噴嘴結構對粉煤氣化過程影響的數值模擬

許榮杰， 夏 英， 胡修德， 匡建平， 夏支文， 李 平， 郭慶杰

(1.寧夏大學 化學化工學院 省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏 銀川 750021；2.寧夏神耀科技有限責任公司，寧夏 銀川 750000)

煤氣化技術是煤炭資源高效、清潔、合理利用的核心技術之一，而氣流床氣化技術對煤種適應范圍廣，是目前煤氣化的主流技術[1-2]。作為氣化裝置中的關鍵設備之一，氣化噴嘴的性能對氣化爐內流場分布、物料的混合和氣化工藝的穩(wěn)定性有著決定性的影響[3]。對氣化噴嘴進行優(yōu)化，使干煤粉在氣化爐內有良好的彌散分布，可以有效地提高氣化爐的氣化能力和氣化效率[4]。

通過實驗研究氣化爐內部流場、顆粒運動等規(guī)律條件復雜且耗費較大，計算流體力學(CFD， Computational fluid dynamics)數值模擬技術以其成本低、方便獲得流場信息等特質，近年來被廣泛應用于煤氣化技術的研究[5]。Vascellari等[6]采用Lagrange模型模擬氣流床氣化的顆粒相，采用EDM模型模擬氣相湍流反應，采用單步反應模型對脫揮發(fā)分進行數值模擬，得到溫度和主要組分在爐內的分布，預測和分析了氣化爐內的狀況并模擬了煤粉顆粒的氣化全過程。吳玉新等[7]對Texaco氣化爐進行了三維數值模擬，采用簡化PDF模型描述氣相湍流反應，得到了氣化爐內主要組分分布。畢大鵬等[8]對GSP氣化爐進行了模擬，并采用了雙組分PDF模型，得出爐內流場分為4個區(qū)域。許建良等[9]采用了EDC模型對GSP氣化爐進行二維模擬，得到了氣化爐的流場分布、物料分布以及溫度分布狀況。李平等[10]針對GSP氣化爐展開研究，采用Species Transport模型耦合湍流-化學反應作用，DPM模型描述顆粒彌散運動，對羊場灣煤進行三維多相流粉煤氣化數值模擬，計算結果與工業(yè)生產相吻合。郭偉等[11]對頂噴粉煤氣化爐流場特性進行了數值模擬，并分析了煤粉顆粒的運動軌跡、氣化室內的流場結構特點以及對傳熱和掛渣的影響規(guī)律。趙元琪等[12]對國產化組合燒嘴，從結構、工藝方面進行分析優(yōu)化，實際運行表明，新型干煤粉氣化組合燒嘴在安全性、穩(wěn)定性、經濟性等方面性能明顯提升。李偉鋒等[13]推導出旋流數的計算公式并用于定義氣化噴嘴的噴入方式。李柏賢等[14]直接以氣化劑入口的切向分量和軸向分量之比作為旋流數，并忽略徑向分量進行氣化爐模擬。雖然國內外學者運用CFD對煤氣化技術模擬研究取得了很多成果，但對氣化爐旋流入射與爐型適應性研究較少[4]，在粉煤氣化過程的模擬研究中為了減少計算量而簡化氣化噴嘴，導致粉煤氣化噴嘴結構對氣化過程的影響不能有效體現。

針對現用氣化技術及煤種煤質因素[15]，筆者對氣化噴嘴進行詳細建模，研究氣化噴嘴結構參數對干煤粉在氣化爐內的流體流動狀況、彌散效果及物料混合程度的影響規(guī)律，進行氣化噴嘴的結構優(yōu)化，以期有效提高氣化爐的氣化能力和氣化效率。

1 模擬對象及工況

以2000 t/d粉煤加壓氣化裝置為模擬對象，干煤粉進料、單燒嘴下行制氣，煤粉輸送采用CO2作為載氣，通過均勻分布的3根煤粉輸送管沿切向送入環(huán)狀煤粉通道，然后噴入氣化室內部[16]。煤粉輸送管線呈螺旋狀環(huán)繞在冷卻水通道外，在煤粉輸送過程中形成旋流，從而使煤粉進入氣化室后有更好的彌散性和混合性。氣化劑氧氣和水蒸氣經環(huán)形通道噴入，在氣化噴嘴環(huán)形通道出口處設置有旋流罩，旋流罩由12片沿氣化劑通道均勻分布的葉片構成。

表1 煤質分析數據Table 1 Properties of coal

1) Proximate analysis; 2) Ultimate analysis

Aad—The mass fraction of air-based ash; Mad—General analysis of the percentage of water quality test sample of coal; Vad—Dry ash-free mass fraction of volatile matter; FCad—Air drying base fixed carbon mass fraction;Qnet—Net calorific value

