頂置多噴嘴氣化爐點火燒嘴熄火可行性數值模擬研究

孫志田，李光，任冰濤

（1.山東明化投資控股集團有限公司，山東章丘250200；2.山東明泉新材料科技有限公司，山東章丘250200）

高壓干粉煤氣化爐為多噴嘴頂置形式，其燒嘴分為點火燒嘴和粉煤燒嘴。點火燒嘴位于氣化爐頂中心，周向均布3個粉煤燒嘴，燒嘴及氣化爐結構如下圖1所示。

圖1 燒嘴及氣化爐結構圖

氣化爐開車時，利用液化氣作為點火燒嘴的燃料氣，純氧為氧化劑，點火燒嘴點燃后持續(xù)燃燒，為氣化爐升壓升溫，當爐壓達到3.5～3.6MPa時投粉煤燒嘴。投煤后點火燒嘴在較小的功率下作為長明燈運行，此時利用循環(huán)回送的合成氣作為燒嘴的燃料。

合成氣是一種重要的化工原料氣，作為燃料直接燃燒掉會給企業(yè)帶來巨大的經濟損失，因此研究投煤后停掉點火燒嘴，僅對點火燒嘴通氮氣進行保護，氣化爐能否正常運行具有十分重要的意義。

1 數學方程

本文采用FLUENT軟件對粉煤氣化爐進行數值模擬。FLUENT是基于有限體積求解N-S方程的軟件包，從質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律出發(fā)，建立起湍流兩相多組分化學反應流動的控制方程組，包括氣相控制方程組和液相控制方程組；兩相之間的耦合則由氣/液相互作用的源項來描述；采用歐拉坐標系描述氣相方程；采用拉格朗日坐標系下的粒子軌道方法來模擬跟蹤液滴的運動[1]。

1.1 N-S方程組

選用包含多種組分、帶化學反應的雷諾平均、守恒型N-S方程作為氣體湍流流動、燃燒的控制方程，表示如下：

1.2 氣相控制方程

三維可壓兩相流內流場，氣相的控制方程為：

①連續(xù)方程：

②動量方程：

③能量方程：

④組分方程：

1.3 煤粉顆?？刂品匠?/h3>

氣體作為連續(xù)介質，煤粉顆粒作為離散系統(tǒng)，將煤粉分成有代表性的幾組離散顆粒，并用Lagrangian方法跟蹤這些離散顆粒在全流場中的運動和輸運，通過顆粒動力學方程求解顆粒軌道，耦合求解顆粒與氣相之間的質量、動量、能量交換來得到顆粒的溫度、半徑等參數的變化規(guī)律與氣相場。顆粒作用力平衡方程（顆粒慣性力＝作用在顆粒上各種力的合力）的形式為：

2 物理模型

2.1 湍流模型

本文選用標準k-ε模型，壁面函數采用標準壁面函數。標準k-ε模型是個半經驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率。k方程是個精確方程，ε方程是個由經驗公式導出的方程。

①湍流動能方程k：

②擴散方程ε：

C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε為模型常量，這些常量的取值從試驗中得來，對于模擬空氣、水大多數湍流情況都是適用的。

2.2 煤粉顆粒尺寸分布模型

煤粉顆粒分布的數學表達式有多種，在本文中采用的是Rosin-Rammler分布：

式中Ri是顆粒中顆粒直徑小于di的所有顆粒的累積質量占顆?？傎|量的百分數。

2.3 煤粉揮發(fā)酚蒸發(fā)模型

顆粒在達到揮發(fā)酚蒸發(fā)溫度之前，加熱規(guī)律由下式描述：

其中：Ap是顆粒表面積，T∞是當地氣體溫度，h是對流換熱系數。

2.4 熱輻射模型

氣化爐中火焰輻射、表面輻射換熱及導熱、對流與輻射的耦合問題都要應用輻射傳播方程。計算中采用了P-1輻射模型[2]。

其中a為吸收系數；σs為散射系數；G為入射輻射；C為線性各相異性相位函數系數。

2.5 煤粉顆粒工業(yè)分析

煤主要由三種成分組成：固體碳、揮發(fā)分和灰分。

采用的煤粉顆粒，工業(yè)分析如下：64%的碳，28%的揮發(fā)分，8%的灰分。

3 模擬結果與分析

本部分分別對熄滅點火燒嘴，通入保護氮氣量為90 Nm3/h、45 Nm3/h、22.5Nm3/h及0 Nm3/h四種工況進行計算，模擬熄滅點火燒嘴通入保護氮氣對氣化爐正常運行的影響。

