頂置多噴嘴氣化爐點(diǎn)火燒嘴熄火可行性數(shù)值模擬研究

孫志田，李光，任冰濤

（1.山東明化投資控股集團(tuán)有限公司，山東章丘250200；2.山東明泉新材料科技有限公司，山東章丘250200）

高壓干粉煤氣化爐為多噴嘴頂置形式，其燒嘴分為點(diǎn)火燒嘴和粉煤燒嘴。點(diǎn)火燒嘴位于氣化爐頂中心，周向均布3個(gè)粉煤燒嘴，燒嘴及氣化爐結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 燒嘴及氣化爐結(jié)構(gòu)圖

氣化爐開(kāi)車時(shí)，利用液化氣作為點(diǎn)火燒嘴的燃料氣，純氧為氧化劑，點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)燃后持續(xù)燃燒，為氣化爐升壓升溫，當(dāng)爐壓達(dá)到3.5～3.6MPa時(shí)投粉煤燒嘴。投煤后點(diǎn)火燒嘴在較小的功率下作為長(zhǎng)明燈運(yùn)行，此時(shí)利用循環(huán)回送的合成氣作為燒嘴的燃料。

合成氣是一種重要的化工原料氣，作為燃料直接燃燒掉會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此研究投煤后停掉點(diǎn)火燒嘴，僅對(duì)點(diǎn)火燒嘴通氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，氣化爐能否正常運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 數(shù)學(xué)方程

本文采用FLUENT軟件對(duì)粉煤氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬。FLUENT是基于有限體積求解N-S方程的軟件包，從質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律出發(fā)，建立起湍流兩相多組分化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的控制方程組，包括氣相控制方程組和液相控制方程組；兩相之間的耦合則由氣/液相互作用的源項(xiàng)來(lái)描述；采用歐拉坐標(biāo)系描述氣相方程；采用拉格朗日坐標(biāo)系下的粒子軌道方法來(lái)模擬跟蹤液滴的運(yùn)動(dòng)[1]。

1.1 N-S方程組

選用包含多種組分、帶化學(xué)反應(yīng)的雷諾平均、守恒型N-S方程作為氣體湍流流動(dòng)、燃燒的控制方程，表示如下：

1.2 氣相控制方程

三維可壓兩相流內(nèi)流場(chǎng)，氣相的控制方程為：

①連續(xù)方程：

②動(dòng)量方程：

③能量方程：

④組分方程：

1.3 煤粉顆粒控制方程

氣體作為連續(xù)介質(zhì)，煤粉顆粒作為離散系統(tǒng)，將煤粉分成有代表性的幾組離散顆粒，并用Lagrangian方法跟蹤這些離散顆粒在全流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和輸運(yùn)，通過(guò)顆粒動(dòng)力學(xué)方程求解顆粒軌道，耦合求解顆粒與氣相之間的質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換來(lái)得到顆粒的溫度、半徑等參數(shù)的變化規(guī)律與氣相場(chǎng)。顆粒作用力平衡方程（顆粒慣性力＝作用在顆粒上各種力的合力）的形式為：

2 物理模型

2.1 湍流模型

本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。k方程是個(gè)精確方程，ε方程是個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。

①湍流動(dòng)能方程k：

②擴(kuò)散方程ε：

C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε為模型常量，這些常量的取值從試驗(yàn)中得來(lái)，對(duì)于模擬空氣、水大多數(shù)湍流情況都是適用的。

2.2 煤粉顆粒尺寸分布模型

煤粉顆粒分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式有多種，在本文中采用的是Rosin-Rammler分布：

式中Ri是顆粒中顆粒直徑小于di的所有顆粒的累積質(zhì)量占顆粒總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

2.3 煤粉揮發(fā)酚蒸發(fā)模型

顆粒在達(dá)到揮發(fā)酚蒸發(fā)溫度之前，加熱規(guī)律由下式描述：

其中：Ap是顆粒表面積，T∞是當(dāng)?shù)貧怏w溫度，h是對(duì)流換熱系數(shù)。

2.4 熱輻射模型

氣化爐中火焰輻射、表面輻射換熱及導(dǎo)熱、對(duì)流與輻射的耦合問(wèn)題都要應(yīng)用輻射傳播方程。計(jì)算中采用了P-1輻射模型[2]。

其中a為吸收系數(shù)；σs為散射系數(shù)；G為入射輻射；C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù)。

2.5 煤粉顆粒工業(yè)分析

煤主要由三種成分組成：固體碳、揮發(fā)分和灰分。

采用的煤粉顆粒，工業(yè)分析如下：64%的碳，28%的揮發(fā)分，8%的灰分。

3 模擬結(jié)果與分析

本部分分別對(duì)熄滅點(diǎn)火燒嘴，通入保護(hù)氮?dú)饬繛?0 Nm3/h、45 Nm3/h、22.5Nm3/h及0 Nm3/h四種工況進(jìn)行計(jì)算，模擬熄滅點(diǎn)火燒嘴通入保護(hù)氮?dú)鈱?duì)氣化爐正常運(yùn)行的影響。