表2 氣化過程原料消耗及操作條件Table 2 Raw materials consumption and operating conditions of gasification process

2 模型的建立

2.1 幾何模型與網格

2.1.1 氣化噴嘴及氣化室?guī)缀文Ｐ?/p>

基于某煤氣化廠實際運行中的頂噴式干煤粉氣化爐尺寸對幾何模型進行合理簡化[17]，利用ANSYS/Workbench軟件對氣化爐的氣化噴嘴和氣化室建立幾何模型，如圖1所示。煤粉輸送通道為3根均勻分布順時針旋轉的螺旋管道，氣化劑通道為環(huán)形通道，在靠近出口處設置有旋流葉片，旋流葉片為逆時針方向旋轉。

圖1 氣化噴嘴及氣化室?guī)缀文Ｐ虵ig.1 Geometric models of gasification nozzel and chamber

2.1.2 不同結構氣化噴嘴模型的建立

在其他條件不變的前提下，通過改變氣化噴嘴中煤粉通道的旋轉角度(θ)以及氣化劑通道旋流罩的葉片安裝角度(α)來影響氣相的旋流流動和顆粒相的彌散性能，θ和α角見圖2。

煤粉通道旋轉角度(θ)的定義如式(1)所示：

所拍攝鳥類的獨立有效照片比獸類多，有230張(組)，共鑒定出9個物種，隸屬2目3科，以鶇科的種類最多(5種)。其中白鷴、黑領噪鹛、黑喉噪鹛的相對豐富度指數較高，其他種類出現頻率低，記錄均不足10次。

(1)

式中L1和L2如圖2所示：

圖2 煤粉通道旋轉角θ與旋流罩的葉片安裝角度αFig.2 Rotation angle θ of pulverized coal passage andswirling vane installation angle α

固定α角為30°，改變θ值，氣化噴嘴煤粉通道的幾何模型如圖3所示；固定θ角為60°，改變α值(當α=0°時，即無旋流葉片)，對應氣化噴嘴旋流葉片幾何模型如圖4所示。

圖3 不同θ值氣化噴嘴的幾何模型Fig.3 Geometric models of gasification nozzelwith different θ value(a) α=30°, θ=30°； (b) α=30°, θ=45°； (c) α=30°, θ=60°

2.1.3 計算網格劃分

采用非結構化四面體網格對各個模型進行網格劃分，并對氣化噴嘴及其出口處進行網格加密[18]，模型網格數量共計1382753個。

圖4 不同α值旋流葉片的幾何模型Fig.4 Geometric models of swirling vane with different α value(a) α=0°, θ=60°; (b) α=30°, θ=60°; (c) α=60°, θ=60°

2.2 數學模型

煤氣化過程包括煤的干燥和熱解、揮發(fā)分的燃燒以及焦炭氣化反應等復雜的物理和化學過程[10]。數值模擬計算基于Euler-Lagrangian理論，湍流流動計算采用Realizableκ-ε模型，采用Species Transport Model描述氣相湍流和化學反應的相互作用，彌散相計算選用DPM模型并根據煤粉的物性和操作條件設置射流條件。選擇P-1模型作為氣化過程模擬的熱輻射模型、EDC模型作為燃燒模型、Two-Competing-Rates模型作為脫揮發(fā)分模型[19]。煤氣化過程的主要反應及其動力學參數[20]見表3。

表3 煤氣化過程的主要反應及相關動力學參數Table 3 Main reactions and kinetic parameters

A—Pre-exponential factor;Ea—Activation energy;β—Temperature index

3 模擬結果分析

3.1 軸向速度與煤粉顆粒分布

通過冷態(tài)模擬得到α值、θ值的變化對流體流動狀態(tài)、氣化噴嘴的彌散效果以及物料混合情況的影響，后處理時選取通過氣化室?guī)缀文Ｐ突剞D軸線的截面進行分析[21]。

3.1.1 不同θ值的氣化噴嘴對氣化室內軸向速度和煤粉顆粒分布的影響

不同θ值模型的軸向速度分布如圖5所示。由圖5可見，物料從氣化噴嘴噴射出后受到旋流的影響快速地向氣化室徑向擴散，并逐漸擴散充滿整個氣化室。當θ=30°時，由于煤粉旋轉角度過小，噴嘴出口處的速度分布由與之方向相反的氣化劑旋流主導，導致彌散角過??；當θ=45°時，氣化噴嘴的彌散射程過長，在發(fā)生燃燒反應時會造成火焰過長，導致氣化室內溫度分布不合理；當θ=60°時，氣化噴嘴的彌散角最大、彌散射程適中，氣化室內無速度過大的流體對氣化室壁面進行沖刷。由此可知，隨著θ值的增大，氣化噴嘴出口的彌散角和流體向氣化室邊界處的擴散能力隨之增大，有利于熔渣掛壁。

