固定床熔渣氣化爐內(nèi)冷態(tài)氣固兩相流動(dòng)特性

杜 時(shí),樊俊杰,張忠孝,張樂(lè)宇

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

0 引 言

我國(guó)絕大部分煤用于直接或間接燃燒,不僅利用效率低,而且污染排放嚴(yán)重,實(shí)現(xiàn)煤高效燃燒與環(huán)保利用的最有效途徑就是煤氣化[1]。固定床煤氣化技術(shù),因具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)強(qiáng)度大、能量利用率高等特點(diǎn)備受現(xiàn)代煤化工企業(yè)的青睞[2-3]。其中液態(tài)排渣氣化爐氣化率高[4-6],但問(wèn)題在于我國(guó)煤儲(chǔ)量中有大量灰熔融溫度高于1 400℃的煤種,灰渣在熔渣氣化爐排渣口處易發(fā)生冷凝堵渣[7]。為了解決固定床氣化爐對(duì)高灰熔融溫度煤的適應(yīng)性問(wèn)題,在氣化劑噴嘴下部熔渣區(qū)域附近加設(shè)水冷式甲烷及氧氣噴嘴,采用交替布置CH4和O2噴嘴提供CH4和O2切向氣流在渣池附近混合燃燒為熔渣提供熱量,使灰渣順利排出。研究爐內(nèi)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)分布是有效設(shè)計(jì)高性能氣化爐或優(yōu)化爐膛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[8]。張生富等[9]建立高爐三維冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)了風(fēng)口直徑、鼓風(fēng)量對(duì)回旋區(qū)穿透深度及高度的影響;鐘思青等[10]利用Fluent模擬軸向流固定床內(nèi)流體的流動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)消除氣體的初始動(dòng)能使氣體在整個(gè)截面上的分布得到明顯的改善。

本文通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)固定床氣化爐爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)分布進(jìn)行分析研究,考察噴嘴角度、噴嘴速度等對(duì)流場(chǎng)分布的影響,為開(kāi)發(fā)適合我國(guó)高灰熔融溫度煤的液態(tài)排渣氣化工藝提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 固定床熔渣氣化爐內(nèi)氣固兩相流冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)及工況

為了方便對(duì)固定床氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量及觀察,根據(jù)相似?；碚?以BGL型實(shí)際處理900～1 100 t/d固定床氣化爐為原型,搭建了比例為1∶7.2的固定床熔渣氣化爐局部區(qū)域剖體冷態(tài)實(shí)物模型。在試驗(yàn)過(guò)程中,爐膛內(nèi)部填充滿(mǎn)保麗龍顆粒,采用多孔網(wǎng)的結(jié)構(gòu)密封出口,在防止顆粒逃逸的同時(shí),保證氣體在出口正常流出。冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于實(shí)際過(guò)程中氣體高速?gòu)膰娮焐淞鲊娙霠t膛,需高壓提供驅(qū)動(dòng)力,因此,氣化劑氣體由鋼瓶N2供給,為保證試驗(yàn)氣體流量穩(wěn)定供給,采用質(zhì)量流量控制器分別控制各支路氣體流量,觀察不同工況下射流深度及回流區(qū)變化。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 冷態(tài)試驗(yàn)及數(shù)值模擬工況Table 1 Cold test and numerical simulation conditions

2 固定床氣化爐數(shù)值建模

采用基于有限體積法(finite volume method)的CFD商用軟件Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算,物理模型與氣化爐冷態(tài)模型一致,噴嘴尺寸較小,且噴嘴氣速較高,故對(duì)噴嘴附近網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。氣化爐網(wǎng)格總數(shù)60萬(wàn)～70萬(wàn),如圖2所示。床層模型用以表達(dá)床層中氣、固相在氣化過(guò)程中的守恒關(guān)系,氣化爐內(nèi)氣化劑均勻供給;氣化床與底層爐排間無(wú)相對(duì)滑動(dòng),床料自身相對(duì)靜止,不出現(xiàn)攪拌、漏料等情況[11]。假設(shè)整個(gè)床層是由尺寸相同且均勻分布的球形顆粒構(gòu)成,即可采用多孔介質(zhì)模型來(lái)仿真物料床層結(jié)構(gòu)[12];本文料層采用各向同性的多孔介質(zhì)模型,通過(guò)在流體動(dòng)量方程中附加的動(dòng)量源項(xiàng),考慮流體通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)流體流動(dòng)所受的影響[13]。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k模型,進(jìn)口條件為速度進(jìn)口,出口條件為壓力出口。

圖2 軸截面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和噴嘴橫截面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.2 Shaft cross-section grid and nozzle cross-section grid structure