3.1 通入90Nm3/h氮?dú)?/h3>

圖2為通入90 Nm3/h氮?dú)鈺r(shí)燒嘴頭部截面各個(gè)物理量分布云圖，從圖中可以看出N2主要分布在點(diǎn)火燒嘴噴孔中心附近；CO主要分布于粉煤燒嘴周圍，最高百分?jǐn)?shù)為99.3%；火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上，火焰最高溫度為3810K，由于點(diǎn)火燒嘴熄滅通入保護(hù)氮?dú)猓邳c(diǎn)火燒嘴位置形成一低溫區(qū)；點(diǎn)火燒嘴位置流場(chǎng)并沒(méi)有因?yàn)楸Ｗo(hù)氮?dú)獾耐ㄈ攵a(chǎn)生回流區(qū)，整個(gè)燃燒室具有比較均勻的速度分布。

3.2 通入45Nm3/h氮?dú)?/h3>

圖3為通入45Nm3/h氮?dú)鈺r(shí)燒嘴頭部截面各個(gè)物理量分布云圖，從圖中可以看出N2主要分布在點(diǎn)火燒嘴噴孔中心附近；CO主要分布于粉煤燒嘴周圍，最高百分?jǐn)?shù)為99.1%；火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上，火焰最高溫度為3500K，由于點(diǎn)火燒嘴熄滅通入保護(hù)氮?dú)猓邳c(diǎn)火燒嘴位置形成一低溫區(qū)，但是低溫區(qū)的溫度有所上升，達(dá)到了1400K左右；點(diǎn)火燒嘴位置流場(chǎng)并沒(méi)有因?yàn)楸Ｗo(hù)氮?dú)獾耐ㄈ攵a(chǎn)生回流區(qū)，整個(gè)燃燒室具有比較均勻的速度分布。

圖2 通入90 Nm3/h氮?dú)鉄祛^部截面各個(gè)物理量

圖3 通入45Nm3/h氮?dú)鉄祛^部截面各個(gè)物理量

3.3 通入0Nm3/h氮?dú)?/h3>

圖4 為通入0Nm3/h氮?dú)鈺r(shí)燒嘴頭部截面各個(gè)物理量分布云圖，從圖中可以看出N2不但分布在點(diǎn)火燒嘴噴孔中心附近，而且在粉煤燒嘴組成的三角區(qū)域外圍也分布一定氮?dú)猓籆O主要分布于粉煤燒嘴周圍，最高百分?jǐn)?shù)為99.3%，但是總的平均摩爾分?jǐn)?shù)降得更低；火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上，火焰最高溫度為3500K，由于點(diǎn)火燒嘴熄滅通入保護(hù)氮?dú)猓邳c(diǎn)火燒嘴位置形成一低溫區(qū)，但是低溫區(qū)的溫度有所上升，達(dá)到了2000K左右；點(diǎn)火燒嘴位置流場(chǎng)并沒(méi)有因?yàn)楸Ｗo(hù)氮?dú)獾耐ㄈ攵a(chǎn)生回流區(qū)，整個(gè)燃燒室具有比較均勻的速度分布。

3.4 不同工況對(duì)比分析

對(duì)比三種工況模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著中心點(diǎn)火燒嘴通入保護(hù)氮?dú)鈿獾牧髁繙p小，粉煤燒嘴組成的三角區(qū)域的燃燒溫度越來(lái)越高，這說(shuō)明三個(gè)工藝燒嘴的火焰逐漸靠近中心區(qū)。另外還發(fā)現(xiàn)即使中心的點(diǎn)火燒嘴沒(méi)有通入保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù)，雖然頭部中心區(qū)的火焰高溫區(qū)已經(jīng)非常靠近，但仍然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高的區(qū)域，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)火焰偏燒的狀況。

圖4 通入0 Nm3/h氮?dú)鉄祛^部截面各個(gè)物理量

綜合分析，當(dāng)通入的保護(hù)氣流量小于45Nm3/h時(shí)，三個(gè)工藝燒嘴的火焰非常靠近，高溫區(qū)的溫度已經(jīng)超出了點(diǎn)火燒嘴頭部材料所能承受的最高溫度，故在實(shí)際運(yùn)行中點(diǎn)火燒嘴的保護(hù)氮?dú)饬坎粦?yīng)該低于45Nm3/h。

4 結(jié)論

1）熄滅點(diǎn)火燒嘴，通入氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，粉煤燒嘴火焰不發(fā)生偏燒，粉煤燒嘴之間不會(huì)發(fā)生相互干擾。2）通入的氮?dú)鈶?yīng)該具備一定的流量和速度，即射流剛度，才能實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣作用，最低的保護(hù)氮?dú)饬繎?yīng)該控制在45Nm3/h，一旦低于這個(gè)值很可能會(huì)對(duì)點(diǎn)火燒嘴和粉煤燒嘴造成雙重破壞。