不同θ值模型的煤粉顆粒分布如圖6所示。由圖6可見，當θ=30°時，氣化室頂部和中部煤粉顆粒濃度較小，“死區(qū)”面積較大，煤粉分布不均勻；當θ=45°時，“死區(qū)”的面積顯著減少，煤粉分布較為均勻。當θ=60°時，基本無“死區(qū)”存在，煤粉分布均勻，壁面處煤粉分布較好。由此可知，隨著θ值的增大，煤粉顆粒在氣化室內的分布越均勻，氣化室上部和靠近壁面處煤粉質量濃度明顯增大。

3.1.2 不同α值的氣化噴嘴對氣化室內軸向速度和煤粉顆粒分布的影響

不同α值模型的軸向速度分布如圖7所示。由圖7可見，當α=0°時，氣化劑通道無旋流，煤粉通道有旋流，煤粉彌散效果很差，可以判斷氣化劑的噴入方式對氣化室內整體流體流動影響更大；當氣化劑從氣化噴嘴直射進入氣化室，物料無法很好地向氣化室徑向擴散。當α=30°時，在氣化噴嘴出口處有合適的彌散角和彌散射程，物料能快速地向氣化室徑向擴散。當α=60°時，氣化劑旋流過于劇烈，彌散角過大，氣化噴嘴噴射出的物料直接對氣化室頂部壁面進行沖刷。由此可知，隨著α值的增大，氣化室內流體的旋流程度和擴散能力顯著增強。

圖5 不同θ值模型的軸向速度分布云圖Fig.5 Contour of axial velocity with different θ values(a) α=30°, θ=30°； (b) α=30°, θ=45°； (c) α=30°, θ=60°

圖6 不同θ值模型的煤粉顆粒質量濃度分布云圖Fig.6 Contour of coal particles mass concentration with different θ values(a) α=30°, θ=30°; (b) α=30°, θ=45°; (c) α=30°, θ=60°

但當α值過大時，旋流較為劇烈，軸向速度較大，氣化室頂部區(qū)域湍動劇烈。

不同α值模型的煤粉顆粒分布如圖8所示。由圖8可見，當α=0°時，由于氣化劑直射噴入旋流強度不夠，氣化室內煤粉顆?；亓餍。悍垲w粒大量沉積在氣化室下半部分，氣化室中心區(qū)煤粉顆粒濃度較小。當α=30°時，煤粉在氣化劑旋流的影響下，氣化室上部煤粉濃度高于下部，無明顯的沉積現象。當α=60°時，在強旋流的影響下，煤粉顆粒大量聚集在氣化室上半部分，尤其是氣化噴嘴周圍和氣化室頂部，易造成煤氣化反應時噴嘴和頂部壁面溫度過高，會有燒壞噴嘴和水冷壁的危險。由此可知，隨著α值的增大，煤粉顆粒有明顯向上回流的趨勢，氣化室上半部分煤粉濃度隨之增加。

圖8 不同α值模型的煤粉顆粒質量濃度分布云圖Fig.8 Contour of coal particles mass concentration with different α values(a) θ=60°, α=0°; (b) θ=60°, α=30°; (c) θ=60°, α=60°

綜上所述，在不改變其他條件的情況下，氣化室內速度場主要受α值變化的影響；而θ值的變化對氣化室內煤粉顆粒分布的影響要大于α值變化對其的影響。6個模型中氣化噴嘴θ=60°、α=30°時，煤粉顆粒的彌散性能最好、流體的速度分布和煤粉在氣化室內的濃度分布合理，具有合適的彌散角、彌散射程和物料停留時間，有利于GSP氣化爐氣化效率的提高。

3.2 流體流動方向及氣化劑分布

在θ=60°、α=30°噴嘴條件下，軸向速度矢量分布如圖9(a)所示。由圖9(a)可見，噴嘴出口的流體旋流效果明顯，迅速向氣化室徑向擴散，軸向速度分量很小。煤粉在旋流的作用下在氣化室內產生回流，增加了物料在氣化室內的停留時間，煤粉顆粒和氣化劑接觸更長，混合更加充分，煤氣化反應進行得更加完全，碳轉化率更高。

