煤粉鎖斗笛管優(yōu)化研究與應(yīng)用

李俊挺,趙元琪,王國梁,姚 強(qiáng)

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 煤制油分公司, 銀川 750411)

氣流床煤氣化技術(shù)對煤種、粒度、含硫量、含灰量都具有較大的兼容性,其清潔、高效代表著當(dāng)今煤氣化技術(shù)的發(fā)展潮流,尤其是干煤粉加壓氣化技術(shù),更是當(dāng)今煤氣化技術(shù)的主流技術(shù)。干煤粉加壓氣化技術(shù)是一種并流氣化技術(shù),用氣化劑將粒度為100 μm以下的煤粉帶入氣化爐內(nèi),煤粉在高于其灰熔點(diǎn)的溫度下與氣化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng),灰渣以液態(tài)形式通過下渣口由燃燒室排至激冷室。

煤粉加壓輸送單元是干煤粉加壓氣化技術(shù)的第一個工段,其使用高壓氮?dú)饣蚨趸甲鳛檩斔秃图訅簹怏w,以氣力密相輸送方式將流化態(tài)干煤粉送至氣化爐燃燒室[1]。來自煤粉制備單元的干煤粉通過氣力輸送到煤粉倉,然后進(jìn)入煤粉鎖斗,2～4個煤粉鎖斗以交替的方式控制卸料,以保持煤粉給料罐料位的穩(wěn)定。

煤粉鎖斗是煤粉加壓輸送單元中的高低壓轉(zhuǎn)換設(shè)備,煤粉鎖斗進(jìn)行收料、升壓、卸料、泄壓4個階段的循環(huán),將低壓煤粉轉(zhuǎn)換成高壓煤粉,送至煤粉給料罐,進(jìn)而送入氣化爐燃燒室,其內(nèi)部的笛管是煤粉順利加壓、保持流化態(tài)并順暢通過位差落到煤粉給料罐內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)件。

筆者重點(diǎn)介紹了煤粉鎖斗內(nèi)部流場,以及笛管優(yōu)化改造的運(yùn)行情況,以期為同類煤氣化技術(shù)提供參考。

1 煤粉鎖斗工藝流程

煤粉加壓輸送單元主要設(shè)備有煤粉倉、煤粉鎖斗和煤粉給料罐。來自煤粉制備單元的煤粉通過氣力輸送到煤粉倉,然后進(jìn)入粉煤鎖斗。煤粉鎖斗以交替的方式順序控制操作,以保持煤粉給料罐料位的穩(wěn)定。當(dāng)煤粉鎖斗處于常壓狀態(tài)時,打開煤粉鎖斗的進(jìn)料閥,使煤粉倉的煤粉自流進(jìn)入煤粉鎖斗,料滿后關(guān)閉進(jìn)料閥,分上、下2路充壓管線通入高壓二氧化碳加壓(開車工況使用氮?dú)膺M(jìn)行加壓),其中,下路充壓管線的氣體通過煤粉鎖斗內(nèi)布置的6根笛管均勻進(jìn)入煤粉鎖斗。煤粉鎖斗加壓至與煤粉給料罐壓力相同后打開卸料閥使煤粉自流進(jìn)入煤粉給料罐中,卸料結(jié)束后關(guān)閉卸料閥,打開泄壓閥排出二氧化碳,使煤粉鎖斗泄壓至常壓。泄放的氣體進(jìn)入減壓過濾器除塵并減壓至常壓,過濾器底部收集的煤粉通過粉煤旋轉(zhuǎn)給料器利用重力排放至煤粉倉[1-2]。過濾后的二氧化碳?xì)怏w排往低溫甲醇洗單元洗滌后達(dá)標(biāo)排放。粉煤鎖斗工藝流程見圖1。

L1—煤粉鎖斗低料位;L2—煤粉鎖斗高料位;P1A—煤粉鎖斗壓力表A;P1B—煤粉鎖斗壓力表B;P1C—煤粉鎖斗壓力表C;F1—煤粉鎖斗下路充壓氣體流量;F2—煤粉鎖斗上路充壓氣體流量;RO1—煤粉鎖斗下路充壓管線旁路限流孔板;RO2—煤粉鎖斗管道充氣器吹掃氣管線旁路限流孔板;RO3—煤粉鎖斗通氣錐吹掃氣管線旁路限流孔板。

