第３１卷第１期２００８年１月
煤炭转化
Ｃ（）ＡＩ。ＣｏＮＶＥＲＳｌ０Ｎ
Ｖ０１．３１Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２００８
张志文Ｄ郭庆华２’于广锁３’于遵宏３’代松涛４’李兴龙４’
摘要基于多喷嘴对置热模实验平台，以柴油为模拟介质，对其气化过程进行了实验研究．采用水冷取样管，对气化炉喷嘴平面及轴线上方进行气体取样，经气体净化系统，由质谱仪实时在线分析．结果表明，喷嘴平面内，距中心５ｃｍ处，ＣＯ，ＣＯ。和Ｈ。浓度开始发生较大变化，即为火焰撞击区域，且该区域同由火焰图象拍摄结果一致；气化炉中心轴线方向，气体浓度曲线在距离中心２９ｃｍ处出现拐点，表明气化火焰高度与炉内径之比约为１．０．
关键词气流床气化炉，气体浓度，撞击火焰，热模平台
中图分类号ＴＱ５４５
０引言
世界原油价格暴涨，资源紧缺，而国内煤炭资源
相对丰富，为寻求高效、经济的能源开发技术，煤气
化成为缓解资源紧缺的解决方案．煤炭气化是指在
一定温度、压力条件下，利用气化剂（Ｏ。，Ｈ。Ｏ和
ＣＯ。）与煤炭反应生成洁净合成气，合成气可代替石
油和燃料，用来发电、供热、生产液体或气体燃
料．［１’２１多喷嘴对置式气化技术是气流床气化技术，代表着发展趋势，是在撞击流理论的基础上研究开发的一种新型气化技术，利用气体一粒或滴粒两相流沿轴向流动，并在两流体的中点处相互撞击以达到强化热、质传递的效果［３“］，撞击火焰为气化反应的核心区域．本文以柴油为模拟介质，基于实验室小型气化炉平台，实时地分析喷嘴平面径向以及轴向不同位置的气体浓度，并结合模拟温度场，分析了四喷嘴对撞火焰的形状特征及气化火焰高度．
１气化炉内的流场分布及反应机理
多喷嘴对置式气化炉的四个喷嘴安装在气化炉中上部的某一平面，并且互成９０。夹角．四喷嘴对置式冷模装置的测试结果表明［５］，气化炉内流场可划分为射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区．图１为气化炉流场示意图．
气化反应是串并联反应同时存在的极为复杂的
图１多喷嘴对置式气化炉流场不意图
Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｏｐｐｏｓｅｄ
ｍｕｌｔｉ—ｂｕｒｎｅｒｇａｓｉｆｉｅｒ
１——Ｊｅｔｆｌｏｗｒｅｇｉｏｎ；２——Ｈｉｔｒｅｇｉｏｎ；３——Ｈｉｔｆｌｏｗ；
４——Ｒｅｔｕｒｎｆｌｏｗｒｅｇｉｏｎ：５——Ｔｕｒｎｓｂａｃｋ
ｆｌｏｗｒｅｇｉｏｎ；６——Ｐｉｐｅｆｌｏｗｒｅｇｉｏｎ
反应体系，在气化炉内存在一次反应区、二次反应区及一次与二次反应共存区口］：
１）一次反应区．进入该区的反应物有氧气、燃料以及回流流股和折返流流股中ＣＯ和Ｈ。等．燃料人炉后，接受来自火焰、炉内壁、高温气体和炭黑颗粒等的辐射热，以及回流流股及折返流流股的热量，发生热裂解并释放出挥发分．裂解产物、挥发分及其他易燃组分在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧，放出大量热．这个过程进行得相当短促，主要发生在射流区与撞击区中，其结束的标志是氧消耗殆尽．２）二次反应区．即一次反应区的产物将进行二次反应，主要是生成ＣＯ和Ｈ。的气化反应，这也是有
＊国家重点基础研究发展规划（９７３）项目（２００４ＣＢ２１７７０３）、教育部新世纪人才支持计划项目（ＮＣＥＴ一０６—０４１６）和上海市曙光计划项目（０６ＳＧ３４）．
１）硕士生；２）博士生；３）教授、博士生导师，华东理工大学煤气化教育部重点实验室，２００２３７上海；４）工程师，江苏索普（集团）有限公司，２１２００６江苏镇江
收稿日期：２００７—０９—１２；修回日期：２００７—１０－２７
第１期张志文等多喷嘴气化炉气体浓度及撞击火焰高度分析
效气成分的重要来源区．
３）一次与二次反应共存区．多喷嘴对置式气化炉中射流区与撞击区、撞击流股、回流区、折返流区
共存，不时进行质量交换，再加湍流的随机性，射流区的反应组分及产物都有可能进人撞击区、撞击流股、回流区和折返流区，导致这些区域既进行一次反应，也进行二次反应．
２实验装置
２．１实验流程
撞击式气流床气化炉实验流程见图２．实验在常
图２撞击气化试验流程图
Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ１——Ｌｉｑｕｉｄｔａｎｋ；２——０２ｓｔｅｅｌｃｙｌｉｎｄｅｒ；３——Ａｒｇｏｎ
