煤氣化裝置中的粉煤流量調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬研究

陳美華， 陸海峰， 郭曉鐳， 龔 欣

（華東理工大學(xué)上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

煤氣化技術(shù)是煤化工中實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的重要手段[1-2]。在粉煤氣化工藝中，粉煤管線的穩(wěn)定對(duì)工藝指標(biāo)、氣化效率等起到至關(guān)重要的作用[3]。為滿足氣化爐在不同負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，需要相應(yīng)地調(diào)整入爐煤量和氧量。在國內(nèi)外粉煤氣化工藝上，一般都采用粉煤流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)粉煤流量[4-5]。然而，由于粉煤輸送單元中閥門操作條件惡劣、閥門動(dòng)作頻繁，煤化工中閥門極易損壞，制約了煤氣化裝置的長周期運(yùn)行[6-7]。人們?cè)趯?duì)該調(diào)節(jié)閥的性能及其在粉煤輸送系統(tǒng)中的作用等方面的研究、分析還很不夠，尤其對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)特征的研究鮮見報(bào)道。

在已有的文獻(xiàn)報(bào)道中，研究者們大多借助實(shí)驗(yàn)的手段開展粉煤流量調(diào)節(jié)閥特性研究。例如，熊焱軍等[8]研究了3 種不同結(jié)構(gòu)閥芯的粉煤調(diào)節(jié)閥的性能。林雯等[9]對(duì)Shell 煤氣化裝置中粉煤調(diào)節(jié)閥性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)粉煤調(diào)節(jié)閥在開度40%左右已達(dá)到滿負(fù)荷。王潔等[5]對(duì)失效的粉煤調(diào)節(jié)閥解體得知該閥出現(xiàn)的主要問題是閥內(nèi)件易被沖損。實(shí)際流動(dòng)過程中，顆粒、流體、管壁之間的碰撞和摩擦十分劇烈，導(dǎo)致閥內(nèi)壓力和流速劇烈變化[10-11]，然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法只能獲得流量和壓力信號(hào)[8-9]，無法對(duì)閥門流動(dòng)特征進(jìn)行分析。數(shù)值模擬方法是目前研究流體內(nèi)部流動(dòng)特征的主流方法，通過數(shù)值模擬可以獲取大量實(shí)驗(yàn)都無法測量的詳細(xì)信息[12]。因此，本文擬借助數(shù)值模擬的手段開展調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場特性研究，以了解氣固兩相流經(jīng)閥門時(shí)的內(nèi)部情況，為調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝操作控制等提供借鑒。

氣固兩相的數(shù)值模擬方法主要有歐拉-歐拉模型和歐拉-拉格朗日模型。歐拉-歐拉模型[13]將固相顆粒視為擬流體，用平均顆粒粒徑代替粒徑分布會(huì)導(dǎo)致較大的計(jì)算誤差；傳統(tǒng)的歐拉-拉格朗日模型例如離散元方法(Discrete Element Method，DEM)[14]雖然適合較寬范圍顆粒形狀、粒徑和速度，但其計(jì)算效率受計(jì)算顆粒數(shù)量限制，難以應(yīng)用于實(shí)際操作和連續(xù)計(jì)算。計(jì)算顆粒流體動(dòng)力學(xué)(CPFD)是基于多相質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法 (Multiphase Particle-in-Cell Model，MP-PIC)提出[15-16]，本質(zhì)上屬于歐拉-拉格朗日模型。在CPFD 計(jì)算中，數(shù)值計(jì)算的顆粒不是物理意義上的顆粒，而是將具有相同密度、溫度、尺寸等屬性的顆粒打包為“計(jì)算顆粒(Computational Particle)”，從而使得CPFD 能夠處理包含數(shù)億個(gè)粒子的氣固系統(tǒng)[17]。此外，CPFD 方法中采用了實(shí)際的顆粒粒徑分布，將氣固兩相間的相互作用描述得更真實(shí)[18]。

本文利用CPFD 數(shù)值模擬方法對(duì)包含數(shù)億個(gè)粒子的氣固兩相系統(tǒng)的工業(yè)規(guī)模粉煤流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行研究，首先探究了CPFD 方法在該三維氣固兩相模擬中的適用性；然后基于CPFD 方法預(yù)測不同開度下粉煤流量，獲得閥門流量特性曲線；最后著重分析了不同開度下閥門的流動(dòng)特性參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)及模擬條件