2 笛管概況

笛管是一種氣體噴射裝置[3],安裝在煤粉鎖斗下部器壁上,共6根,成360°均勻分布。每根笛管分上、下2段,中間通過三通連接,三通一端連接煤粉鎖斗充壓管線。當(dāng)煤粉鎖斗充壓時,下路升壓氣體分6路進(jìn)入笛管,均勻?qū)γ悍坻i斗下部煤粉進(jìn)行疏松,保證其處于流化狀態(tài)。

每根笛管的上、下2段分別在面向煤粉側(cè)共布置3列出氣孔,每列布置15個出氣孔,每個出氣孔內(nèi)徑為6 mm(見圖2)。

3 煤粉鎖斗內(nèi)部流場模擬

煤粉鎖斗內(nèi)使用6根笛管作為布?xì)庠O(shè)備,對鎖斗內(nèi)裝填的煤粉進(jìn)行疏松流化,以保證煤粉卸料的順暢。本模擬對氣固兩相間的曳力系數(shù)采用Wen-Yu公式[4]計(jì)算,進(jìn)一步得出煤粉鎖斗內(nèi)最小流化速度為1.58×10-3m/s;同時,采用歐拉-歐拉模型模擬煤粉顆粒的流體動力學(xué)[5]。

3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

以煤粉鎖斗作為模擬對象,模型整體高度為13.26 m,其中,圓柱段高度為5.45 m,圓錐段高度為 6.01 m;煤粉裝填高度為8.31 m;上端圓柱直徑為3.6 m;進(jìn)氣方式分為頂部進(jìn)氣與圓錐處6根笛管進(jìn)氣,笛管上開孔直徑為6 mm。采用SolidWorks軟件對煤粉鎖斗幾何模型進(jìn)行三維實(shí)體建模,見圖3。

圖3 鎖斗網(wǎng)格劃分

3.2 計(jì)算模型

3.2.1 入口邊界條件

以密度相近于煤粉的硫粉作為固體顆粒相,煤粉粒徑分布采用Rosin-Rammler分布進(jìn)行擬合,載氣相為高壓二氧化碳,核算鎖斗內(nèi)最小流化速度為1.58×10-3m/s;氣相進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口,每根笛管氣體體積流量為4 666 m3/h,核算流速設(shè)置為0.3 m/s;頂部氣體體積流量為18 000 m3/h,核算流速設(shè)置為0.25 m/s。

3.2.2 出口邊界壁面條件

出口設(shè)置為壓力出口,壓力設(shè)置為表壓。壁面條件選用無滑移壁面,并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

3.2.3 初始化條件

煤粉鎖斗內(nèi)正常裝填量為35 t煤粉,根據(jù)鎖斗參數(shù)核算煤粉鎖斗總體積為100.25 m3,計(jì)算可得鎖斗總質(zhì)量為80.2 t,鎖斗總高為13.26 m,由此核算煤粉高度為8.31 m,占煤粉鎖斗總體積的43%。由此設(shè)置初始物料填充高度為8.31 m,固體體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為43%。

3.2.4 算法和差分格式

流場模擬計(jì)算采用Ansys Fluent軟件,壓力速度耦合方程組采用SIMPLE算法求解,空間離散格式選用二階迎風(fēng)格式和QUICK格式,瞬態(tài)方程使用有界二階隱式方法計(jì)算。

3.3 模擬結(jié)果與討論

煤粉鎖斗內(nèi)部XY截面固體體積分?jǐn)?shù)變化情況見圖4,氣體速度矢量見圖5。由圖4可以看出:在通入高壓二氧化碳載氣后鎖斗中部的煤粉先被流化吹向鎖斗上部,隨后鎖斗錐部的煤粉開始流化。被鎖斗笛管吹起流化的煤粉向鎖斗上部運(yùn)動,遇到頂部進(jìn)氣口的氣體向下折返,流化后的煤粉在鎖斗內(nèi)部形成循環(huán)。最終鎖斗內(nèi)的煤粉全部流化,并且根據(jù)模擬結(jié)果最終鎖斗內(nèi)煤粉的體積分?jǐn)?shù)分布較為均勻,說明煤粉達(dá)到了較為均勻的流化狀態(tài),有利于將煤粉輸送到下一個單元。這也說明裝有6 mm布?xì)饪椎牡压芸梢詫㈡i斗內(nèi)部35 t煤粉完全流化。

