平焰型七噴嘴氣化爐的冷模CFD模擬研究

馮子洋 盧 洪

（神華北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區(qū)，102209）

平焰型七噴嘴氣化爐的冷模CFD模擬研究

馮子洋 盧 洪

（神華北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區(qū)，102209）

利用商業(yè)CFD軟件Fluent建立平焰型七噴嘴氣化爐的冷態(tài)模型，計(jì)算中采用六面體網(wǎng)格為主，四面體網(wǎng)格過(guò)渡的劃分方法建立噴嘴結(jié)構(gòu)與爐體結(jié)構(gòu)合并一體的幾何模型。模型應(yīng)用Standard k-ε湍流模型對(duì)噴嘴及爐體內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析；利用DPM模型考察氣體與顆粒相的耦合，開啟隨機(jī)軌道模型對(duì)顆粒相進(jìn)行了跟蹤，在表征噴嘴出口及爐體內(nèi)固含量分布的同時(shí)，結(jié)合流場(chǎng)與顆粒相的表征結(jié)果，預(yù)測(cè)爐體內(nèi)氣固混合隨流場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程。

平焰型噴嘴 數(shù)值模擬 氣固兩相流

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，已成為重要的研究工具，針對(duì)氣流床內(nèi)氣固兩相的混合過(guò)程本質(zhì)上是兩相湍流的發(fā)展過(guò)程這一特質(zhì)，國(guó)內(nèi)外研究者引入了很多數(shù)值模擬研究方法用于研究氣化爐流場(chǎng)及混合特性。例如，Vicente等運(yùn)用Fluent軟件的雙歐拉多相流模型模擬了氣流床氣化爐中煤粉的混合燃燒過(guò)程，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合相對(duì)較好。吳玉新等人采用不同的湍流模型對(duì)Texaco氣流床氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，在給出不同湍流模型適應(yīng)特性的同時(shí)獲得氣流床氣化爐內(nèi)接近全混流的同時(shí)存在短路現(xiàn)象的結(jié)論，這與王輔臣和于遵宏等人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論相符。李超等人對(duì)多噴嘴對(duì)置式氣流床氣化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用分析顆粒停留時(shí)間分布能夠從宏觀上掌握氣化爐內(nèi)顆粒的混合情況。秦軍等人以氣流床氣化爐為研究對(duì)象對(duì)受限氣固兩相射流進(jìn)行了模擬研究，研究結(jié)果給出了Texaco氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)速度的發(fā)展規(guī)律。

目前，針對(duì)氣流床氣化爐噴嘴的研究主要集中在單噴嘴或?qū)χ檬蕉鄧娮斓姆懂爟?nèi)，有關(guān)平焰型多噴嘴氣化爐的相關(guān)研究未見報(bào)道，本文基于CFD的技術(shù)利用商業(yè)軟件Fluent對(duì)自行設(shè)計(jì)的平焰型七噴嘴氣化爐進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬，利用分析氣相流場(chǎng)及顆粒分布規(guī)律的方法研究平焰型七噴嘴氣化爐內(nèi)顆粒湍流的混合規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)氣化爐的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖1中：D1——主爐體內(nèi)徑，mm；

D2——出口內(nèi)徑，mm；

H1——爐體主高度，mm；

H2——出口錐體高度，mm；

H3——出口柱體高，mm。

1 模擬對(duì)象及主要假設(shè)

本文選取工業(yè)氣化爐為計(jì)算研究對(duì)象，爐體尺寸如圖1所示。爐體上方布置7個(gè)雙通道噴嘴，布置方式如圖2（a）所示，噴嘴間距為190 mm，相鄰三個(gè)噴嘴中心連線為等邊三角形，每個(gè)噴嘴外環(huán)供給氣化劑 （O2），內(nèi)環(huán)提供載氣 （N2）夾帶干煤粉，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2（b）所示。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)及噴嘴分布圖