圖9 軸向速度矢量及氣化劑摩爾分數分布云圖Fig.9 Contour of axial velocity vector and gasification agent mole fraction distribution(a) Velocity vectors colored by velocity magnitude; (b) Mole fraction of O2; (c) Mole fraction of H2O

氣化劑O2和H2O的摩爾分數分布如圖9(b)和圖9(c)所示。由圖9(b)和圖9(c)可知，O2和H2O進入氣化室后均呈旋流狀態(tài)向氣化室徑向擴散，離開氣化噴嘴出口后O2摩爾分數迅速降低，燃燒過程中不會使火焰過長、高溫區(qū)域過大；氣化劑整體分布均勻，能與煤粉顆粒在氣化室中充分混合、反應。

3.3 氣化室溫度分布

氣化室內的溫度分布會影響煤氣化產品的組成和氣化爐的使用壽命[22]。在θ=60°、α=30°條件下，氣化室內的溫度分布如圖10所示，氣化噴嘴出口的高濃度O2與煤粉以及揮發(fā)分發(fā)生燃燒反應，存在明顯的高溫區(qū)，燃燒火焰溫度為2200～2300 K。氣化室內溫度分布較為均勻，主體溫度在1700 K左右，接近煤氣化反應的最佳溫度[23]；壁面溫度約為1500 K，羊場灣礦區(qū)煤樣的灰熔點(FT)為1621 K[24]，可滿足掛渣及液態(tài)排渣的要求。

3.4 煤氣化產物分析

煤氣化產物的主要組分有CO、H2、CH4和CO2等，其摩爾分數分布如圖11所示。氣化噴嘴出口處是氣化室內的高溫區(qū)，O2摩爾分數較高。該處主要發(fā)生的是燃燒反應，氣化產物摩爾分數顯著低于氣化室內其他部位。離開高溫區(qū)域后，CO和H2

圖10 氣化室溫度分布云圖Fig.10 Contour of temperature in the gasifierθ=60°； α=30°

的摩爾分數顯著增加，氣化室內的反應以焦炭的氣化反應為主導。

由于θ=60°、α=30°時的氣化噴嘴使氣化室內具有了良好的流場分布和物料分布，煤粉顆粒彌散效果好，分布均勻、氣化劑與煤粉顆粒混合均勻，反應充分。在接近氣化室出口時，煤氣化產物基本無濃度變化，煤氣化反應趨于平衡狀態(tài)。

圖11 煤氣化產物摩爾分數分布云圖Fig.11 Contour of gasification product mole fraction distribution(a) Mole fraction of CO; (b) Mole fraction of H2; (c) Mole fraction of CO2; (d) Mole fraction of CH4

3.5 結果驗證

通過熱態(tài)模擬得到煤氣化產物與工業(yè)生產中產物中主要組分進行對比，結果見表4。由表4可知，θ=60°、α=30°時的氣化噴嘴模型熱態(tài)模擬得出的煤氣化產物與工業(yè)生產狀況吻合，且指標優(yōu)于工業(yè)生產數據。由此可見，噴嘴結構的合理設計與優(yōu)化，對于提高氣化效率，提高碳轉化率具有明顯作用。

表4 煤氣化產物模擬結果與工業(yè)生產數據的對比Table 4 Comparison of the simulation resultsand industrial data

4 結 論

(1) 氣化噴嘴煤粉通道旋轉角θ與氣化劑通道旋流罩葉片安裝角度α對氣化室內氣-固兩相的混合影響較大。隨著θ角的增大，氣化噴嘴出口的彌散角和流體向氣化室邊界處的擴散能力隨之增大，氣化噴嘴的煤粉顆粒彌散性得到明顯提高；但θ值過大時，會導致氣化室頂部和壁面處煤粉濃度過大。隨著α角的增大，氣化室內流體的旋流程度和擴散能力顯著增強，煤粉顆粒有明顯向上回流的趨勢，氣化室上半部分煤粉濃度增加；但α值過大時，旋流過于劇烈，彌散角過大，氣化噴嘴高速噴射出的物料直接對氣化室頂部和壁面進行沖刷。

(2) 在不改變其他工藝條件的情況下，氣化室內流體的速度場主要受α值變化的影響；θ值的變化對氣化內煤粉顆粒分布的影響比α值變化對其的影響顯著。

(3) 當θ=60°、α=30°時，氣化噴嘴具有良好的彌散性能和物料混合性能。模擬結果表明，該結構參數的噴嘴，氣化室內流場分布更加有利于氣化過程的進行，目的產物CO和H2總摩爾分數可達91.6%，碳轉化率達到98.11%，有效提高了氣化效率。