圖5 煤粉鎖斗XY截面氣體速度矢量圖

4 煤粉鎖斗笛管優(yōu)化

進(jìn)入笛管的大部分煤粉可以被載氣通過笛管的布?xì)饪状党觥?但笛管兩端由于是封閉的,形成了死區(qū),少部分煤粉被堆積在此處。因此,在實(shí)際運(yùn)行過程中,掉入笛管的煤粉也有可能進(jìn)入該區(qū)域,從而逐漸堆積,影響笛管的正常工作。為進(jìn)一步探明笛管兩端死區(qū)的解決辦法,對笛管進(jìn)行仿真模擬,探究在笛管兩端開孔對笛管布?xì)庑阅艿挠绊?以降低笛管兩端死區(qū)對于笛管整體布?xì)馇闆r的影響。

基于現(xiàn)有煤粉鎖斗笛管內(nèi)煤粉堆積的現(xiàn)象,對鎖斗笛管進(jìn)行模擬計(jì)算。但在笛管上下端開孔時,下部笛管的開孔尺寸不能過大,否則會影響笛管下部的氣體分配。因此,選用和當(dāng)前笛管尺寸一致的6 mm孔。由于笛管下部的壓力稍大,所以將笛管底部的孔徑增大,防止笛管下部與鎖斗內(nèi)壓差過大造成笛管振動。改變后鎖斗模型為:左邊的笛管為當(dāng)前裝置使用的笛管,右端為在笛管上下端開6 mm孔,且將下部4排孔改為8 mm孔徑。

通過Ansys Fluent軟件模擬計(jì)算后,上、下端未開孔與開孔笛管內(nèi)煤粉的體積分?jǐn)?shù)見圖6、圖7。由圖6、圖7可以看出:左邊未開孔的笛管內(nèi),存在一定量的煤粉無法吹出,尤其是在笛管頂部,該部分堆積的煤粉較多;相反,在頂部開孔的情況下其頂部的堆積的煤粉基本全部被吹出,而笛管底部未開孔的笛管仍然會剩余部分煤粉,但殘余量相較笛管上部少。

圖6 笛管頂端煤粉體積分?jǐn)?shù)

圖7 笛管底端煤粉體積分?jǐn)?shù)

笛管下部的壓力與鎖斗下部的壓力之間存在明顯的壓差,而笛管上部的壓力則與鎖斗內(nèi)的壓力相差不大。這就使得笛管下部的氣體速度較大,而笛管上部的氣體速度較小。氣體速度較大會導(dǎo)致笛管內(nèi)的湍動程度增強(qiáng),從而將笛管下部的煤粉帶出;而笛管上部氣體速度較小表明其湍動程度較弱,從而會導(dǎo)致上部的煤粉產(chǎn)生堆積。

笛管頂部氣體速度局部放大圖見圖8。由圖8可以看出:頂端開孔時,頂端堆積的煤粉可以在小壓差下通過頂部的孔流出,雖然還有部分剩余,但相比未開孔時堆積的煤粉明顯減少。

圖8 笛管頂部氣速局部放大圖

5 應(yīng)用效果

煤粉鎖斗使用優(yōu)化改造后的笛管時,煤粉鎖斗升壓時間有所減少,且煤粉下料更順暢,說明優(yōu)化改造后笛管出氣更均勻,煤粉流化效果更佳。同時,因笛管內(nèi)煤粉堆積減少,減緩了笛管磨損,延長了運(yùn)行周期。笛管優(yōu)化改造前后參數(shù)對比見表1。

表1 笛管優(yōu)化改造前后參數(shù)對比

6 結(jié)語

(1) 煤粉鎖斗的模擬結(jié)果表明,6 mm布?xì)饪仔问降牡压芸梢酝耆珜㈡i斗內(nèi)的煤粉吹散,并達(dá)到均勻流化的狀態(tài)。

(2) 通過對笛管的單獨(dú)模擬可以發(fā)現(xiàn),在笛管上下端各開1個6 mm孔,且將下部4排孔改為8 mm孔徑,有利于降低笛管兩端死區(qū)的范圍和強(qiáng)度,并且笛管兩端打孔處的氣體速度高于煤粉的最小流化速度,可以避免笛管內(nèi)煤粉堆積,減緩了笛管磨損,同時笛管出氣更均勻,對煤粉流化效果更佳。