ｓｔｅｅｌｃｙｌｉｎｄｅｒ；４——Ｇｅａｒｐｕｍｐ；５——Ｇａｓｍａｓｓｆｌｏｗ
ｍｅｔｅｒ；６——Ｂｕｒｎｅｒ；７——Ｖｏｒｔｅｘｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；８——
Ｓｌａｇｄｉｓｃｈａｒｇｅ；９——Ｇａｓｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ；
１Ｏ——Ｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；１１——Ｃｏｍｐｕｔｅｒ；
１２——Ｆｌａｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
压下进行，用氧气作为氧化剂，柴油作为气化介质．气化炉内衬为刚玉管，外部为不锈钢外壳，中间隔有硅酸铝保温棉．不锈钢外壳内径为０．８Ｉｎ，高度为２．５ｍ．刚玉管直径为Ｄ３３０１Ｔｉｍ×１５ｉＴｌｍ，炉膛内径为３００ｍｍ，长度为２２００ｍｍ．炉侧面开有视镜，四个双通道喷嘴水平对置，炉壁不同的轴向位置装有热电偶，顶部装有火焰检测系统，实时监测火焰图象．氧气由氧气钢瓶提供，并由气体质量流量计控制计量后经喷嘴外通道进入气化炉炉膛内．柴油由美国Ｃｏｌｅ—Ｐａｒｍｅｒ公司的Ａ一７３００４一００４齿轮泵计量输送，经喷嘴内通道进入炉膛内，氧气与柴油在炉内进行剧烈的对撞气化燃烧，生成的合成气经激冷室冷却后放空．采用安徽大学特种电视技术研究中心生产的ＹＤ型内窥式工业电视系统对气化火焰拍摄图象，对炉内情况进行实时监控．其中松下公司ｗＶ—ＣＰ４７０系列彩数字ＣＣＤ摄像机安装在气化炉顶部．每次实验结束，用氩气吹扫，防止高温条件下残余的燃料在喷嘴内部结焦，堵塞喷嘴．
２．２气体采集分析系统
由于合成气的特殊性及其成分分析的重要性，气体采集分析系统的设计，需保证操作安全可靠，取样真实，响应快，分析精度高，维护量小．
１）气体采集装置。采用水冷不锈钢探头，从高温炉膛内连续取样，其结构见图３．探头在喷嘴平面
径向取样，可从炉壁伸到中心．
２）气体净化装置．气体分析预处理是关键．对样气进行预处理，使其达到质谱仪的进样要求．其流程见图３，气体样品由水冷探头取出后，首先进行过滤，滤去大部分碳黑，接着进行干燥、精密过滤进入取样泵，然后进入压缩机制冷器冷凝，冷凝水经三通针阀，由排水口排出；冷凝后的气体再经干燥器干燥、流量计计量后进人质谱仪．
图３气体采集系统
Ｆｉｇ．３Ｇａｓｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ防雨罩
煤炭转化
３）分析装置．采用英国ＨＩＤＥＮ公司生产的ＨＰＲ２０ＱＩＣ型气体分析质谱仪，可根据需要标定不同模板，对不同气体组分进行在线、实时、定量分析．本实验研究考虑气化炉内的主要气体成分，模板经标定后，能够对Ｃｏ，Ｃｏ：，Ｈ：，ＣＨ。，Ｏ：和Ａｒ定量分析，响应时间仅为１５Ｓ左右，分析精度为×１０－６级，保证了实验中对气化炉内的气体组分的实时监测．
３结果与试论３．１喷嘴平面火焰及气体浓度分析紧急呼叫
观测火焰时易产生视觉误差，是否有火焰存在，需要一定的标准来定性，不同的学者定义的标准不同．对于碳氢化合物，火焰的存在势必同主要氧化产物ＣＯ，ＣＯ。和Ｈ。浓度相关［７’８］，因此本实验研究在喷嘴平面，以取样探头与炉内壁相切为基准，沿径向测得不同位置的ＣＯ，ＣＯ：和Ｈ。的浓度分布，直到炉膛中心．实验条件见表１、
表１实验条件
Ｔａｂ１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
条件ｌ拍摄的火焰俯视图象及实时测得的气体
浓度分别见图４和图５．条件２拍摄的火焰俯视图象
及实时测得的气体浓度分别见图６和图７．
图４拍摄的火焰图象（条件１）
Ｆｉｇ．４Ｆｌａｍｅｉｍａｇｅ（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１）
ＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｍｅａＢｕｒｅｐｏｉｎｔｔｏｔｈｅ
ｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｂｕｍｅｒｐｌａｎｅ，Ｃｍ
