三通道德士古氣化爐冷態(tài)數(shù)值模擬

王雪飛，周俊杰，楊厚樂，耿豪偉，魯亞龍

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

氣化爐作為煤氣化技術(shù)的核心設(shè)備，研究對象主要為燃燒室，研究方法分為為實驗研究與數(shù)值模擬研究。葉正才等[1]對德士古氣化爐進(jìn)行了二維的數(shù)值模擬研究，采用對氨基苯碘酸和T-萘酚兩者反應(yīng)指數(shù)作為考察混合效果指標(biāo)，湍流采用Stand k-ε。代正華等[2]采用對四噴嘴氣化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬和實驗研究，模擬采用空氣作為介質(zhì)，湍流采用Realizable k-ε。于海龍等[3-4]對一種新型氣化爐進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬，湍流采用Stand k-ε，氣固耦合采用Euler-Lagrange模型。劉升等[5]對Texaco氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究，湍流采用Realizable K-ε湍流模型，氣固耦合作用采用Euler-Lagrange模型，粒子軌道采用隨機(jī)軌道模型。婁彤等[6]對單和多噴嘴氣化爐內(nèi)冷態(tài)流場進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬研究，采用空氣作為介質(zhì)，Stand k-ε模型。可以看出冷態(tài)數(shù)值模擬研究主要側(cè)重于將煤粒離散化，使用DPM模型，氣相湍流模型一般采用Realizable k-ε或Stand k-ε，主要考察指標(biāo)為流場分布和煤粒停留時間，但往往未明確提及或忽略了噴嘴多通道結(jié)構(gòu)對氣化爐內(nèi)流場的影響。本文對三通道簡化噴嘴的德士古進(jìn)行了冷態(tài)流動、湍流混合、顆粒停留時間進(jìn)行了模擬，研究了中心氧配比對流場混合效果、顆粒停留時間的影響，是粉煤氣化爐熱態(tài)研究的基礎(chǔ)。

1 研究對象及邊界條件處理

本文選用texaco氣化爐作為研究對象。該氣化爐包含頂部三通道噴嘴，和燃燒室。中心和外環(huán)為氧氣進(jìn)口，中間進(jìn)口為水煤漿進(jìn)口，并對頂部噴嘴進(jìn)行了簡化，保留噴嘴預(yù)混腔部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。在運行工況氧流量20000Nm3/h一定的情況下，熱態(tài)操作壓力為6.5MPa，氧氣進(jìn)料溫度為303K。冷態(tài)模擬中操作壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，將質(zhì)量流量進(jìn)口轉(zhuǎn)化為速度進(jìn)口，使得冷態(tài)和熱態(tài)模擬的進(jìn)口速度保持一致。氣相流體介質(zhì)按空氣參數(shù)，中心氧配比為15%進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，出口為壓力出口。氣相湍流采用Realizeable k-e 模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

圖1 氣化爐燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

2 流場分析

網(wǎng)格數(shù)量會對結(jié)果的精度產(chǎn)生影響，一般來說網(wǎng)格數(shù)量越多，結(jié)果越精確，但是會帶來計算成本的問題。因此有必要對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無關(guān)性考核。以平均湍動能強(qiáng)度和平均湍動能強(qiáng)度為考核指標(biāo)，42.6萬和140.5萬網(wǎng)格的平均湍動能和平均湍流強(qiáng)度差異很小，相對誤差分別為2.9%和0.4%，可以認(rèn)為42.6萬網(wǎng)格滿足計算要求。利用考核好的網(wǎng)格模擬得出中心氧配比為15%時速度及流線圖，如圖2所示。中心流體和外環(huán)流體通過噴嘴高速射速爐內(nèi)，由于噴嘴相對于燃燒室尺寸很小，在噴入爐膛后屬于受限射流，速度梯度變化很大，形成了明顯的射流區(qū)、回流區(qū)及管流區(qū)。其中高速區(qū)集中在軸線處，射流區(qū)的速度衰減很大。回流區(qū)有四個，靠近爐頂?shù)幕亓鲄^(qū)較小，爐膛直段上部的回流區(qū)較大。回流區(qū)對周圍的流體具有一定的卷吸作用，有利于流體之間的混合，增大顆粒停留時間，利于燃燒充分反應(yīng)。

