德士古渣油气化技术

　　德士古渣油气化技术是先进的气化技术之一。其主要特点是在高温、高压的条件下，使渣油雾化，加入高纯氧，高速燃烧，*终生成以CO和H为主要组分的合成气。自我国引进德士古渣油气化炉以来，逐步开展对其设备、技术的消化吸收。其*佳操作条件的确定及进一步对结构进行的改造，都需要对气化炉内部的流动、燃烧过程进行研究。由于目前难以对德士古渣油气化炉进行热态实验，合理的选择是采用数值模拟方法数值模拟就具有较大的优越性。这是因为数值模拟具有耗费少、时间短、省人力、便于优化设计等优点，同时易于改变条件，能够反复模拟研究过程。采用数值方法对德士古渣油气化炉进行模拟计算的另一个目的是：了解渣油在德士古气化炉中的流动、燃烧规律，探讨对渣油燃烧效率影响的因素，为工厂实际运行的德士古渣油气化炉的优化操作提供一定的指导，并为对气化炉的结构改造提供理论基础。文献首次考虑了多种过程的耦合，采用了综合模型对德士古渣油气化炉进行数值模拟：其中包括用k-εRNG模型来模拟内部的湍流流动、简化的PDF模型模拟湍流燃烧的过程、颗粒轨道模型模拟气液两相流动，辐射传热模拟则采用离散坐标模型.关于该模型的详细情况请查阅文献本文采用该综合数学模型进行数值模拟时，参照了工厂实际运行的主要操作变量，改变入口水蒸汽和氧气的含量，对渣油在德士古气化炉燃烧室内的燃烧情况进行了研究。分别计算模拟了油-蒸汽混合物中，水蒸汽比例相对提高10%（摩尔含量）和20%以及氧气相对于渣油的比例提高5%和10%的情况。得到的模拟结果符合工厂实际工况。

　　2德士古渣油气化炉及其喷嘴的简要描述德士古渣油气化炉的燃烧室的基本尺寸.呈轴对称的圆筒形结构，高为4530mm，直径为1371mm.喷嘴入口处的扩散段为半球形，中部为圆筒形结构，其直径为1371mm，高度为3017mm.下端收紧为直径457mm，高度为423mm的圆筒形。燃烧室的设计压力是9.6MPa，炉膛反应温度为1350℃，操作压力8.7MPa.为了模拟的方便，我们采用轴对称计算。

　　实际上喷嘴周围有冷却用的绕管，工业用水在管中流动对其进行冷却，避免烧蚀喷嘴。本文只考虑对德士古渣油气化炉燃烧室内的燃烧反应进行模拟，并不模拟喷嘴本身，虽然燃烧喷嘴本身的结构贺阿特等：操作变量改变对德士古渣油气化炉燃烧影响的研究非常复杂，但由于其入口条件是恒定的，故实际上并不影响燃烧室内的燃烧反应状况。这样问题就可以集中在炉内的计算区域，为得到合理的模拟结果创造条件。计算时候采用的喷嘴结构，中心管通入氧气，渣油与蒸汽混合物由环隙加入。

　　3油与蒸汽的比例变化情况下的模拟结果及分析我们首先对设计工况下德士古气化炉燃烧室内部进行了模拟。这里只绘出15001700K的部分，因为实际上炉内的温度介于6803604K之间，范围跨度比较大，整个炉内温度场的平均值为1605K，与工厂提供的炉膛实际温度1623K非常接近。在喷嘴突扩处及燃烧炉收口处有明显的回流。

　　蒸汽与渣油的相对比例提高10%和20%时得到的CO摩尔分数分布曲线，代表着不同的燃烧室半径值，下面各图均相同。其变化趋势基本一致。在喷嘴入口阶段，CO的含量逐渐增多，随着轴向距离的增加，CO含量随之减少。在气化炉的下部低温段，可能由于大部分反应都已经完成，所以CO含量趋向稳定。随O含量的增多，CO含量趋于稳定值的轴向距离变长。

　　与渣油的相对比例提高10%和的摩尔分数分布曲线。与同样状况下CO的摩尔分数分布曲线相比，H的含量只有从少到多的增加过程，这是因为H在反应中仅作为产物出现，因此其含量沿x轴逐渐增多，直到稳定。随着水蒸汽含量的提高，H收敛为稳定值的轴向距离变长。而作为气化炉主要产物的CO和H总的含量，当水蒸汽相对于渣油的比例提高20%的时候比提高10%的时候还要少，这说明O含量过高，导致转化率降低。