圖2中：d——外環(huán)直徑，mm；

d1——內(nèi)環(huán)直徑，mm；

d2——內(nèi)外環(huán)間距，mm；

th——內(nèi)管壁厚，mm；

m——載氣出口與噴嘴出口距離，mm；

n——內(nèi)環(huán)錐面高度，mm；

th——內(nèi)管壁厚，mm；

Gap——外環(huán)收縮后氣化劑噴出口，mm；

m——載氣出口與噴嘴出口距離，mm；

n——內(nèi)環(huán)錐面高度，mm；

θ——外環(huán)收縮角，（°）。

模擬選擇在冷態(tài)下進(jìn)行，工藝參數(shù)以典型的干煤粉氣化工藝為基礎(chǔ)，具體參數(shù)如下：

壓力 101325 Pav

氣相組分 空氣

載氣入口速度 7～10 m／s

氣化劑入口速度 15～30 m／s

顆粒質(zhì)量通量 96 kg／m2·s

顆粒粒徑 70μm

顆粒密度 1400 kg／m3

為了便于建立穩(wěn)定的計(jì)算狀態(tài)，需要作如下假設(shè)：

（1）計(jì)算工況為穩(wěn)態(tài)，進(jìn)口狀態(tài)不隨時(shí)間變化；

（2）忽略顆粒在壁面上的沉積停留過(guò)程，將壁面邊界條件假定為反彈；

（3）由于固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)低，因此忽略顆粒間之間的相互作用，如碰撞；

（4）假定顆粒為粒度均一的球形顆粒。

2 計(jì)算模型

本文通過(guò)對(duì)氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值求解，獲得氣相流場(chǎng)和顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡，從而對(duì)研究氣固兩相的混合規(guī)律。工況條件下，進(jìn)口顆粒體積分?jǐn)?shù)很低，屬于稀疏兩相流，因此采用Euler-Lagrange方法處理爐內(nèi)的兩相流動(dòng)過(guò)程。連續(xù)相采用Standard k-ε湍流模型計(jì)算，離散相采用隨機(jī)軌道模型計(jì)算。

2.1 湍流模型

Standard k-ε模型是目前工程計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的一種雙方程湍流模型。該模型在模擬無(wú)浮力平面射流、平壁邊界流、管流、通道流動(dòng)、噴管流動(dòng)等情況時(shí)是準(zhǔn)確的。本文針對(duì)工業(yè)尺寸的氣化爐進(jìn)行模擬，考慮計(jì)算時(shí)間及收斂性等因素亦選用Standard k-ε模型來(lái)對(duì)湍流模型進(jìn)行封閉。其輸運(yùn)方程為：

式中：FD——單位質(zhì)量顆粒曳力，N；

g——重力加速度，m／s2；

Gk——平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，kg／m·s3；

Gb——浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，kg／m·s3；

k——湍動(dòng)能，m2／s3；

Sk——湍動(dòng)能源項(xiàng)，kg／m·s3；

Sε——湍動(dòng)能耗散率源項(xiàng)，kg／m·s3；

up——顆粒流動(dòng)速度，m／s；

ug——?dú)怏w流動(dòng)速度，m／s；

YM——可壓 縮 流 動(dòng) 的 膨 脹 耗 散 項(xiàng)，kg／m·s3；

ε——湍動(dòng)能耗散率，m2·s3；

μ——流體粘度，Pa·s；

μt——湍流粘度，Pa·s；

ρp——顆粒密度，kg／m3；

ρg——?dú)怏w密度，kg／m3。下標(biāo)：p——顆粒相；

g——流體相。

2.2 離散相模型

離散相的模擬采用Lagrange坐標(biāo)下的隨機(jī)軌道模型追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮離散相與連續(xù)相間的相互作用。其中，單一顆粒在流體中的受力方程為：

方程右邊第一項(xiàng)為曳力項(xiàng)，第二項(xiàng)為重力與浮力的合力項(xiàng)，第三項(xiàng)為各附加力的合力，其中包括：Basset力、Saffman力、Magnus力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力。施學(xué)貴等對(duì)煤粉顆粒在湍流氣流中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，結(jié)果認(rèn)為附加質(zhì)量力、壓力梯度力、浮力等僅為粘性阻力的10-3量級(jí)，Basset力僅為阻力的10-2量級(jí)，因此在本文研究中上述附加力均忽略不計(jì)。

圖3 噴嘴及爐體網(wǎng)格繪制示意圖

3 網(wǎng)格劃分

氣化爐的噴嘴與爐體間具有較高的突擴(kuò)比 （1∶40），這一特征導(dǎo)致噴嘴附近區(qū)域與遠(yuǎn)離噴嘴的區(qū)域網(wǎng)格尺寸存在懸殊的差距，因此氣化爐模型網(wǎng)格劃分存在一定的難度。目前，大部分針對(duì)氣化爐的數(shù)值模擬都采用簡(jiǎn)化的入口條件，即將噴嘴視為單一通道，只給出質(zhì)量流率，這一方法簡(jiǎn)化了網(wǎng)格劃分的過(guò)程但卻忽略了噴嘴結(jié)構(gòu)給流場(chǎng)帶來(lái)的影響，為了更加真實(shí)的模擬多噴嘴結(jié)構(gòu)下氣化爐內(nèi)流場(chǎng)分布及顆粒的混合情況，本文將噴嘴與氣化爐體結(jié)構(gòu)耦合起來(lái)進(jìn)行建模并劃分了六面體網(wǎng)格，射流區(qū)和撞擊區(qū)進(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約190萬(wàn)。氣化爐噴嘴及爐體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖4 噴嘴在不同結(jié)構(gòu)及邊界條件下氣相射流速度云圖

