粉煤氣化爐噴嘴旋流數(shù)對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)及燃燒特性的影響

李柏賢，劉雪東，劉文明

（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164）

粉煤氣化爐噴嘴旋流數(shù)對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)及燃燒特性的影響

李柏賢，劉雪東，劉文明

（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164）

對(duì)帶旋流單噴嘴粉煤加壓氣化爐內(nèi)多相燃燒流場(chǎng)，建立二維旋流對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算采用渦耗散概念模型，同時(shí)考慮體積反應(yīng)和焦炭表面反應(yīng)，模擬多機(jī)理的湍流燃燒。通過(guò)改變噴嘴內(nèi)部旋流數(shù)進(jìn)行平行模擬，研究不同旋流數(shù)下?tīng)t內(nèi)流場(chǎng)的回流分布特性以及火焰的形態(tài)和分布等燃燒特性。結(jié)果表明：帶有旋流噴嘴的氣化爐，爐內(nèi)流場(chǎng)分布主要由中心回流區(qū)和外回流區(qū)的旋流渦構(gòu)成；旋流數(shù)增大導(dǎo)致軸向速度衰減加快，延長(zhǎng)了粉煤顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間，但旋流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致顆粒在爐頂聚集形成“死區(qū)”；旋流數(shù)S≤1.2時(shí)，火焰為錐子狀，爐內(nèi)整體高溫不利于氣化反應(yīng)；旋流數(shù)S≥1.6時(shí)，爐內(nèi)高溫區(qū)上移至爐頂，火焰呈扁平花瓣?duì)睿瑪U(kuò)散角過(guò)大容易形成回火；通過(guò)擬合高斯曲線(xiàn)得到本氣化爐最佳旋流數(shù)為1.4。

氣化爐；旋流數(shù)；燃燒特性；流場(chǎng)；數(shù)值模擬

0　引言

我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了我國(guó)必須立足國(guó)情，大力發(fā)展清潔煤技術(shù)。氣流床氣化技術(shù)由于其煤種適應(yīng)性強(qiáng)，煤炭轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于煤化工領(lǐng)域[1]。目前國(guó)內(nèi)外較為主流的氣流床氣化技術(shù)有Shell粉煤氣化技術(shù)、GSP粉煤氣化技術(shù)、Prenflo粉煤氣化技術(shù)和GE（Texaco）水煤漿氣化技術(shù)、Global E-Gas水煤漿氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐和分級(jí)供氧水煤漿氣化爐等[2]。

根據(jù)采用湍流燃燒模型的不同，氣化爐數(shù)值模擬技術(shù)大致可分為PDF模型、EBU模型和EDC模型三類(lèi)。許建良等[3]采用EDC模型對(duì)GSP氣化爐進(jìn)行模擬，分析爐內(nèi)同相化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并建立完整多相湍流反應(yīng)流動(dòng)模型模擬爐內(nèi)熱態(tài)氣化過(guò)程；吳玉新等[4]采用簡(jiǎn)化PDF模型對(duì)Texaco進(jìn)行三維數(shù)值模擬，詳細(xì)考察氣化爐運(yùn)行特性、顆粒在氣化爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)等對(duì)氣化過(guò)程的影響；周俊虎等[5]采用PDF與局部瞬時(shí)反應(yīng)平衡模型分 析氣化爐變工況時(shí)氣化運(yùn)行狀況，得出冷態(tài)條件下顆粒相和連續(xù)相的相互耦合以及速度場(chǎng)分布特性；Chen等[6]采用EBU模型對(duì)兩段式粉煤加壓氣化爐進(jìn)行三維模擬，得出不同爐體喉部直徑和旋流比對(duì)氣化爐軸向速度分布、溫度分布和組分濃度分布的影響；Watanabe等[7]采用EBU模型對(duì)兩段式氣化爐進(jìn)行三維模擬，得出不同氣化操作參數(shù)對(duì)氣化爐氣化效率的影響。

本文基于前人的研究基礎(chǔ)，以某工廠在役單噴嘴粉煤加壓氣化爐為對(duì)象，重點(diǎn)考察不同噴嘴旋流數(shù)對(duì)離散相和連續(xù)相耦合的速度場(chǎng)分布、火焰形態(tài)特征和顆粒停留的影響。本文提出采用旋流軸對(duì)稱(chēng)邊界的方法，在二維模型中考察流場(chǎng)內(nèi)切向速度等三維特征，為簡(jiǎn)化CFD數(shù)值仿真模擬提供一種思路，并得出噴嘴最佳旋流數(shù)，為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出一定指導(dǎo)意義。

1　模型的建立及材料參數(shù)