多孔介質(zhì)具有黏性阻力和慣性阻力,黏性阻力為滲透率的倒數(shù),可表示[14-15]為

慣性阻力C2可表示為

式中,a為滲透率,%;Dp為顆粒當(dāng)量直徑,m;ε為床層孔隙率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 噴嘴速度對(duì)料層內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響

實(shí)際固定床氣化爐氣化運(yùn)行過(guò)程中,爐內(nèi)填充有大量煤及煤焦顆粒,氣化劑高速射流進(jìn)入物料床層后,一方面高速射流氣體對(duì)噴嘴附近區(qū)域的煤焦顆粒具有一定的沖擊、擠壓作用,另一方面,在高溫條件下,氣化劑與煤焦顆粒發(fā)生劇烈燃燒、氣化反應(yīng),消耗一部分煤焦顆粒,促進(jìn)穿透區(qū)域的形成。不同噴嘴速度條件下料層內(nèi)部速度分布流線(xiàn)如圖3所示。由圖3可以看到,隨著氣體流量不斷增加,氣體射流速度不斷增加,雖然固定床氣化爐料層內(nèi)部流場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大的變化,但爐內(nèi)擾動(dòng)效果及回流效果得到強(qiáng)化,提高了爐內(nèi)空間利用效率。噴嘴水平布置時(shí)氣體射流速度對(duì)最大射流深度的影響如圖4所示。從圖4同樣可以看出,隨著氣體射流速度的不斷增加,氣體在物料內(nèi)部的穿透距離不斷加長(zhǎng)。噴嘴直徑為3 mm時(shí),當(dāng)氣體射流速度為80 m/s,氣體在料層內(nèi)部最大射流深度約為6.1 cm;當(dāng)氣體射流速度增加至180 m/s,氣體在料層內(nèi)部最大射流深度約為11.7 cm。通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)量比對(duì)分析,氣體在料層中達(dá)到最大射流穿透深度時(shí)對(duì)應(yīng)的速率為9 m/s。因此,為了方便觀察不同工況條件下最大射流穿透深度,同時(shí)避免因噴嘴速度和爐內(nèi)速度相差太大,造成速度梯度大而無(wú)法較好顯示固定床氣化爐內(nèi)流場(chǎng)分布,設(shè)定圖中速度顯示的最大速度為9 m/s。數(shù)值模擬結(jié)果與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果相似,模擬計(jì)算值比試驗(yàn)值偏大,原因在于試驗(yàn)中料層摩擦及靜電的作用造成黏性阻力及慣性阻力比理論值大,實(shí)際最大射流深度偏小。

圖3 不同噴嘴速度條件下料層內(nèi)部速度分布流線(xiàn)Fig.3 Streamline of velocity distribution inside material layer under different nozzle speed conditions

3.2 噴嘴下傾角度對(duì)料層內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響

圖4 噴嘴水平布置時(shí)氣體射流速度對(duì)最大射流深度的影響Fig.4 Effect of the velocity of gas jet on the maximum jet depth with nozzle arranged horizontally

不同噴嘴下傾角度條件下,氣體在料層內(nèi)部速度分布流線(xiàn)如圖5所示。隨著噴嘴下傾角度的增加,氣流徑向射流距離不斷減少,氣流向下流動(dòng)的份額不斷加大,在顆粒的作用下,氣流分布逐漸變得更均勻,強(qiáng)化了射流氣體周邊的擾動(dòng)效果,回流區(qū)范圍不斷增大,有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)影像圖,發(fā)現(xiàn)噴嘴上下形成了2個(gè)小的回流區(qū),隨著噴嘴下傾角度的增加,射流深度、回流區(qū)徑向深度及回流區(qū)高度呈不斷減小趨勢(shì),氣流分布均勻性得到改善,尤其在下傾角度較大時(shí),噴嘴界面氣體分布均勻性的改善尤為明顯。

圖5 不同噴嘴下傾角度下料層內(nèi)部速度分布流線(xiàn)Fig.5 Streamline of velocity distribution inside material layer under different nozzle dipping angle conditions

噴嘴下傾角度對(duì)料層內(nèi)部水平和噴嘴方向射流深度的影響如圖6所示。在噴嘴下傾角度不大時(shí),對(duì)料層內(nèi)部水平射流深度影響不大,但下傾角度進(jìn)一步增大時(shí),由于氣化爐底面對(duì)堆積顆粒的支撐作用,且徑向分量逐漸減小,料層內(nèi)部水平射流深度減小,在低速時(shí)尤為明顯。計(jì)算工況下,噴嘴下傾角度為20°和25°時(shí),料層內(nèi)部水平射流深度由7.9 cm降至7.0 cm。結(jié)合冷態(tài)均相空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)及模擬計(jì)算結(jié)果,通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),噴嘴下傾5°～10°時(shí),料層內(nèi)部水平方向射流穿透深度適中,爐內(nèi)流場(chǎng)分布較好。

