据煤种来选择工艺方法，还是有了成熟工艺方法来选择煤种，对煤的组成、性质及煤的种种特性的深入了解就更为重要。
而福建省拥有十几亿吨的煤炭贮量，但98%为低活性、高变质程度的劣质无烟煤，其挥发分低、着火点高、灰熔点低、粉碎性强及燃烧性差。
因此，如何合理有效利用这些劣质煤对发展地方经济及至中国煤炭能源的洁净转化具有特殊意义。
近些年世界各国都在致力于研究开发新型高效的煤联合循环发电技术，欧美现已开发的煤气化联合循环发电系统及其煤气化装置，技术上虽已完善，但将煤视为“单一”物质的完全气化，工艺条件过于苛刻。
随着煤气化理论和工业实践的不断发展，目前众多研究者认为若依据煤转化阶段反应性不同的特点，实施煤的热解、气化和燃烧分级转化，提高总体碳的利用率，则可使煤炭气化技术简单化而成本降低，且经济地解决燃煤中污染物的控制，从而产生了煤炭部分气化，燃烧集成方式联合生产煤气和热能的新概念。
目前有关煤部分气化、燃烧集成优化的评价模型还未见报道[1]-[3]。
当前，国外的煤气化技术大部分集中应用于煤粉洁净燃烧的电厂、化工等较大负荷环境中，且煤炭资源在发达国家的主要能源结构中并不占主导地位。
但是对于我国而言，由于解放后长期受西方技术封锁，以及我国资源分布的特点，以煤为原料的中小氮肥企业属于劳动密集型和符合我国能源分布特点的行业，占全国氮肥总产量的65%左右，并且造就了大批以煤为原料的间歇式气化生产氮肥企业，占世界同类型企业总数的90%。
由于存在着环境污染较大和当前原材料价格上涨等因素，因此在面对当前节能减排、降低生产成本的发展趋势下，采用符合我国国情的型煤连续富氧气化技术，是企业摆脱困境的解决办法。
面临目前煤的利用率低的问题，在提高利用率方面要首先从利用方式分析入手，从对煤的利用方式中有，如气化、燃烧等，实践证明气化方式对煤的利用比较全面，利用率高，在现代高科技的支持下更加环保、方便等。
本文着手于煤气化的研究，借助相应的软件进行仿真与分析，以求能在实际中更加充分利用煤资源。
煤的气化是洁净煤技术领域的主要研究方向之一,备受各国学术界和工程界的重视。
1.1.2煤气化方法:由煤制取气体燃料，用于居民住宅、商业及工业，已有一百多年的历史了。
然而，在第二次世界大战的年代里，由于发现和取得了大量的天然气，人们对煤的气化的兴趣也就随之衰退。
但是，近代由于能源紧张，又引起人们对它的注意，并致力于开拓新的煤气化方法。
由煤制气，按煤气的热值分类有：高热值煤气。
这种煤气与天然气或管道煤气一样，其热值为366/J 103.37~102.36m ⨯⨯（标）。
它的主要成分是甲烷和少量的一氧化碳、二氧化碳及氮气。
高热值煤气一般可与天然气互换，可集中进行大规模生产，然后，并入天然气管网。
因此，称为代替天然气（SNG ）。
特别适合于建立大型坑口煤气厂，煤气又需远距离输送，并有现存的天然气管网的国家和地区的需要。
中热值煤气，这种煤气的热值为366/J 104.22~101.10m ⨯⨯(标)。
靠近此热值下限的煤气，其主要成分是一氧化碳和氢气，少量的二氧化碳。
靠近此热值上限的煤气，除了含有一氧化碳和氢气之外，尚需有一定数量的甲烷和其他烃类。
由于中热值煤气燃烧迅速，火焰温度比天然气高，因而在机械制造工业上用途十分广泛。
但是，它不能并入天然气管网，因为它的一氧化碳含量很高，不能与天然气互换。
当然，这种缺陷可以采取一定得措施加以克服。
然而它的主要用途，在于综合性的工业区和大规模的机械制造工厂和建立区域性的煤气厂，为大、中城市提供城市煤气。
低热值煤气。
通常的热值为366J/m 106.5~104.3⨯⨯（标）。
它的可燃组分是一氧化碳和氢，然而这种一氧化碳和氢是被二氧化碳和氮气稀释了。
燃用这种煤气，除非所用空气经过高度预热，否则它的燃烧火焰温度是很低的，所以它的用途受到很大的限制[2]。
从煤气化方法中分析来看，本文着手分析的适合挑选低热值煤气法。
1.2 气化炉结构1.2.1 移动床气化炉煤从移动床气化炉炉顶加入，并向下移动，从炉底进入的气化剂（2O 和O H 2）逆流相遇。
加入的煤通常为常温。
水蒸气和空气可以预热，煤下移的速度通常为0.305~3.05m/h ，这由炉底排灰的速度来控制。
为了使煤在炉内的总停留时间为1~10h ，需保持料床高约为3.05m 。
一般来说，停留时间的长短是随着操作压力的增加而减短，而操作压力一般是常压到3.45×1000000Pa 的范围内。
由于煤沿气化炉下移，而受炉底燃烧层上来的气体加热。
这样就使得煤原料沿整个床层高度有一个温度分布。
如图1-1所示。
具体的温度值取决于各种因素，如气化炉的压力和煤的反应性等。
然而，最重要的是进入炉内的水蒸气与空气（或氧气）之比。
因为，水蒸气是用来限制炉内所能达到的最高温度的。
因而，这个比值又决定了是采用干法排灰还是采用熔融状的湿法排渣。
如果采用干法排灰，就得加入足够多的水蒸气，以达到灰渣熔融的温度。
相反，如果要求湿法排渣（液态排渣），水蒸气的数量就得大大减少。
图1-1气化炉内温度分布图1-1是从长期的实验与实际生产实践中得出的气化炉内温度分布状况，对于FLUENT软件的仿真模拟很有价值，是对照参考，判断仿真模拟出来的结果是否与实际情况相符合。