研究對(duì)象為某工廠在役的帶旋流單噴嘴粉煤氣化爐，氣化爐采用頂置單噴嘴進(jìn)料，噴嘴包括4個(gè)通道，呈同心圓結(jié)構(gòu)依次排布，圖1為四通道噴嘴簡(jiǎn)圖，表1為基本運(yùn)行參數(shù)。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，中心I通道和II通道旋流噴進(jìn)氧氣，IV通道進(jìn)水蒸汽，粉煤顆粒經(jīng)加壓旋流由CO2作為載體通過(guò)III通道與氣化劑（H2O和O2）匯合，從爐膛頂部噴嘴噴入爐內(nèi)空間。進(jìn)入爐內(nèi)的粉煤顆粒經(jīng)過(guò)裂解、脫揮發(fā)分、富氧燃燒、焦炭氣化等一系列復(fù)雜反應(yīng)，最終生成合成氣。

2　計(jì)算模型與計(jì)算方法

2.1物理模型與網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示，整體采用ICEM -CFD進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分。統(tǒng)一采用四邊形貼體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將整體計(jì)算域進(jìn)行分塊定義節(jié)點(diǎn)，其中沿爐體高度方向定義250個(gè)節(jié)點(diǎn)，筒體直徑方向定義80個(gè)節(jié)點(diǎn)?？紤]爐內(nèi)強(qiáng)旋流特性，對(duì)爐膛上半段中心部位網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，為保證計(jì)算精度同時(shí)兼顧運(yùn)算速度，分別建立1.44萬(wàn)、3.1萬(wàn)和7.28萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性比較，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析最終選擇3.1萬(wàn)網(wǎng)格，其中網(wǎng)格質(zhì)量大于0.95網(wǎng)格數(shù)占總網(wǎng)格數(shù)99%，最小角度≥45°滿(mǎn)足CFD計(jì)算要求。

圖1　噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1　氣化爐運(yùn)行參數(shù)

圖2　氣化爐網(wǎng)格

2.2數(shù)學(xué)模型

采用Realizable k-ε雙方程模型模擬氣相湍流場(chǎng)，其能精確地預(yù)測(cè)平面和圓形射流擴(kuò)散作用，對(duì)于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)具有更好的表現(xiàn)[8]。選用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬粉煤脫揮發(fā)分的速率；EDC渦耗散概念模型耦合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；焦炭與氣體間復(fù)雜的異相氣化反應(yīng)，采用以下方程統(tǒng)一考慮：C(s)+O2→CO,C(s)+CO2→CO,C(s)+H2→CH4, C(s)+H2O→CO+H2；氣固兩相之間的熱量交換采用P-1輻射換熱模型。

2.3計(jì)算方法

噴嘴入口邊界條件采用速度進(jìn)口，保持矢量合速度V合=60m·s-1不變，定義噴嘴旋流數(shù)S為切向速度與軸向速度比值，噴嘴入口直徑較小，忽略徑向速度分量，改變II通道中旋流數(shù)，對(duì)S=0.2，0.6，1.2，1.4，1.6，1.8進(jìn)行6組數(shù)值模擬；爐膛出口采用壓力出口，表壓為0MPa；壁面采用定溫壁面，1600K。壓力項(xiàng)采用PRESTO格式，動(dòng)量和湍流方程采用QUICK格式。

對(duì)于每組旋流數(shù)的計(jì)算過(guò)程分為三步：第一步進(jìn)行冷態(tài)模擬，將動(dòng)量方程松弛因子降為0.2，湍流方程松弛因子調(diào)為0.7，獲得初步收斂解；第二步添加化學(xué)反應(yīng)方程和輻射模型，添加DPM模型與冷態(tài)流場(chǎng)耦合，對(duì)噴嘴出口部分進(jìn)行點(diǎn)火，給定初始溫度2000K進(jìn)行熱態(tài)模擬；第三步，利用獲得初始解對(duì)壁面溫度重新設(shè)定，并提高動(dòng)量方程松弛因子加快收斂。

3　結(jié)果與分析

3.1噴嘴旋流數(shù)對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)的影響

3.1.1噴嘴旋流數(shù)對(duì)爐內(nèi)回流的影響

圖3為不同旋流數(shù)S下氣化爐內(nèi)顆粒跡線(xiàn)圖，從圖中可以看出，氣化爐內(nèi)旋流渦主要由中心回流區(qū)（圖中A）和外回流區(qū)構(gòu)成（圖中B），中心回流渦位于噴嘴下方，靠近中心軸線(xiàn)兩側(cè)，外回流渦分布在爐膛頂部?jī)山欠Q(chēng)為“角渦”。它的形成是由于進(jìn)入爐內(nèi)的流體射流半徑不斷增大，流體一定角度撞擊壁面形成折返流。部分流體折返回爐膛中心形成中心回流渦。從圖3中可以清楚地看出，當(dāng)旋流數(shù)S從0.2增加到1.8時(shí)，中心回流區(qū)內(nèi)的中心渦的形成起一定促進(jìn)作用：當(dāng)S=0.2時(shí)中心回流渦不明顯；當(dāng)0.6≤S≤1.4時(shí)有明顯的中心回流渦；當(dāng)S≥1.6時(shí)，中心回流渦不明顯。當(dāng)旋流數(shù)S從0.2增加到1.8時(shí)，外回流渦形成不斷受限。

