氧氣噴射角度對煤制甲醇轉化爐內速度場的影響

李曙陽，伍永福

（1. 呼和浩特中燃城市燃氣發展有限公司，內蒙古 呼和浩特 010050； 2. 內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010）

氧氣噴射角度對煤制甲醇轉化爐內速度場的影響

李曙陽1，伍永福2

（1. 呼和浩特中燃城市燃氣發展有限公司，內蒙古 呼和浩特 010050； 2. 內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010）

為了研究氧氣噴射角度對煤制甲醇轉化爐中速度場的影響，利用ANSYS和Fluent軟件構建煤制甲醇轉化爐模型，研究了氧氣噴射角度在0°、8°、11°和15°時對轉化爐內速度分布變化，發現氧氣噴射角度在0°時，轉化爐內速度梯度最小，高速區域最小且沿軸向延展，火焰最穩定，不易出現火焰淬滅現象。

煤制甲醇；速度場；氧氣噴射角度；數值模擬

煤制甲醇是煤化工的重要分支，目前普遍采用的煤制甲醇工藝是以焦爐煤氣為主要原料，通過在轉化爐中的轉化，生成甲醇。為了解各組分在轉化爐中的轉化情況，利用數值模擬方法研究了全氧轉化爐在不同氧氣噴射角度時的速度分布情況。

1 轉化爐模型的建立

1.1 物理模型的建立及其網格化

本文數學模擬是針對全氧轉化爐，爐型上部為蓋帽、上端兩個進口為進甲烷氣體（斷面直徑為2.5 mm），下面兩個斷面進口為進氧氣（斷面直徑為1.5 mm）。燒嘴將轉化爐隔開分為上下兩個爐膛，分別為上部的氣體混合室和下半部的燃燒室。氣體進口方向垂直于混合氣體流向[1]，使用ANSYS14.0構建的轉化爐物理模型如圖1所示，計算區域網格化后如圖2所示。以爐內傳熱模型為核心，由燃燒模型、爐內爐氣流動與爐內傳熱模型、鋼坯加熱模型耦合而成，這些模型與它們的定解條件構成全部的數學模型及其求解問題。燃燒過程模型是爐內傳熱模型的前提，爐內爐氣流動與爐內傳熱模型互為關聯，鋼坯加熱模型是爐內傳熱模型的結果?？紤]到數學模型的計算機數值求解的可行性和數學模型的可靠性，在數學模型的建立過程中，進行如下假設：1）以轉化爐的中心截面為對稱面，忽略爐肋管與鋼坯之間的傳熱。2）爐頭、爐尾無逸氣和吸氣。3）將焦爐煤氣視為甲烷單一組分。

由于在轉化爐中焦爐煤氣和氧氣混合時，焦爐煤氣與氧氣都是由各自的通道分別射入混合室，初始射流之間有一定的距離，兩者相遇后混合但不燃燒，可建立湍流模型。常見的湍流模型有Spakart-Allmaras模型、k-ε模型、大渦模擬模型。本研究使用Fluent軟件建立的湍流模型為k-ε模型，選用的算法是經典的SIMPLE算法，并用二階迎風格式計算各組分精度。本模型的邊壁條件為：5個管口：分別為2個焦爐煤氣入口、2個氧氣入口和一個混合氣體出口；其余為壁面。各入口選擇速度入口作為邊界條件（Velocity-inlet）；由于對轉化爐出口的煙氣沒有要求，常將其邊界條件選為自由流體出口邊界條件，本研究中出口采用自由出口邊界條件（out-flow）。進出口處的湍流參數主要有湍流強度參數I(Turbulent Intensity)和水力直徑Φ(Hydraulic Diameter)[2]，具體見公式（1）和公式2)。由于轉化爐為鋼坯制成，本研究中將轉化爐爐體假定為絕緣材料，壁面條件設定為Wall，各參數采用FLUENT中的默認條件。

式中：

Re —雷諾數；

Φ —水力直徑，m。

圖1 轉化爐燃燒器物理模型Fig.1 The physical model of reforming furnace burner

圖2 轉化爐燃燒器模型網格劃分Fig.2 The grid division of reforming furnace burner model

1.2 湍流流動數學模型的建立

煤制甲醇轉化爐熱過程中的爐膛內氣體流動、對流傳熱、傳質及燃燒過程均為湍流過程，因此，為了能夠定量描述爐膛內的湍流均流場，必須建立均流場的控制微分方程組。目前以半經驗理論為基礎，廣泛研究和應用的湍流輸運模型基本上是圍繞輸運通量進行了的，對轉化爐內氣體流動的研究通常是引入湍流粘性系數的概念，以普朗特混合長度理論為依據而建立kε-雙方程模型。湍流流動kε-雙方程模型在實際工程應用中取得了巨大的成就，給出了大批與實驗吻合的數值解，使越來越多的科技人員認識到湍流kε-雙方程模型的可靠性和實用性，是目前應用最廣泛的工程模型。用kε-雙方程湍流模型來描述煤制甲醇轉化爐爐膛內爐氣流動過程是可行的[5-6]。模型的相關方程如公式(3-8)所示，