图５不同位置下气体浓度（条件１）
Ｆｉｇ．５Ｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１）
沼气汽水分离器一——ｃ０２；●——ｃ０；▲——Ｈ２
由图４～图７可知，不同氧油比下的ＣＯ。，ＣＯ和Ｈ。气体浓度变化趋势一致，整个平面内，ＣＯ浓度均高于ＣＯ：，ＣＯ。浓度呈现先降低后基本不变的趋势，而ＣＯ浓度先升高后基本不变，Ｈ。浓度开始上升较
图６拍摄的火焰图象（条件２）
Ｆｉｇ．６Ｆｌａｍｅｉｍａｇｅ（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２）
ＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｅｍｍｅａＢｕｒｅｐｏｉｎｔｔｏｔｈｅ
ｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｂｕｒｎｅｒＤ１ａｎｅ／ｃｌｎ
图７不同位置下气体浓度（条件２）
Ｆｉｇ．７Ｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２）
、一——ｃ０２；●——ｃｏ；▲——Ｈ２
快，后渐渐缓慢．距炉膛中心约５ｃｒｎ处为一临界点，经火焰拍摄图象测定，正好为火焰边缘．表明对撞火焰在距中心５ｃｍ的圆形区域内形成了气化核心区域，该区域内，氧化较充分；区域外，Ｏ：缺乏，燃烧更不完全或无燃烧，最终形成梅花形状（见图４和图６）．但不同氧油比下各自体积分数发生变化．除氧油比的因素外，还由于气化炉的温度差异，导致气化反
应产生变化．
第１期张志文等多喷嘴气化炉气体浓度及撞击火焰高度分析３．．２多喷嘴气化炉火焰高度
众多学者提出化学火焰长度概念，盖顿等凹１定
义沿射流轴线方向燃料９９％完全燃烧的位置为化学
火焰长度；Ｈｏｔｔｅｌ等［１叩定义的化学火焰高度为沿轴
线方向ＣＯ与ＣＯ。的比值为０．１５的位置等．对于气
化炉，并不能使用上述用于燃烧方面的定义来表征
火焰长度．
在氧油比为１．３，温度为１２５０‘Ｃ左右时，以喷嘴平面中心为基准，沿轴线向上，测量气体浓度，其结果见图８．
墨
∞
基
皇
，
Ｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｍｅａｓｕｒｅ，ｐｏｉｎｔｔｏｔｈｅ
ｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｂｕｒｎｅｒｐｌａｎｅ１ｃｍ
图８轴向不Ｊ司位置气体浓度（条件１）Ｆｉｇ．８Ｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１）
■——ｃ０２；●——ｃ０；▲——Ｈ２
图８表明，喷嘴平面以上，沿轴线方向，在距喷嘴平面约２９ｃｒｉｌ处为一拐点，之前气体浓度变化相对明显，之后浓度变化相对缓和．将拐点左右浓度同上述喷嘴平面浓度比较可得，０ｃｍ～３０ｃｍ内气体浓度同原来喷嘴平面区域气体浓度接近，因此认为气化火焰高度约为２９ｃｍ．王增莹等口妇用Ｆｌｕｅｎｔ软件模拟计算气化炉中心温度和壁面温度（见图９），横坐标为气化炉高度，坐标原点在气化炉出口处，喷嘴平面在高度１．６ｍ处，约在１．３ｍ和１．９ｒｌｌ处分别出
图９气化炉中心和壁面温度曲线
Ｆｉｇ．９Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒａｎｄｔｈｅｗａｌｌｏｆｔｈｅｇａｓｉｆｉｅｒ
１——Ｃｅｎｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；２——Ｗａｌｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：３——Ｗａｌｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
现拐点，即气化火焰高度为３０ｃｒｎ．模拟结果进一步表明火焰高度与炉内径之比为１．０左右，验证了由气体浓度分析表征气化火焰高度的相对正确性．
４结论