圖3　氣化爐顆粒跡線(xiàn)圖

如圖3(f)所示，分別以中心回流和角渦的渦眼為中心形成2組相切的近似圓，并以切點(diǎn)與中心軸線(xiàn)頂點(diǎn)連線(xiàn)形成角度的兩倍定義為射流擴(kuò)散角α。圖4為不同旋流數(shù)下的射流擴(kuò)散角，從圖中可知隨著旋流數(shù)不斷擴(kuò)大，射流擴(kuò)散角不斷增大。最大射流擴(kuò)散角為115°時(shí)對(duì)應(yīng)于圖3(e)和(f)中旋流數(shù)S≥1.4，此時(shí)可以清楚看出擴(kuò)散的射流將角渦壓縮在爐頂封頭附近的有限空間內(nèi)。

圖4　不同旋流數(shù)下的射流擴(kuò)散角

3.1.2噴嘴旋流數(shù)對(duì)爐內(nèi)軸向速度的影響

噴嘴下方0.3m處為旋流集中區(qū)，圖5為不同旋流數(shù)下距離噴嘴0.3m處軸向速度沿徑向的分布云圖，由圖可知y=0和y=1處的軸向速度均為負(fù)值，爐內(nèi)中心軸線(xiàn)附近和爐壁附近存在回流，即為中心回流渦和“角渦”。隨著旋流數(shù)不斷增大，流體旋流強(qiáng)度不斷增加，中心軸線(xiàn)附近的最大軸向速度不斷衰減，并逐漸轉(zhuǎn)化為旋流所需的切向旋流速度，這與文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

粉煤憑借介質(zhì)流氣力攜帶進(jìn)入爐內(nèi)，旋流數(shù)增加導(dǎo)致切向速度增大，客觀上延長(zhǎng)了顆粒在燃燒區(qū)停留時(shí)間，有利于氣化反應(yīng)。但切向速度增大的同時(shí)也犧牲一部分軸向速度，由圖5可知旋流數(shù)增大時(shí)最大軸向速度衰減速度非常顯著，這同樣帶來(lái)顆粒氣相攜帶力不足，而在爐頂形成顆粒停留“死區(qū)”。

圖5　不同旋流數(shù)下距離噴嘴0.3m處的軸向速度沿徑向分布

3.1.3噴嘴旋流數(shù)對(duì)顆粒停留時(shí)間的影響

爐膛內(nèi)爐頂至距離噴嘴出口下方煤粉裂解和同相燃燒的劇烈反應(yīng)區(qū)，提高顆粒在此的停留時(shí)間對(duì)煤炭轉(zhuǎn)化率有重要影響[10]。圖6為爐膛距離噴嘴出口0.3m處截面上顆粒最短時(shí)間和平均停留時(shí)間圖。從圖中可以看出，隨著旋流數(shù)不斷增大，最短停留時(shí)間和平均停留時(shí)間都先增大后減小，在S=1.4時(shí)分別取得峰值0.92s和2.89s?？紤]旋流數(shù)S取值的不連續(xù)性，建立連續(xù)函數(shù)擬合不連續(xù)點(diǎn)可以獲得函數(shù)在區(qū)間[0.2,1.8]內(nèi)的極值，該點(diǎn)為理論上的旋流最佳值。圖7為平均停留時(shí)間和高斯擬合曲線(xiàn)圖，從圖中可以看出，在區(qū)間[0.2,1.8]內(nèi)兩者吻合較好，曲線(xiàn)在S=1.4略左處取得極大值，客觀上顆粒獲得了最大平均停留時(shí)間。

圖6　不同旋流數(shù)的顆粒最短和平均停留時(shí)間

圖7　平均停留時(shí)間和高斯擬合曲線(xiàn)