圖2 Z=0平面速度云圖及流線圖

3 中心氧配比對場分布及顆粒停留時間的影響

三通道德士古水煤漿氣化爐，噴嘴中心氧流量所占比例一般為15%～20%。為了分析中心氧所占比例對氣化爐場分布的影響，將中心氧流量所占比例劃分為14%、16%、18%、20%四種工況。在前述計算好的流場基礎(chǔ)上，利用DPM模型，研究氣相流場中的顆粒停留時間。入射粒子采用DPM模型中的惰性顆粒，在噴嘴出口處加入1000個顆粒，顆粒為直徑100μm的球形顆粒，由于顆粒尺寸小數(shù)量少，忽略顆粒相與連續(xù)相的相互作用，顆粒與壁面之間的碰撞為彈性碰撞，即忽略顆粒與壁面之間的碰撞的能量損失，顆粒運動采用隨機(jī)軌道模型。數(shù)值計算的結(jié)果表明，顆粒的平均停留時間為14.5s，最小停留時間4.01s。

中心氧配比14%中心氧配比16%中心氧配比18%中心氧配比20%

圖3 不同中心氧配比下Z=0平面速度云圖

從圖3可看出不同中心氧配比下，速度場分布相似。隨著中心氧速度的增大，最大速度增加明顯，最大速度主要在中心氧與外環(huán)氧匯合處的中心軸線附近。而回流區(qū)和管流區(qū)的速度差異隨著流量的增大，差異不明顯。這是因為噴嘴出口面積是一定的，在總流量一定的情況下，中心氧配比越大，則外環(huán)氧速度就越小，而中心進(jìn)口的面積較小，這樣中心氧進(jìn)口增加的速度就會很明顯，導(dǎo)致噴嘴附近軸線處最大速度會增大，而遠(yuǎn)離噴嘴的地方速度差異小。

圖4 Z=0平面最大湍動能與湍流強(qiáng)度

由圖4可以看出，隨著中心氧進(jìn)口配比量增加，最大湍動能和最大湍流強(qiáng)度都是增加的，說明在14%～20%中心氧配比量下，在氧流量一定時，增大中心氧配比量，有助于增加噴嘴處的湍流混合效果。湍動能與湍流強(qiáng)度分布趨勢比較一致，是因為湍流強(qiáng)度是按照速度波動的均方根與平均速度的比值定義的，湍動能K與湍流強(qiáng)度I，滿足關(guān)系式K=1.5×(u×I)2,其中u為平均速度，所以兩者息息相關(guān)。由圖5可以看出，隨著中心氧配比量的增加，最小停留時間逐漸減小，而平均停留時間先增大后減小，再增大。最小停留時間一直減小是因為，隨著中心氧配比量的增加，中心軸線處的速度增大，一部分顆粒直接沿著中心軸線附近的射流區(qū)離開爐膛。平均停留時間的分布規(guī)律受最小停留時間和最大停留時間的影響，中心氧流量配比越大，則湍動強(qiáng)度越大，回流區(qū)的作用會更加顯著，有利于增大最大顆粒停留時間，而中心氧配比越大，最小停留時間越小，兩相結(jié)合便出現(xiàn)了平均停留時間先增大后減小再增大的規(guī)律。

圖5 Z=0平面最小停留時間與平均停留時間

4 結(jié)論

中心流體和外環(huán)流體通過噴嘴高速射速爐內(nèi)，形成了明顯的射流區(qū)、回流區(qū)及管流區(qū)。其中高速區(qū)集中在軸線處，射流區(qū)的速度衰減很大。最小顆粒停留時間受中心軸線最大速度的影響顯著，回流區(qū)對最大停留時間的影響較大，以最短停留時間和平均停留時間為考核目標(biāo)，在該幾何模型和運行參數(shù)下，中心氧配比量為15%左右時最佳。

[1] 葉正才,吳 韜,王輔臣,等.射流攜帶床氣化爐內(nèi)混合過程的研究[J].華東理工大學(xué)學(xué)報,1998(4):385-388.

[2] 代正華,劉海峰,于廣鎖,等.四噴嘴對置式撞擊流的數(shù)值模擬[J].華東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,30(1):65-68.

[3] 于海龍,張桂芳,董向元,等.噴嘴入射角對水煤漿氣化爐內(nèi)冷態(tài)流場影響的數(shù)值模擬[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2008,19(6):1-4.

[4] 于海龍,劉建忠,張桂芳,等.噴嘴位置對新型水煤漿氣化爐內(nèi)流場的影響[J].動力工程學(xué)報,2006,26(1):135-140.

[5] 劉 升,郝英立.Texaco氣流床煤氣化爐內(nèi)氣固兩相流動的數(shù)值模擬[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,39(4):803-807.

[6] 婁 彤,張忠孝,樊俊杰,等.分級供氧氣流床氣化爐冷態(tài)流場的數(shù)值模擬與實驗研究[J].潔凈煤技術(shù),2011,17(6):53-57.