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氣化爐運(yùn)行時(shí)，煤粉輸送系統(tǒng)的總壓降約為0.9 MPa，粉煤調(diào)節(jié)閥壓降占輸送系統(tǒng)總壓降的70%～80%，是該輸送系統(tǒng)的重要阻力部件[19]。粉煤流量調(diào)節(jié)閥為角式調(diào)節(jié)閥，如圖1(a)所示。進(jìn)口垂直向下，進(jìn)出口夾角為120°。閥芯是粉煤調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵部位，如圖1(b)所示。閥芯為杯口狀，側(cè)壁開槽。粉煤顆粒進(jìn)入閥門后垂直落入閥芯杯口，然后通過側(cè)壁的斜槽流出閥門，閥芯上下移動(dòng)改變節(jié)流面積，從而改變粉煤流量[20]。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況及實(shí)驗(yàn)物料

表1 給出了氣化爐在滿負(fù)荷和60%負(fù)荷條件下運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)。滿負(fù)荷狀態(tài)是指氣化爐的煤粉處理能力達(dá)到設(shè)計(jì)值的狀態(tài)。本文研究的粉煤氣化裝置的氣化壓力大約為4.0 MPa，氣化爐的煤粉處理能力為2 000 t/d，需要4 路煤粉輸送管線同時(shí)輸送，因此在氣化爐滿負(fù)荷狀態(tài)下單路管線的煤粉輸送量約為20 t/h。由表1 見，在粉煤氣化裝置上40%開度下調(diào)節(jié)閥基本達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)，16%開度為調(diào)節(jié)閥受供氧量制約而保持的常開狀態(tài)，對(duì)應(yīng)約70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氣化爐負(fù)荷[19]。

煤氣化裝置的氣化用煤為混配煤，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%石灰石作為助熔劑。通過真密度分析儀(Accupyc 1330 pycnometer, Micromeritics Instrument Corporation 公司)測得顆粒密度為1 400 kg/m3。通過粉體特性測試儀(PT-X, Hosokawa Micron Corporation公司)測得粉煤松裝密度為525 kg/m3，振實(shí)密度為982 kg/m3，通過馬爾文激光粒度儀(Malvern 2000 MU,Malvern Panalytical 公司)測得粉煤的體積平均粒徑為48 μm，粉煤粒徑的分布曲線見圖2。

1.3 模擬設(shè)置

圖 1 (a) 粉煤流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)；(b) 閥芯的幾何模型Fig. 1 (a) Structure of regulating valve for pulverized coal; (b) Geometric model of the valve plug

表 1 氣化爐在滿負(fù)荷和60%負(fù)荷條件下的工況條件Table 1 Operation conditions gasifier under full load and 60% (mass fraction) load

圖 2 粒徑分布曲線Fig. 2 Curve of particle size distribution

依據(jù)圖1 給出的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)建立如圖3 所示的三維流道模型，用于粉煤調(diào)節(jié)閥的氣固流動(dòng)特性數(shù)值模擬研究。定義閥門全關(guān)時(shí)的行程為0 mm，閥門開啟后閥芯向下運(yùn)動(dòng)，16%和40%的開度分別對(duì)應(yīng)的閥芯下移距離為10.2 mm 和25.6 mm。粉煤流量調(diào)節(jié)閥出口設(shè)置了1 000 mm 的直管段，用于研究粉煤流經(jīng)調(diào)節(jié)閥后的氣固流動(dòng)特性。調(diào)節(jié)閥模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)設(shè)置分別見表2 和表3。經(jīng)無關(guān)性驗(yàn)證后選取6×105網(wǎng)格用于數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算的初始和邊界條件如下：(1)初始條件：輸送前給料罐的出料閥關(guān)閉，管道內(nèi)部均勻充滿高壓氮?dú)猓浔韷杭s為4.60 MPa。(2)邊界條件：閥門入口定義為入口流動(dòng)邊界，進(jìn)口粉煤輸送量見表1；直管末端定義為出口壓力邊界，出口壓力由發(fā)料罐壓力和調(diào)節(jié)閥壓降的差值得到。計(jì)算時(shí)間步長為0.000 1 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

圖 3 粉煤流量控制閥的幾何模型Fig. 3 Geometric model of regulating valve for pulverized coal

表 2 粉煤調(diào)節(jié)閥模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Main structural parameters of regulating valve model for pulverized coal

