脱油沥青气化过程及其在IGCC系统中的应用研究

【摘要】：以脱油沥青气化为核心的IGCC多联产系统中,气化是最为关键的技术,是整个系统的龙头。本文围绕脱油沥青气化这一核心,通过大型冷模装置研究了烧嘴雾化性能、烧嘴与炉体匹配形成的流场特征,分析了脱油沥青气化反应特征,通过数值模拟研究考察了炉内的温度、浓度分布,讨论了工艺条件对气化过程的影响,以此为基础开发了新的脱油沥青气化烧嘴,并进行了工业运行试验,同时应用ASPEN软件对以脱油沥青为原料的IGCC-制氢多联产全系统进行模拟与优化。主要内容如下： 1.表征了脱油沥青的流变性及粘温特性,选择与其物性相近的甘油液体作为模拟介质,采用马尔文激光测粒仪对多通道脱油沥青气化烧嘴的雾化性能进行了实验研究。结果表明,以水和空气为介质,该烧嘴的雾化角约为200,雾化平均滴径(SMD)不超过100μm,具有较好的雾化特性。用高速摄像仪和图像处理软件,对液滴在不同条件下的破裂模式、特征长度、破裂时间等进行了详细研究分析,探讨了液滴的二次雾化机理。 2.在Φ1000的大型冷模装置上,采用激光多普勒动态粒子分析仪测定了气化炉速度分布与湍流强度,结果表明,在气化炉上部轴向和径向速度梯度显著,存在明显的回流区。基于Realizable k-ε模型,对气化炉的冷态速度分布和停留时间分布进行了模拟计算,模拟值与实验值吻合良好。 3.基于冷模研究,结合工业实际,对气化过程进行了分析,建立了数学模型,对气化炉内湍流反应流动进行了数值模拟,得到了炉内速度分布、温度分布、浓度分布,结果表明,气化炉内为一受限射流流场,射流区和回流区位于烧嘴出口和1/2直段高度之间,最外通道的保护蒸汽能有效降低喷嘴端面附近的温度。脱油沥青气化过程的分析和工艺模拟结果表明,氧沥青比每升高0.01,气化炉温度约上升25～35℃；有效气产率随氧沥青比变化有一最佳值,视蒸汽沥青比不同,对应的氧沥青比范围在0.66-0.68之间；蒸汽沥青比每升高0.05,气化炉出口温度约下降15～20℃。 4.针对现有气化炉气化烧嘴寿命短、喷口烧蚀的问题,基于雾化实验、流场实验和数值模拟的研究,提出了新型脱油沥青气化烧嘴结构。该烧嘴的基本构思是在氧气和脱油沥青之间形成了一个蒸汽膜,可以避免氧气和脱油沥青在烧嘴端部的燃烧。工业试验表明新型烧嘴拥有良好的工艺性能,其预期寿命明显提高,气化炉内温度分布更加合理,气化系统耗氧降低约4%左右,气化系统蒸汽耗量降低约12%左右。 5.应用ASPEN软件,对脱油沥青气化IGCC多联产系统进行了模拟计算,考察了各种因素对IGCC发电效率的影响。在此基础上,提出了IGCC系统的优化工艺方案。