１）喷嘴平面，炉壁至径向１０ｃｍ处间，各物质浓度基本不变．从径向１０ＣｌＴＩ处至炉膛中心，ＣＯ浓度逐渐下降，ＣＯ：浓度呈现上升趋势，在炉膛中心处达最大值，Ｈ。浓度逐渐降低，在炉中心处达最小值；实验中，在不同径向位置测得Ｏ。含量一直很低，表明多喷嘴对置气化炉在高温下气化反应非常迅速．２）不同氧油比下，喷嘴平面ＣＯ。，ＣＯ和Ｈ。气体浓度变化趋势一致，但各自体积分数发生改变，除氧油比的因素外，还由于气化炉的温度差异，导致气化反应产生不同，进而合成气成分不同．
３）多喷嘴对置气化炉，柴油气化火焰高度与炉内径之比约为１．０，为设计炉顶高度提供依据．
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ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＣＨＡＮＧＥＩＮＥＸＴＲＡＣＴＩＮＧＡＬＵＭＩＮＵＭ
ＦＲＯＭＨＩＧＨ—ＡＬＵＭＩＮＵＭＦＬＹＡＳＨ
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ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｒａｔｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｔ８５％．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｎｏｔｏｎｌｙ
ｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｌｅａｓｉｂｉｌｉｔｖｏｆ
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电网谐波治理装置ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｃｈ．
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ａｔｍｏｓｐｈｅｒｌｃＰｒｅｓｓｕｒｅ・Ｇａｓｓａｍｐｌｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｄｉａｌ
ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｂｕｒｎｅｒｐｌａｎｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
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ｇａｓｐｕｒｉｆｉｅｄｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｔｈｅｎａｎａｌｙｚｅｄｂＹｍａ８８ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｍＹＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２ｃｈａｎｇｅｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｖ
±１ｅｒｃｅｌｙｕｍｉｌ５ｃｍｏｆｆｓｉｄｅｔｈｅｇａｓｉｆｉｅｒｃｅｎｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｗａｓｃａｌｌｅｄｔｈｅｆｌａｍｅ
ｉｍｐｉｎｇｉｎｇｒｅｇｉｏｎ．Ｔｈｅ
ｐＪａｃｅｏｉｔｈｅｉｎｆｌｅｘｉｏｎｐ０Ｉｎｔｉｎｔｈｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｆｌａｒｅｅ
ｈｅｉｇｈｔｉｓｎｅａｒｌｖ
３０ｅｍ，ｓｏｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｆｌａｍｅ
ｈｅｉｇｈｔｔｏｔｈｅｇａｓｉｆｉｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｉｓａｂｏｕｔ１．０．
ＫＥＹＷＯＲＤＳｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ
ｇａｓｉｆｉｅｒ，ｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｉｍｐｉｎｇｉｎｇｆｌａｍｅ，ｈｏｔ－ｍｏｄｅｌｄｅｖｉｃｅ