表 3 模擬材料參數(shù)設(shè)置Table 3 Material parameters setting for simulation

為了驗(yàn)證CPFD 數(shù)值模擬對(duì)粉煤調(diào)節(jié)閥氣固兩相流動(dòng)過程的有效性，本研究對(duì)表1 所給出的工況展開數(shù)值模擬研究，并對(duì)調(diào)節(jié)閥壓降、粉煤速度和粉煤質(zhì)量濃度與表1 給出的相應(yīng)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4。首先在宏觀上對(duì)調(diào)節(jié)閥壓降結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬所得調(diào)節(jié)閥壓降與實(shí)驗(yàn)的最大誤差為17.5%。圖4 同時(shí)也給出了穩(wěn)定輸送時(shí)調(diào)節(jié)閥出口處粉煤速度和粉煤質(zhì)量濃度的對(duì)比結(jié)果。由圖可知在模擬達(dá)到穩(wěn)定輸送時(shí)，粉煤速度和粉煤質(zhì)量濃度模擬結(jié)果偏差在±5.0%誤差范圍內(nèi)，說明通過CPFD 數(shù)值模擬可以獲取粉煤顆粒流經(jīng)調(diào)節(jié)閥過程的微觀流動(dòng)信息。綜上，CPFD 數(shù)值模擬適用于模擬粉煤流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥的氣固兩相流動(dòng)過程，并且能有效預(yù)測管內(nèi)的顆粒流速和粉煤質(zhì)量濃度，但是對(duì)壓降的預(yù)測結(jié)果誤差相對(duì)較大，進(jìn)一步說明調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)研究的重要性。

圖 4 模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig. 4 Comparison between simulated and experimental values

2.2 流量預(yù)測

調(diào)節(jié)閥的流量特性是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)之一，為了對(duì)粉煤流量調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行預(yù)測，建立了圖5 所示的計(jì)算框圖，具體計(jì)算步驟為：

(1) 計(jì)算開始時(shí)，給定開度、進(jìn)口壓力Pi(即給料罐壓力)，并基于文獻(xiàn)[19]實(shí)驗(yàn)中獲得的調(diào)節(jié)閥壓降特性曲線(調(diào)節(jié)閥的壓降與開度的關(guān)系為ΔP=4.17e-0.078x，其 中 ΔP 為 調(diào) 節(jié) 閥 的 壓 降 (MPa)，x 為 閥 門 開 度(%))得到調(diào)節(jié)閥壓降ΔP；

(2) 假定粉煤的初始質(zhì)量流量為mi，利用驗(yàn)證后的CPFD 模型展開數(shù)值模擬，獲得調(diào)節(jié)閥的出口壓力Po和調(diào)節(jié)閥壓降|Pi-Po|；

利用圖5 所示的計(jì)算框圖對(duì)10%～40%開度的調(diào)節(jié)閥展開流量預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見圖6。由圖6 可知，隨著調(diào)節(jié)閥開度的增大，粉煤輸送量也隨之增大。這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥開度增大對(duì)應(yīng)著流動(dòng)通道增大，流動(dòng)阻力減小。CPFD 數(shù)值模擬的粉煤流量預(yù)測結(jié)果隨開度變化趨勢與實(shí)際工業(yè)中調(diào)節(jié)閥隨開度的變化趨勢相同，但粉煤流量預(yù)測值略小于實(shí)驗(yàn)值，誤差范圍在10%以內(nèi)。預(yù)測偏差的緣由可能是：(1)實(shí)際過程中閥門壓降與開度、氣體流量之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，調(diào)節(jié)閥壓降ΔP 并不能簡單處理；(2)氣固兩相介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥對(duì)固體流量的調(diào)控作用較為復(fù)雜，在模擬中做了一些簡化(閥門的三維模型簡化、邊界條件的簡化等)。

圖 5 流量預(yù)測計(jì)算框圖Fig. 5 Calculation block diagram of mass flow rate prediction

圖 6 粉煤流量調(diào)節(jié)閥流量特性Fig. 6 Flow rate characteristics of regulating valve for pulverized coal

2.3 閥門內(nèi)部流動(dòng)特征

圖 7 閥門的沿程壓力圖Fig. 7 Pressure diagram along the valve

圖7 示出了16%和40%開度下閥門內(nèi)部的沿程壓力信號(hào)。圖中Distance 表示顆粒在閥門內(nèi)經(jīng)過的距離，0 mm 表示閥門入口截面，600 mm 表示閥門出口截面，1 600 mm 表示閥門下游管道出口截面。由圖可知：不同開度下閥門沿程壓力變化趨勢大致相同：在入口段壓力較大，壓力的波動(dòng)主要與管道截面相關(guān)，隨著流體進(jìn)入閥芯區(qū)域，壓力逐漸降低；在閥芯出口處，壓力驟減，隨后逐漸回升，壓力驟減是因?yàn)榻?jīng)過閥芯節(jié)流面時(shí)，粉煤速度變化和因顆粒撞擊閥芯內(nèi)壁導(dǎo)致的巨大能量損耗由壓力提供。