　　操作变量改变对德士古渣油气化炉燃烧影响的研究对于渣油燃烧过程，工程上比较关注的是出口处温度和各种组分的含量。为水蒸汽在标准工况下及相对比例提高10%和20%时的燃烧室出口处温度和各种组分摩尔分数的数据。可以发现水蒸汽的增加使出口温度有一个极可能是由于蒸汽加强雾化使油滴细化所致的先增加后减小的变化过程，这种变化趋势得到工厂实际操作的技术人员的证实。水蒸气有所增加时，反应的转化率增大，目标产物的含量就增加，但如HO进一步增加，渣油进料相对减少，体系的反应当量比发生改变，将导致反应转化率下降，主产物含量减少。温度升高时，氧化反应进行得更完全，主产物CO和H含量增加。工厂正是利用这种对应关系对气化炉内的温度进行调节的。当检测发现出口处CH含量增多时，就认为燃烧炉内温度增高了，就采用调节水蒸汽的进料量方法进行降温。

　　4氧气与油-蒸汽混合物的比例变化情况下的模拟结果及分析模拟计算的氧气相对于渣油比例提高5%和10%时CO摩尔分数分布曲线，CO的变化趋势在O量改变的时候基本一致。同时从数据上看当O含量增加时CO的含量有所增加，这是因为O进量增加，反应向着氧化的方向进行得更加彻底，反应中得到的CO的量上就有所增加。

　　这种数值的变化程度大于O量改变的时候。当HO量增加的时候，渣油进量减少，相对来说，相当于增加了一部分氧化剂，但这时对总的燃烧反应影响程度要小于直接增加进量。O量的增加大大提高了燃烧效率，对产物各组分含量的影响比较大。从这点上来说，进料量中的渣油同氧气的相对比例对渣油燃烧效率及产物中主产物CO和H的相对含量影响比较大。

　　相对于渣油比例提高5%。和CO的分布曲线类似，在O含量增加时，H的变化趋势基本不变，这和CO摩尔分数分布曲线是一致的。同时的含量也随着O进料量的增加而增加。说明O的增加，提高了燃烧效率，主产物产量提高。

　　提高5%和10%时的燃烧室出口处温度和各种组分的摩尔分数的数据。可以看出当O量增加，燃烧室出口处的温度也随之升高，因为燃烧室内的温度取决于燃烧反应进行的程度，这种氧化剂的增加，大大提高了体系反应的氧化程度，使反应放热量增加，体系的温度就随之上升。同时从表2中也可以发现，O含量的改变，使目标产物CO和H的所占比例增加，而副产物H和炉渣（C）的比例均降低，原料的转化率增高，提高了燃烧的效率。因此提高O进料量有利于提高主产物产量。但随贺阿特等：操作变量改变对德士古渣油气化炉燃烧影响的研究着氧气量的增大，燃烧体系的温度增加比较明显，而燃烧室内的温度对德士古气化炉的正常生产、操作的安全性都有很大的影响，因此提高氧气量要非常谨慎。从表2中还可以看出，随着O进料量的增含量的增加比例不一样，这是因为O主要和渣油发生反应，对含碳组分的影响大于含氢组分，因此产物中CO所占比例增加比较大，H所占比例只是略有增加。

　　5结论文中采用对德士古渣油气化炉进行数值模拟的综合模型，对操作变量改变的情况进行了模拟计算，分别模拟了油-蒸汽混合物中，水蒸汽比例相对提高10%和20%（摩尔含量）的情况，氧气相对于渣油的比例提高5%和10%的情况。从计算模拟的结果上看，水蒸汽相对于渣油比例的提高，使渣油燃烧体系的温度和产物的转化率有个先增加后减少的变化过程。氧气相对渣油比例的提高将提高主产物在产物中的比例，提高转化率，但也同时提高了燃烧室内的温度。为提高原料的转化率，可以适当的提高水蒸汽在油-蒸汽混合物中的相对比例，并在温度的允许范围内尽量提高氧气与渣油的比例。