節(jié)煤煤氣發(fā)生爐

時間：2012-07-10作者：上?；挽跈C械科技有限公司瀏覽：42

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常壓固定床煤氣化發(fā)生爐內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)過程十分復雜。就傳質(zhì)來講，不僅有氣相和固相各自的本體運動，還有氣固相間、固相顆粒內(nèi)部向顆粒外部的傳質(zhì)過程。就傳熱而言，有氣固相間、氣固相與爐壁間、固相不同層面之間的各種傳熱過程。從機理上講，傳質(zhì)過程有擴散傳質(zhì)和對流傳質(zhì)，傳熱過程有傳導、對流和輻射等方式。傳熱過程包括以下各個步驟：
（1）顆粒內(nèi)傳導；
（2）相接觸的顆粒間傳導；
（3）顆粒間輻射；
（4）顆粒流體間的對流；
（5）顆粒向流體的輻射；
（6）流體內(nèi)傳導；
（7）流體內(nèi)輻射；
（8）流體混合；
（9）顆粒爐壁間傳導；
（10）顆粒爐壁間輻射；
（11）流體爐壁間對流；
（12）流體爐壁間輻射。
相對來講，傳質(zhì)過程就要簡單的多，其原因有以下三點：
（1）顆粒內(nèi)擴散經(jīng)?？梢院雎?；
（2）沒有向爐壁的傳質(zhì)；
（3）沒有與輻射傳熱相對應的傳質(zhì)方式。
傳熱與傳質(zhì)過程可能伴隨化學反應，也可能不伴隨化學反應。下面對常壓固定床煤氣化反應爐內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)進行簡單歸納。
氣體和固體的許多特性（如熱容、粘度、傳質(zhì)系數(shù)等）都是溫度和壓力的函數(shù)，當溫度變化范圍較小時，可以采用平均值的方式來簡化傳熱與傳質(zhì)的數(shù)學模型。但在煤氣化反應爐中，溫度沿床層高度的變化很大，因而**確定各種性質(zhì)與溫度之間的函數(shù)關系。
在簡單的一維均相模型中，床層向爐壁的傳熱可以用總傳熱系數(shù)來代表。目前文獻中采用的典型數(shù)值一般為15~35W/(m2?K)，即54~126kJ/(m2?h?k)。這樣的數(shù)值屬于強制對流范圍。也有的模型采用的數(shù)值較高一些，比如后面提到的Biba模型，為217kJ/(m2?h?k)。通過爐壁的熱耗主要來自氣相，也就是說，由于氣相在爐內(nèi)的運動速率很高，故其徑向有效導熱系數(shù)也很高。
床層向爐壁的總傳熱系數(shù)可以有不同的計算方法，除了選取經(jīng)驗值外，還可以由計算公式得到。比如用Li 和Finlayson給出的公式，或者由Hobbs等人給出的計算公式。由于煤粒在粒度和形狀上的多變性，再加上床層不同高度空隙率的不同，總傳熱系數(shù)很難**地求得，現(xiàn)有公式計算的理論值和實驗值之間的偏差達到20%以內(nèi)時便可以認為足夠**。
除了總傳熱系數(shù)以外，氣相和固相之間的傳熱系數(shù)也是一個很重要的參數(shù)。這一系數(shù)的計算要較困難一些，爐內(nèi)氣固相間傳熱的擾動、化學反應的存在、煤粒形狀的不規(guī)則都有可能帶來計算結(jié)果的偏差，有時候這種偏差甚至會高達幾十倍。1963年，Gupta 和Thodos給出了較好的計算公式，1986年Bhattacharya等人在建立固定床煤發(fā)生爐的數(shù)學模型時就采用了這一公式[16]。1992年Hobbs等人在計算這一系數(shù)時進行了簡化處理，假定沿整個床層的煤粒都是均一的。
1971年DeWasch 和Froment給出了一套數(shù)學公式，可以計算床層向爐壁的有效傳熱系數(shù)以及這一系數(shù)中氣相和固相各自的貢獻，Yagi也進行過這方面的研究，另外Hobbs等人也給出了一套復雜的計算公式，上面簡單回顧了傳熱過程的計算，現(xiàn)在來討論一下煤氣化反應爐內(nèi)的流速、升溫速率及床層空隙率。工業(yè)化Lurgi爐中煤的停留時間以小時計，而氣相的停留時間僅以秒計。
對常壓固定床煤氣化反應爐，其氣固相的運動線速度一般分別**3m/s和0.1m/s，對高壓常壓固定床煤氣化反應爐，其氣固相的運動速度一般分別**0.3m/s和0.15m/s。顯然，氣相線速度的急劇減小是因為壓力的存在大大壓縮了煤氣化反應爐中氣體的體積流速，而固相線速度的增加則是因為高壓操作時煤氣化反應爐的煤處理能力的增加。上面給出的線速度值僅為估計的平均線速度，實際上，氣相和固相在爐內(nèi)的線速度是不斷變化的。影響氣體運動線速度的因素有：①隨著反應的進行，氣體總量總是不斷增加；②壓力沿床層的變化；③溫度沿床層的變化；④床層空隙率的變化。隨著氣體自下而上的運動，雖然在燃燒區(qū)之后床層溫度是不斷降低的，但氣體總量的增加、壓力的降低以及床層空隙率的減小都會引起氣體線速度的增加。影響固體線速度的因素有：①隨著固體不斷失重而引起的固體質(zhì)量流速的減??；②床層空隙率的不斷增加。從物料衡算的觀點來分析，由于單位時間內(nèi)流入氣化反應爐和流出氣化反應爐的灰分量相等，而入口處的固體物流中灰分含量僅較多占到25%，出口處的固體物流中灰分含量卻要占到95%以上，顯然入口處的固體物流的質(zhì)量流量和體積流量均要大大降低，從而造成灰分區(qū)的運動線速度較低。
氣固相的升溫速度與反應器內(nèi)部的溫度分布及氣固相的停留時間有關。一般來講，氣相的升溫速度要比固相高出四個數(shù)量級。在燃燒區(qū)，由于多相氧化反應的劇烈進行，升溫速率較大，而在氣化區(qū)，氣固相的溫度變化要平緩的多。
關于煤氣化反應爐內(nèi)的壓力降，對于常壓操作的煤氣化反應爐，比如Wellman 和Galusha爐，一般僅為1.1kPa左右（~100mmH2O）；對于高壓操作的煤氣化反應爐，如Lurgi爐，Hobbs等人的模擬計算結(jié)果也在kPa數(shù)量級。因此，在模型計算中，除了進行動量守恒的計算外，假定煤氣化反應爐內(nèi)的壓力為恒定常數(shù)也可以得到足夠**的計算結(jié)果。
床層空隙率是指床層空隙體積與床層總體積之比。一般情況下，床層**部的空隙率為0.3，而底部的空隙率甚至可達0.7。床層**部的空隙率基本上可以由煤的堆積密度和顆粒密度求得。顯然，空隙率越大，氣體流動的阻力就越小，沿床層的壓降就越小。

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