連續方程：

動量方程：

能量方程：

質量方程：

k方程：

ε方程：

式中： μ1=Cμρk2/ε；μeff= μ0+μ1；Cμ=0.09；CD=0.08～0.38；C1=1.44；C2=1.92。ρ為密度（kg/m3）；t為時間（s）；xj為直角坐標j方向的坐標；uj為直角坐標系j方向上的速度（m/s）；P為壓力（Pa）；μ0為分子粘性系數（Pa·S）；μ1為湍流動力粘性系數（Pa·S）；μeff為湍流有效粘性系數（Pa·S）；k為湍流脈動動能；Cμ為無量綱系數；CD為無量綱系數；l為湍流的脈動普照朗特混合長度；ε為湍流脈動動能耗散系數；C1、C2為無量綱系數；H為熱焓（kJ/(kg·K)）；Гh為熱擴散系數（W/(m·K)）；是熱焓源項（W/m3）；ms為組分（%）；Гs為組分擴散系數（m2/s）；為反應源項（1/s）。

2 數值模擬結果及分析

為了考察模型的可靠性，對模型的收斂情況進行考察，經初始化運算，經過對模型欠松弛因子的設定，最終得到所建立模型的殘差曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，所建立模型的殘差曲線逐漸收攏逼近于X軸，可預見的是，隨著運算的進行，模型誤差逐漸趨于0，模型具有收斂性。

在煤制甲醇轉化爐中，焦爐煤氣與氧氣提前預混可以使焦爐煤氣得到充分的燃燒，可預見的是，在預混環節混合越均勻焦爐煤氣燃燒越徹底，煤制甲醇的轉化率越高。

圖3 轉化爐燃燒器模型的殘差曲線Fig.3 The residual curve of reforming furnace burner model

當氧氣以不同角度射入混合倉時，氣體混合程度會發生變化，氧氣進口的角度改變會改變混合氣體的速度，濃度，壓力的分布。本研究主要討論氧氣進口角度不同時轉化爐中壓力場的分布情況。為了考察氧氣進口角度對轉化爐壓力場的影響，模擬了氧氣噴射角度在0°、8°、11°和15°時轉化爐內壓力場分布情況。模擬結果如圖4-7所示，對應的各入射角度在Y軸上壓力分布曲線如圖8-11所示。由圖4、6、8、10可以看出，氧氣噴射角度不同時，在轉化爐內，速度場的分布差異較大，尤其是0°入射角時，低速區占比明顯高于8°、11°、15°時的低速區；就轉化爐內的流速梯度而言，0°入射角時速度梯度也明顯低于8°、11°、15°時的流速梯度。

圖4 氧氣0°入射時轉化爐燃燒器內的速度場分布Fig.4 The velocity field of reforming furnace burner as the injection angle of oxygen is 0°

圖5 氧氣0°入射時轉化爐燃燒器YZ平面上速度場分布Fig.5 The velocity field of reforming furnace burner on YZ plane as the injection angle of oxygen is 0°

圖6 氧氣8°入射時轉化爐燃燒器內的速度場分布Fig.6 The velocity field of reforming furnace burner as the injection angle of oxygen is 8°

圖7 氧氣8°入射時轉化爐燃燒器YZ平面上速度場分布Fig.7 The velocity field of reforming furnace burner on YZ lane as the injection angle of oxygen is 8°

圖8 氧氣11°入射時轉化爐燃燒器內的速度場分布Fig.8 The velocity field of reforming furnace burner as the injection angle of oxygen is 11°

圖9 氧氣11°入射時轉化爐燃燒器YZ平面上速度場分布Fig.9 The velocity field of reforming furnace burner on YZ plane as the injection angle of oxygen is 11°

圖10 氧氣15°入射時轉化爐燃燒器內的速度場分布Fig.10 The velocity field of reforming furnace burner as the injection angle of oxygen is 15°

圖11 氧氣15°入射時轉化爐燃燒器YZ平面上速度場分布Fig.11 The velocity field of reforming furnace burner on YZ plane as the injection angle of oxygen is 15°