4 結(jié)果與討論

圖4（a、b、c、d）分別表示了氣化爐噴嘴在不同外環(huán)收縮角θ及不同氣化劑射流速度條件下的氣相速度分布云圖。噴嘴出口處，由于外環(huán)氣化劑噴射速度較高，內(nèi)管載氣射流速度較低，因此出口氣相速度的高值分布在噴嘴外環(huán)并由外向內(nèi)降低，存在一定的速度梯度，當(dāng)沿著軸向流場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展后，氣體流動(dòng)呈扇形展開。圖4（a、b）顯示了外環(huán)收縮角度分別為50°和90°條件下的速度分布，結(jié)果表明外環(huán)收縮角度的提高并不能增大噴嘴射流扇形面積，射流場(chǎng)基本不變。圖4（c、d）給出了噴嘴射流速度峰值分別為64 m／s和102 m／s條件下的速度分布，結(jié)果同樣顯示隨著氣化劑噴射速度的提高，射流場(chǎng)的錐形結(jié)構(gòu)不變。吳玉新等人的研究結(jié)果認(rèn)為對(duì)于受限射流和自由射流來(lái)說(shuō)，入口動(dòng)量通量是決定流動(dòng)發(fā)展的最關(guān)鍵因素，只要保證入口動(dòng)量通量相等，流動(dòng)的發(fā)展就是基本相似的，因而從理論上說(shuō)噴嘴結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響最終冷態(tài)流場(chǎng)的特性，這與圖4的顯示結(jié)果基本相符。但從圖4（a、b）中不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)外環(huán)收縮角θ增大后雖然射流的錐形結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，可是距離噴嘴較近位置的射流速度較高，軸向速度沿徑向梯度相對(duì)較大，因此可見噴嘴結(jié)構(gòu)改變對(duì)近距離位置的流場(chǎng)存在一定的影響，當(dāng)流場(chǎng)充分發(fā)展后會(huì)表現(xiàn)出相似性。圖4（c、d）顯示動(dòng)量通量提高并沒(méi)有改變射流場(chǎng)的錐形結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閲娮斓纳淞魉俣仁噶渴且試娮斐隹诮孛嬷行臑閷?duì)稱的，噴射過(guò)程中徑向上的動(dòng)量在不同氣化劑噴射速度條件下存在相互抵消，因此射流場(chǎng)的分布不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，但推測(cè)射流速度的提高會(huì)延長(zhǎng)射流場(chǎng)的噴射距離，進(jìn)而對(duì)于爐體內(nèi)的流場(chǎng)存在影響。

氣化爐中氣相流場(chǎng)速度分布及流動(dòng)跡線如圖5所示。圖5（a）顯示了爐體內(nèi)噴嘴1、噴嘴2、噴嘴3、噴嘴4與噴嘴5的氣相速度沿軸向等值面分布，可見爐體內(nèi)噴嘴的射流接近自由射流，噴嘴間不存在相互擾動(dòng)，也不存在單噴嘴氣化爐中容易產(chǎn)生的射流偏心問(wèn)題。在氣化劑噴射速度最高為101.2 m／s條件下，距離噴嘴不超過(guò)1000 mm的位置內(nèi)，射流速度快速衰減，超過(guò)1000 mm的位置，氣相速度逐漸接近于0 m／s。圖5（b）顯示了氣化爐內(nèi)氣化劑及載氣的流動(dòng)跡線，從圖中可以看出距離噴嘴500 mm距離內(nèi)存在劇烈的湍動(dòng)與返混，500 mm至1000 mm范圍內(nèi)湍動(dòng)與返混開始衰減，1000 mm范圍外流動(dòng)趨于穩(wěn)定，氣體由一側(cè)離開反應(yīng)器。吳玉新等人應(yīng)用周期性邊界條件對(duì)Texaco的單噴嘴氣化爐進(jìn)行了冷態(tài)模擬，模擬結(jié)果顯示流動(dòng)以爐體中心完全對(duì)稱存在較大的返混渦旋，這與本文情況存在一定的差異，李超等人對(duì)對(duì)置式多噴嘴氣化爐進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果顯示隨著氣速的增加二次給氧噴嘴下的返混會(huì)明顯增強(qiáng)，而本文中的強(qiáng)返混區(qū)域均集中在靠近噴嘴的上側(cè)位置內(nèi)。