圖8 出了16%和40%開度下閥門的沿程粉煤速度和顆粒體積分?jǐn)?shù)分布。對(duì)比其粉煤速度信號(hào)可知：16%開度下粉煤速度的最高值為49.7 m/s，其速度變化量最大的區(qū)域?qū)挾萐1約為262.4 mm，40%開度下粉煤速度的最高值為29.1 m/s，其速度變化量最大的區(qū)域?qū)挾萐2約為383.3 mm。這說明低開度下速度變化率較大、區(qū)域集中，易對(duì)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的應(yīng)力。對(duì)比其顆粒體積分?jǐn)?shù)可知：16%開度下在閥門出口段距離（300～600 mm）出現(xiàn)兩處間隔距離較遠(yuǎn)的顆粒體積分?jǐn)?shù)高峰值，而在穩(wěn)流管段中顆粒體積分?jǐn)?shù)一直在逐漸減小；而40%開度下在閥門出口段距離（300～600 mm）存在一段顆粒體積分?jǐn)?shù)較高位置，在穩(wěn)流管段中顆粒體積分?jǐn)?shù)先減小，隨后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。在低開度下，顆粒體積分?jǐn)?shù)有兩處達(dá)到高峰值原因是：靠近閥芯出口處是因?yàn)樗俣容^大造成的顆粒擠壓效果，而遠(yuǎn)離閥芯出口處是因?yàn)榉勖核俣葴p小，顆粒在管道上壁形成堆積效應(yīng)。對(duì)比調(diào)節(jié)閥下游直管段內(nèi)沿程粉煤速度信號(hào)和顆粒體積分?jǐn)?shù)分布可以發(fā)現(xiàn)，低開度下顆粒在下游直管段出口附近達(dá)到穩(wěn)定，高開度下顆粒在下游直管段中心位置左右達(dá)到穩(wěn)定。

圖 8 閥門的沿程粉煤速度、顆粒體積分?jǐn)?shù)圖Fig. 8 Coal velocity and particle volume fraction along the valve

圖9 示出了16%和40%開度下閥門內(nèi)部流動(dòng)特征云圖。由圖9(a)可知，粉煤速度變化較大的主要集中在閥芯節(jié)流口位置，低開度下節(jié)流口處粉煤速度明顯較高，且在很大的區(qū)域范圍內(nèi)，粉煤速度在30.0 m/s 以上，而高開度下閥芯節(jié)流口位置粉煤速度基本上在30.0 m/s 以下，這說明調(diào)節(jié)閥發(fā)生磨損的位置在閥芯出口和斜管交界處位置，磨損原因是調(diào)節(jié)閥長期處于低開度下受高速粉煤顆粒撞擊磨蝕。顆粒在閥芯節(jié)流口后方有明顯的回流現(xiàn)象；在低開度下顆粒的回流較為集中，回流的粉煤速度較高，而在高開度下顆粒的回流較為發(fā)散，回流的粉煤速度較低；低開度下的下游直管內(nèi)粉煤速度變化情況較為復(fù)雜，需要更長的距離才能使管道粉煤速度分布達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。由圖9(b)可知：回流區(qū)域中的顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，說明僅有少部分顆粒發(fā)生回流；低開度下的下游直管內(nèi)顆粒的流動(dòng)較為復(fù)雜，需要較長的距離才能使管道粉煤速度分布達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，綜合考慮平均時(shí)間段內(nèi)的粉煤速度和顆粒體積分?jǐn)?shù)分布，為使下游管道顆粒達(dá)到較為穩(wěn)定流動(dòng)，其下游管段至少為800 mm。

圖 9 閥門內(nèi)部流動(dòng)特征云圖Fig. 9 Cloud map of flow characteristics in valve

3 結(jié) 論

采用CPFD 數(shù)值模擬方法對(duì)煤氣化裝置中粉煤調(diào)節(jié)閥的氣固兩相流動(dòng)特征進(jìn)行研究，主要結(jié)論為：

(1) 從調(diào)節(jié)閥壓降、固體質(zhì)量濃度和顆粒速度方面證明CPFD 方法適用于研究煤氣化中粉煤流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氣固兩相流動(dòng)過程；

(2) 提出閥門流量特性曲線的預(yù)測方法，預(yù)測誤差為10%，為氣固兩相介質(zhì)的閥門研究提供一種新思路；

(3) 低開度下調(diào)節(jié)閥節(jié)流口顆粒速度更大、應(yīng)力更集中，建議通過調(diào)整開度減小磨損以提高調(diào)節(jié)閥的壽命；此外綜合考慮低開度下的內(nèi)部流動(dòng)情況，建議閥后應(yīng)至少保留800 mm 的管段以保證顆粒達(dá)到穩(wěn)定輸送。