由圖5、7、9、11、12、13、14、15可以看出，氧氣噴射角度在0°時，轉化爐內的大部分區域處于低速區，低速區的流速范圍是0～6.691 m/s，在轉化爐中央區域存在一個中流速區域，區域流速范圍是6.691～13.38 m/s，在上下爐膛分界處存在一個中心高流速區域，該區域流速范圍是13.38～20.07 m/s，主要沿軸向延伸，徑向分布范圍有限，在軸向上，該高速區的最高流速在12.5 m/s左右；

圖12 氧氣0°入射時轉化爐燃燒器Y軸上速度分布Fig.12 The velocity field of reforming furnace burner on Y axis as the injection angle of oxygen is 0°

圖13 氧氣8°入射時轉化爐燃燒器Y軸上速度分布Fig.13 The velocity field of reforming furnace burner on Y axis as the injection angle of oxygen is 8°

圖14 氧氣11°入射時轉化爐燃燒器Y軸上速度分布Fig.14 The velocity field of reforming furnace burner on Y axis as the injection angle of oxygen is 11°

圖15 氧氣15°入射時轉化爐燃燒器Y軸上速度分布Fig.15 The velocity field of reforming furnace burner on Y axis as the injection angle of oxygen is 15°

氧氣噴射角度在8°時，轉化爐內的大部分區域處于低速區，低速區的流速范圍是0～7.505 m/s，高于0°噴射角時的低速速度范圍，所占區域也明顯小于0°噴射角時的分布區域，在轉化爐中央區域存在一個中流速區域，區域流速范圍是7.505～15.01 m/s，這一速度也高于0°噴射角時速度范圍，而所占區域則高于0°噴射角時的中流速區域，在上下爐膛分界處存在一個中心高流速區域，該區域流速范圍是15.01～22.51 m/s，呈圓球狀，在軸向上，該高速區的最高流速在14.3 m/s左右。

當氧氣噴射角度在11°和15°時，轉化爐內的速度場分布與8°時的分布規律相類似，且呈現爐內速度梯度進一步加劇、中高速區域進一步增加、高速區徑向延展、中高速區軸向延展且上移的基本規律。而爐內速度梯度的增加雖然能在一定程度上加快燃燒速度，但是也必將加大轉化爐內的燃燒和火焰不穩定性，再加上中高速流速區域的向上爐膛的移動，對燃燒過程起到極大的抑制作用[7]，另一方面，在上下爐膛分界處所存在的高速區的徑向延展，將可能導致燃燒的淬滅，使轉化過程終止[8]，這對應焦爐煤氣制甲醇過程顯然是不利的。

3 結 論

利用k-ε模型構建的煤制甲醇轉化爐數學模型模擬結果顯示，在焦爐煤氣進氣口方向為0°時，不同的氧氣噴射角度會對轉化爐爐膛內的速度場分布產生較大的影響；在氧氣噴射角度為0°、8°、11°、15°時，在上下爐膛分界處均存在一個高速流速區；相比較于8°、11°、15°的氧氣入射角，0°氧氣入射角的高速流速區域更小，主要沿軸向延展，高速區域的速度最低、范圍最小；加大氧氣入射角度會加大轉化爐內的中高速區域占比、中高速區域上移，高速區域范圍擴大和徑向延展，這將可能導致轉化爐中的燃燒淬滅和轉化過程的終止，氧氣的噴射角以0°為宜。

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Influence of Injection Angle of Oxygen on Velocity Field in Conversion Furnace of Coal-methanol

LI Shu-yang1，WU Yong-fu2
（1. Hohhot Zhongran City Gas Development Co., Ltd.，Inner Mongolia Hohhot 010050, China； 2. School of Energy and Environmental Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology, Inner Mongolia Baotou 014010, China）

In order to study the influence of injection angle of oxygen on velocity field in conversion furnace of coal-methanol, the mathematical model of conversion furnace of coal-methanol was built with ANSYS and Fluent. The pressure field of conversion furnace of coal-methanol was simulated as the injection angle was 0°，8°，11° or 15°.The results show that the minimum velocity gradient can appear as the injection angle is 0°,the high speed area is the smallest and the region extends along the axial direction, the combustion of coke oven gas is the stablest,the quenching of flame is not easy to happen.

Coal-methanol; Velocity field; Injection angle of oxygen; Numerical simulation

TQ 545

A

： 1671-0460（2015）01-0174-04

國家自然科學基金項目，項目號：51464041。

2014-12-10

李曙陽（1979-），男，內蒙古自治區呼和浩特人，工程師，碩士，1999年畢業于內蒙古工業大學城市燃氣工程專業，研究方向：從事城市燃氣投資建設與運營管理技術工作。E-mail：13948910707@163.com。

伍永福（1974-），男，副教授，博士，熱工設備工藝過程仿真模擬及優化。E-mail：wyf07@imust.cn。