圖5 氣化爐中氣相流場(chǎng)速度云圖及流動(dòng)跡線

圖6（a、b）分別闡述了7個(gè)噴嘴中心的軸向速度v與徑向速度vr沿軸向位置的分布曲線。如圖6（a）所示，在距離噴嘴500 mm范圍內(nèi)，氣體的軸向速度隨著與噴嘴的距離增加而迅速衰減，在距離噴嘴500 mm的位置上存在拐點(diǎn)，速度變化趨于平緩，其中噴嘴4、噴嘴5、噴嘴6和噴嘴7在距離噴嘴接近1000 mm位置上軸向速度沿爐體向上，即存在軸向返混。噴嘴1、噴嘴2和噴嘴3的軸向速度保持沿爐體向下，因此結(jié)合圖5（b）不難發(fā)現(xiàn)本模型研究中氣相最終沿著噴嘴1、噴嘴2和噴嘴3一側(cè)離開氣化爐。距離噴嘴1000 mm范圍內(nèi)，氣相的徑向速度同樣存在劇烈的波動(dòng)，如圖6（b）所示，在超過(guò)1000 mm的位置上徑向速度波動(dòng)速度趨于平緩。

為了對(duì)顆粒分布進(jìn)行定量分析，建立如下分析方法，沿著爐體軸向距離噴嘴每間隔200 mm截取200 mm的爐體體積，對(duì)該體積內(nèi)的顆粒濃度進(jìn)行體積分，獲得顆粒沿軸向不同位置段的質(zhì)量保有量，從而表征顆粒沿軸向的分布趨勢(shì)，同理上述方法，分別切割內(nèi)徑為200 mm、400 mm、600 mm和760 mm的圓柱體進(jìn)行積分，徑向計(jì)算獲得的是沿徑向的累積量。分析結(jié)果如圖7（a、b）所示，顆粒質(zhì)量濃度沿著軸線隨著與噴嘴距離的增加而迅速降低，在距離噴嘴1000 mm的位置上發(fā)生拐點(diǎn)，當(dāng)超過(guò)1000 mm后爐體顆粒保有量開始趨于平緩。沿徑向顆粒的累計(jì)質(zhì)量分布顯示顆粒在爐體壁面存在富集現(xiàn)象，這是由于近壁面回流卷吸作用導(dǎo)致的，戴干策與秦軍等人針對(duì)Texaco氣化爐的模擬與實(shí)驗(yàn)研究給出了類似的推論。

圖6 噴嘴中心的軸向速度與徑向速度沿軸向位置的分布

圖7 顆粒沿軸向及徑向的分布

爐體內(nèi)流場(chǎng)分布與固體顆粒分布的結(jié)果均表明沿軸向距離噴嘴1000 mm是一個(gè)重要拐點(diǎn)，氣相速度、返混強(qiáng)度及顆粒質(zhì)量濃度在這一位置均后趨于平穩(wěn)，而1000 mm范圍內(nèi)是劇烈變化的。

5 結(jié)論

應(yīng)用商業(yè)軟件Fluent對(duì)工業(yè)尺寸的平焰型七噴嘴氣化爐進(jìn)行了三維的冷態(tài)數(shù)值模擬，通過(guò)將噴嘴與爐體結(jié)構(gòu)合并計(jì)算，反映了噴嘴及爐體內(nèi)流場(chǎng)與固體顆粒的分布規(guī)律，并獲得如下結(jié)論：

噴嘴外環(huán)收縮角對(duì)距離噴嘴較近位置的射流速度存在一定的影響，而當(dāng)噴嘴入口邊界條件不變時(shí)距離噴嘴遠(yuǎn)端的流場(chǎng)分布在不同外環(huán)收縮角度下會(huì)存在相似性。氣化劑流量的提高即動(dòng)量通量的提高不會(huì)改變射流場(chǎng)的錐面結(jié)構(gòu)但對(duì)爐體內(nèi)的遠(yuǎn)端流場(chǎng)存在影響。平焰型七噴嘴氣化爐內(nèi)的氣相速度、顆粒質(zhì)量濃度、返混湍動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)在距離噴嘴較近的位置上都會(huì)產(chǎn)生劇烈的降低或波動(dòng)，因此與單噴嘴氣化爐相對(duì)大尺度的回流返混渦旋相比不難推測(cè)，氣固兩相在氣化爐內(nèi)會(huì)得到更快的混合進(jìn)而提高氣化效率。

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TQ545

A

馮子洋 （1983-），男，吉林白山人，博士，工程師，從事煤氣化爐開發(fā)方面的工作。

（責(zé)任編輯 丁言偉）