3.3 噴嘴切圓布置對(duì)料層內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響

噴嘴下傾5°時(shí)切圓布置對(duì)固定床氣化爐料層內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響如圖7所示。隨著噴嘴切圓角度的增大,噴嘴對(duì)沖碰撞作用減小,氣流逐漸偏離徑向區(qū)域,當(dāng)氣流切圓旋轉(zhuǎn)15°時(shí),在噴嘴軸截面對(duì)置的兩射流氣流在中心軸沒(méi)有匯聚,噴嘴軸截面的速度分布云圖結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有改變。由于噴嘴的切圓旋轉(zhuǎn),噴嘴軸截面的回流區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,噴嘴軸截面氣體分布量逐漸變少,這主要是氣流偏轉(zhuǎn)造成的。由圖7看出,隨著噴嘴切圓角度的增加,射流氣流逐漸偏移徑向方向,橫截面中心軸位置逐漸出現(xiàn)氣流低速區(qū)(切圓15°工況)。對(duì)比分析不同噴嘴下切向角度對(duì)料層內(nèi)部噴嘴橫截面流場(chǎng)分布影響,發(fā)現(xiàn)計(jì)算工況條件下,當(dāng)切圓角度很大時(shí),雖然噴嘴切圓布置,但料層內(nèi)部氣體旋流效果相對(duì)均相較差,這主要是大量堆積的物料層的作用。

圖6 噴嘴下傾角度對(duì)料層內(nèi)部射流深度的影響Fig.6 Effect of nozzle dipping angle on the jet depth inside the material

圖7 噴嘴切圓布置時(shí)料層內(nèi)部和噴嘴徑向橫截面速度分布流線(xiàn)Fig.7 Streamline of velocity distribution inside material layer and radial cross section of nozzle with nozzle arranged tangent

噴嘴下傾5°時(shí)不同切圓角度布置時(shí)料層內(nèi)部射流穿透深度規(guī)律如圖8所示。當(dāng)噴嘴下傾5°時(shí),計(jì)算工況條件下,隨著噴嘴切圓旋轉(zhuǎn)角度的增加,噴嘴方向料層內(nèi)部射流穿透深度呈不斷增加趨勢(shì),當(dāng)噴嘴切圓旋轉(zhuǎn)角度增至5°～10°時(shí),料層內(nèi)部噴嘴方向射流穿透深度約8.63 cm。雖然當(dāng)噴嘴切圓旋轉(zhuǎn)角度增至15°時(shí),料層內(nèi)部噴嘴方向射流穿透深度約為8.72 cm,但水平方向射流穿透深度明顯下降。綜合考慮,計(jì)算工況條件下,為了達(dá)到較好的射流深度及爐內(nèi)流場(chǎng)分布,最優(yōu)工況為噴嘴下傾5°、切圓旋轉(zhuǎn)10°。

圖8 噴嘴切圓布置時(shí)料層內(nèi)部射流穿透深度規(guī)律Fig.8 Regular of jet penetration depth inside material layer with nozzle arranged tangent

4 結(jié) 論

1)隨著氣體射流速度的增加,氣體在物料內(nèi)部的穿透距離加長(zhǎng),爐內(nèi)擾動(dòng)效果及回流效果得到了強(qiáng)化,提高了氣化爐爐內(nèi)空間的利用效率。

2)噴嘴下傾角度增加,射流深度、回流區(qū)徑向深度及回流區(qū)高度減小。氣流徑向射流距離減少,氣流向下流動(dòng)的份額加大,在顆粒的作用下,氣流分布逐漸變得更均勻,有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。但隨著下傾角度的進(jìn)一步增大,料層內(nèi)部水平射流深度開(kāi)始減小。當(dāng)噴嘴下傾5°～10°時(shí)為最優(yōu)工況,料層內(nèi)部噴嘴方向射流穿透深度最大,爐內(nèi)流場(chǎng)分布較好。

3)隨著噴嘴切圓角度的增大,噴嘴對(duì)沖碰撞作用減小,氣流逐漸偏離徑向區(qū)域,噴嘴軸截面氣體分布量逐漸變少,料層內(nèi)部射流穿透深度呈先增大后減小趨勢(shì);綜合考慮,計(jì)算工況條件下,噴嘴下傾5°、切圓旋轉(zhuǎn)10°時(shí),爐內(nèi)流場(chǎng)分布效果相對(duì)最佳。

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