3.2噴嘴旋流數(shù)對(duì)爐內(nèi)燃燒場(chǎng)和組分場(chǎng)的影響

圖8為氣化爐內(nèi)溫度分布，從圖中可以看出，爐內(nèi)最高溫度為2900K范圍內(nèi)，位于火焰中心。當(dāng)旋流數(shù)S≤0.6時(shí)，中心火焰呈錐子狀分布，噴嘴下方的燃燒區(qū)溫度為2700K～2900K分布合理，但由于溫度梯度低導(dǎo)致?tīng)t膛溫度下降緩慢，出口部分溫度為2300K，這不利于爐膛下半段的氣化反應(yīng)，因?yàn)闅饣磻?yīng)屬于吸熱反應(yīng)，爐膛下半段應(yīng)處于低溫的氛圍中，必然由于燃燒區(qū)下移造成溫度過(guò)高，這阻礙了氣化反應(yīng)進(jìn)程；當(dāng)旋流數(shù)S≥1.4時(shí)，中心火焰開(kāi)始呈花瓣?duì)罘植?，爐內(nèi)高于2300K的溫度區(qū)整體上移，燃燒反應(yīng)區(qū)溫度高于氣化反應(yīng)區(qū)溫度，溫度場(chǎng)分布較為合理。

圖8　氣化爐溫度分布

圖9　不同旋流數(shù)下的火焰擴(kuò)散角

綜合射流擴(kuò)散角和火焰擴(kuò)散角的分析可知：射流擴(kuò)散角增大一方面有利于延長(zhǎng)反應(yīng)物停留時(shí)間，提高反應(yīng)效率；另一方面過(guò)大的射流角容易形成反應(yīng)物爐頂聚集形成“死區(qū)”，同時(shí)火焰擴(kuò)散角過(guò)大影響火焰軸向傳播，導(dǎo)致物料返混停留在角渦“死區(qū)”，易形成回火。

組分濃度分布和溫度分布是同一規(guī)律的不同表現(xiàn)，組分濃度分布能更加直接地表征爐內(nèi)溫度分布是否合理。圖10為S=1.4時(shí)的合成氣摩爾濃度，由圖可知爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)主要由燃燒區(qū)和氣化區(qū)組成，在燃燒區(qū)屬于富氧氛圍，揮發(fā)氣體在此劇烈燃燒產(chǎn)生如圖8(d)中所示的高溫，該區(qū)無(wú)合成氣CO和H2生成；氣化區(qū)內(nèi)粉煤揮發(fā)后的焦炭與水蒸氣發(fā)生氣化，吸收大量熱生成大量CO和H2。由此可見(jiàn)，一定范圍內(nèi)增大噴嘴旋流數(shù)可以穩(wěn)定燃燒場(chǎng)，有利于氣化爐內(nèi)的氣化進(jìn)程。

圖10　S=1.4 時(shí)的摩爾濃度分布

4　結(jié)論

本文采用Realizable k-ε雙方程模型，模擬不同旋流條件下的氣化爐內(nèi)多相湍流燃燒場(chǎng)，得出以下結(jié)論：

1）帶有旋流噴嘴的氣化爐，其內(nèi)部流場(chǎng)分布具有明顯的旋流特征，旋流渦主要由中心回流和外回流區(qū)構(gòu)成；流數(shù)S越大，對(duì)中心回流渦的形成起促進(jìn)作用，對(duì)外回流區(qū)內(nèi)“角渦”的形成起抑制作用。

2）旋流數(shù)S增大，射流擴(kuò)散角和火焰擴(kuò)散角增大，導(dǎo)致射流軸向速度衰減較快，一方面能延長(zhǎng)顆粒平均停留時(shí)間和最短停留時(shí)間，另一方面過(guò)大的旋流數(shù)容易使得反應(yīng)物在爐頂部集中形成死區(qū)。通過(guò)擬合高斯曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，本氣化爐最佳的旋流數(shù)S=1.4。

3）旋流數(shù)S＜1.4時(shí)，射流擴(kuò)散角和火焰擴(kuò)散角較小，中心火焰呈錐子狀分布，爐內(nèi)整體處于高溫狀態(tài)，不利于氣化反應(yīng)；當(dāng)旋流數(shù)S=1.4時(shí)，中心火焰呈花瓣?duì)罘植?，爐膛上半部分的燃燒區(qū)處于高溫狀態(tài)，有利于穩(wěn)定燃燒，促進(jìn)氣化進(jìn)程；當(dāng)旋流S≥1.6時(shí)，火焰扁平，物料返混停留在角渦“死區(qū)”，易形成回火。

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Effects of swirl number of the nozzle of the pulverized coal gasifier on flow field and combustion characteristics

LI Bai-xian, LIU Xue-dong, LIU Wen-ming

TQ171.6+25

A

1009-0134(2016)02-0100-04

2015-12-15

李柏賢（1990 -），男，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭突ぴO(shè)備結(jié)構(gòu)完整性。