3.1 通入90Nm3/h氮氣

圖2為通入90 Nm3/h氮氣時燒嘴頭部截面各個物理量分布云圖，從圖中可以看出N2主要分布在點火燒嘴噴孔中心附近；CO主要分布于粉煤燒嘴周圍，最高百分數為99.3%；火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上，火焰最高溫度為3810K，由于點火燒嘴熄滅通入保護氮氣，在點火燒嘴位置形成一低溫區(qū)；點火燒嘴位置流場并沒有因為保護氮氣的通入而產生回流區(qū)，整個燃燒室具有比較均勻的速度分布。

3.2 通入45Nm3/h氮氣

圖3為通入45Nm3/h氮氣時燒嘴頭部截面各個物理量分布云圖，從圖中可以看出N2主要分布在點火燒嘴噴孔中心附近；CO主要分布于粉煤燒嘴周圍，最高百分數為99.1%；火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上，火焰最高溫度為3500K，由于點火燒嘴熄滅通入保護氮氣，在點火燒嘴位置形成一低溫區(qū)，但是低溫區(qū)的溫度有所上升，達到了1400K左右；點火燒嘴位置流場并沒有因為保護氮氣的通入而產生回流區(qū)，整個燃燒室具有比較均勻的速度分布。

圖2 通入90 Nm3/h氮氣燒嘴頭部截面各個物理量

圖3 通入45Nm3/h氮氣燒嘴頭部截面各個物理量

3.3 通入0Nm3/h氮氣

圖4 為通入0Nm3/h氮氣時燒嘴頭部截面各個物理量分布云圖，從圖中可以看出N2不但分布在點火燒嘴噴孔中心附近，而且在粉煤燒嘴組成的三角區(qū)域外圍也分布一定氮氣；CO主要分布于粉煤燒嘴周圍，最高百分數為99.3%，但是總的平均摩爾分數降得更低；火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上，火焰最高溫度為3500K，由于點火燒嘴熄滅通入保護氮氣，在點火燒嘴位置形成一低溫區(qū)，但是低溫區(qū)的溫度有所上升，達到了2000K左右；點火燒嘴位置流場并沒有因為保護氮氣的通入而產生回流區(qū)，整個燃燒室具有比較均勻的速度分布。

3.4 不同工況對比分析

對比三種工況模擬結果發(fā)現，隨著中心點火燒嘴通入保護氮氣氣的流量減小，粉煤燒嘴組成的三角區(qū)域的燃燒溫度越來越高，這說明三個工藝燒嘴的火焰逐漸靠近中心區(qū)。另外還發(fā)現即使中心的點火燒嘴沒有通入保護氣進行保護，雖然頭部中心區(qū)的火焰高溫區(qū)已經非?？拷?，但仍然沒有發(fā)現溫度過高的區(qū)域，也沒有發(fā)現火焰偏燒的狀況。

圖4 通入0 Nm3/h氮氣燒嘴頭部截面各個物理量

綜合分析，當通入的保護氣流量小于45Nm3/h時，三個工藝燒嘴的火焰非?？拷?，高溫區(qū)的溫度已經超出了點火燒嘴頭部材料所能承受的最高溫度，故在實際運行中點火燒嘴的保護氮氣量不應該低于45Nm3/h。

4 結論

1）熄滅點火燒嘴，通入氮氣進行保護，粉煤燒嘴火焰不發(fā)生偏燒，粉煤燒嘴之間不會發(fā)生相互干擾。2）通入的氮氣應該具備一定的流量和速度，即射流剛度，才能實現保護氣作用，最低的保護氮氣量應該控制在45Nm3/h，一旦低于這個值很可能會對點火燒嘴和粉煤燒嘴造成雙重破壞。