煤气发生炉

时间：2020-01-05

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常压固定床煤气化发生炉内部的传热、传质过程十分复杂。就传质来讲，不仅有气相和固相各自的本体运动，还有气固相间、固相颗粒内部向颗粒外部的传质过程。就传热而言，有气固相间、气固相与炉壁间、固相不同层面之间的各种传热过程。从机理上讲，传质过程有扩散传质和对流传质，传热过程有传导、对流和辐射等方式。传热过程包括以下各个步骤：
（1）颗粒内传导；
（2）相接触的颗粒间传导；
（3）颗粒间辐射；
（4）颗粒流体间的对流；
（5）颗粒向流体的辐射；
（6）流体内传导；
（7）流体内辐射；
（8）流体混合；
（9）颗粒炉壁间传导；
（10）颗粒炉壁间辐射；
（11）流体炉壁间对流；
（12）流体炉壁间辐射。
相对来讲，传质过程就要简单的多，其原因有以下三点：
（1）颗粒内扩散经常可以忽略；
（2）没有向炉壁的传质；
（3）没有与辐射传热相对应的传质方式。
传热与传质过程可能伴随化学反应，也可能不伴随化学反应。下面对常压固定床煤气化反应炉内部的传热与传质进行简单归纳。
气体和固体的许多特性（如热容、粘度、传质系数等）都是温度和压力的函数，当温度变化范围较小时，可以采用平均值的方式来简化传热与传质的数学模型。但在煤气化反应炉中，温度沿床层高度的变化很大，因而**确定各种性质与温度之间的函数关系。
在简单的一维均相模型中，床层向炉壁的传热可以用总传热系数来代表。目前文献中采用的典型数值一般为15~35W/(m2•K)，即54~126kJ/(m2•h•k)。这样的数值属于强制对流范围。也有的模型采用的数值更高一些，比如后面提到的Biba模型，为217kJ/(m2•h•k)。通过炉壁的热耗主要来自气相，也就是说，由于气相在炉内的运动速率很高，故其径向有效导热系数也很高。
床层向炉壁的总传热系数可以有不同的计算方法，除了选取经验值外，还可以由计算公式得到。比如用Li 和Finlayson给出的公式，或者由Hobbs等人给出的计算公式。由于煤粒在粒度和形状上的多变性，再加上床层不同高度空隙率的不同，总传热系数很难**地求得，现有公式计算的理论值和实验值之间的偏差达到20%以内时便可以认为足够**。
除了总传热系数以外，气相和固相之间的传热系数也是一个很重要的参数。这一系数的计算要更困难一些，炉内气固相间传热的扰动、化学反应的存在、煤粒形状的不规则都有可能带来计算结果的偏差，有时候这种偏差甚至会高达几十倍。1963年，Gupta 和Thodos给出了较好的计算公式，1986年Bhattacharya等人在建立固定床煤发生炉的数学模型时就采用了这一公式[16]。1992年Hobbs等人在计算这一系数时进行了简化处理，假定沿整个床层的煤粒都是均一的。
1971年DeWasch 和Froment给出了一套数学公式，可以计算床层向炉壁的有效传热系数以及这一系数中气相和固相各自的贡献，Yagi也进行过这方面的研究，另外Hobbs等人也给出了一套复杂的计算公式，上面简单回顾了传热过程的计算，现在来讨论一下煤气化反应炉内的流速、升温速率及床层空隙率。工业化Lurgi炉中煤的停留时间以小时计，而气相的停留时间仅以秒计。
对常压固定床煤气化反应炉，其气固相的运动线速度一般分别低于3m/s和0.1m/s，对高压常压固定床煤气化反应炉，其气固相的运动速度一般分别低于0.3m/s和0.15m/s。显然，气相线速度的急剧减小是因为压力的存在大大压缩了煤气化反应炉中气体的体积流速，而固相线速度的增加则是因为高压操作时煤气化反应炉的煤处理能力的增加。上面给出的线速度值仅为估计的平均线速度，实际上，气相和固相在炉内的线速度是不断变化的。影响气体运动线速度的因素有：①随着反应的进行，气体总量总是不断增加；②压力沿床层的变化；③温度沿床层的变化；④床层空隙率的变化。随着气体自下而上的运动，虽然在燃烧区之后床层温度是不断降低的，但气体总量的增加、压力的降低以及床层空隙率的减小都会引起气体线速度的增加。影响固体线速度的因素有：①随着固体不断失重而引起的固体质量流速的减小；②床层空隙率的不断增加。从物料衡算的观点来分析，由于单位时间内流入气化反应炉和流出气化反应炉的灰分量相等，而入口处的固体物流中灰分含量仅较多占到25%，出口处的固体物流中灰分含量却要占到95%以上，显然入口处的固体物流的质量流量和体积流量均要大大降低，从而造成灰分区的运动线速度较低。
气固相的升温速度与反应器内部的温度分布及气固相的停留时间有关。一般来讲，气相的升温速度要比固相高出四个数量级。在燃烧区，由于多相氧化反应的剧烈进行，升温速率较大，而在气化区，气固相的温度变化要平缓的多。
关于煤气化反应炉内的压力降，对于常压操作的煤气化反应炉，比如Wellman 和Galusha炉，一般仅为1.1kPa左右（~100mmH2O）；对于高压操作的煤气化反应炉，如Lurgi炉，Hobbs等人的模拟计算结果也在kPa数量级。因此，在模型计算中，除了进行动量守恒的计算外，假定煤气化反应炉内的压力为恒定常数也可以得到足够**的计算结果。
床层空隙率是指床层空隙体积与床层总体积之比。一般情况下，床层**部的空隙率为0.3，而底部的空隙率甚至可达0.7。床层**部的空隙率基本上可以由煤的堆积密度和颗粒密度求得。显然，空隙率越大，气体流动的阻力就越小，沿床层的压降就越小。

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