多通道燒嘴水煤漿氣化過程數(shù)值模擬

張 崢

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

在煤化工工業(yè)中，煤氣化裝置是整個(gè)煤化工企業(yè)的一個(gè)核心和關(guān)鍵裝置，燒嘴又是該裝置中最為重要的組成部分。所以水煤漿加壓氣化裝置長時(shí)間可靠安全的運(yùn)行，對于煤炭資源型企業(yè)來說，無疑具有及其重要的意義[1]。水煤漿氣化工藝燃燒器是一種內(nèi)、中、外三流混合霧化形式，氧氣是通過內(nèi)、外兩通道進(jìn)行運(yùn)送，而水煤漿直接由中心通道運(yùn)送，中心氧與煤漿在預(yù)混室預(yù)混后，再與外環(huán)氧混合霧化燃燒氣化。氣流床氣化過程的作用是將每個(gè)煤顆粒從氣流中分離出來，每個(gè)顆?？梢元?dú)立地膨脹、軟化、燒盡和形成渣，與相鄰顆粒無關(guān)，工藝燒嘴在這一過程中起著決定性的作用[2]。參與氣化反應(yīng)的主要元素之一是氧氣，同時(shí)在水煤漿霧化過程中起到了霧化器的作用。氧分為中心氧和外部環(huán)氧，分別通過各自的通道聚集到燒嘴噴頭部位。由流經(jīng)中間管的水煤漿形成的中間環(huán)空，首先在燒嘴頭部室的小混合室中以一定角度與中心管的中心氧發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)預(yù)混合。中間噴嘴內(nèi)腔和小噴嘴外輪廓組成的小混合室呈逐漸收縮的結(jié)構(gòu)，在高速氧氣流動(dòng)的沖擊、碰撞和搬運(yùn)作用下，水煤漿與氧氣發(fā)生湍流混合[3]。最初被霧化的水煤漿在外環(huán)中被氧進(jìn)一步分散，從而使氧和水煤漿充分混合，煤漿完全霧化。此過程即為水煤漿噴嘴霧化機(jī)理，對于該機(jī)理的認(rèn)識和理解對噴嘴的使用和延遲具有理論意義和實(shí)際價(jià)值[4]。

1 霧化模型的建立

1.1 計(jì)算模型的建立

由于燒嘴結(jié)構(gòu)利用高速氣體與水煤漿的碰撞射流，將水煤漿離散為小液滴，增大氧氣與煤漿的接觸面積，從而增加燃燒效率。目前的Fluent軟件提供兩種霧滴破碎模型：泰勒類比破碎模型(TAB)和波致破碎模型。射流穩(wěn)定性是基于Reitz的理論公式[5]得到的，假定在初始穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上有一無限小軸對稱表面位移:

式中，與增長率的實(shí)部(0)相聯(lián)系的圓頻率與波數(shù)(k=2π/λ)之間存在離散形式的函數(shù)關(guān)系ω=ω(k)。為了確定這種離散關(guān)系式，用三角級數(shù)解求解液體的線性化之后的水力學(xué)方程有：

式中，φ1，ψ1分別為速度勢和流函數(shù)；C1，C2為積分常數(shù)；I0，I1為第一類修正貝塞爾函數(shù)；L2=k2+w/ν1，ν1為液體運(yùn)動(dòng)黏度。液體壓力由方程的無黏部分計(jì)算而來，氣液兩相的線性化邊界條件為：

運(yùn)動(dòng)連續(xù)條件：

剪應(yīng)力連續(xù)條件：

正應(yīng)力連續(xù)條件：

得到液滴離散關(guān)系為：

在液體破碎霧化過程中，初始液滴直徑由上式射流離散關(guān)系得到。液滴破碎成小液滴后，其半徑a 通過假定破碎時(shí)的半徑r 與增長面波長得到，關(guān)系如下所示：

式中，B0為常數(shù)；Λ 為波長。初始液滴的變化率為：

式中，破碎時(shí)間表示為：

1.2 邊界條件的設(shè)置

本文采用商業(yè)軟件FLUENT 進(jìn)行霧化計(jì)算，如圖1 所示，常用的同心三通道燒嘴結(jié)構(gòu)包括內(nèi)噴嘴（通道一）、環(huán)形水煤漿流道（通道二）和外環(huán)氧流道（通道三）。內(nèi)噴嘴通常不與燒嘴出口對齊，形成水煤漿和氧氣的預(yù)混腔，外環(huán)氧流道主要用于水煤漿霧化。在燒嘴外部安裝有盤管或夾套換熱管，用于燒嘴的傳熱降溫。

本文中主要針對燒嘴內(nèi)部水煤漿霧化效果，壁面沖蝕及外層換熱熱應(yīng)力集中展開研究，因此，通過改變部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行計(jì)算結(jié)果評價(jià)。如圖2 所示為部分變化的幾何尺寸示意圖。其中L1為內(nèi)噴嘴與水煤漿預(yù)混腔，L2為水煤漿和外氧環(huán)預(yù)混腔，L3為出口縮徑量，D1 為內(nèi)噴嘴直徑，D2為水煤漿環(huán)形間隙，D3為外氧環(huán)空間隙。

圖1 水煤漿燒嘴幾何模型圖

圖2 水煤漿燒嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化參數(shù)示意圖

數(shù)值計(jì)算均采用速度入口和壓力出口邊界，湍流模型選擇k-ε 湍流模型，考慮介質(zhì)流動(dòng)換熱。針對燒嘴霧化計(jì)算，設(shè)置為液體水煤漿和氣體流動(dòng)三個(gè)區(qū)域；針對煤粉沖蝕，設(shè)置為內(nèi)外氣體區(qū)域，中心環(huán)水煤漿流動(dòng)區(qū)域三區(qū)域；針對燒嘴外層換熱計(jì)算，設(shè)置為外層冷卻水、內(nèi)層氣體和中心水煤漿三區(qū)域。為了減小計(jì)算量，采用中心對稱結(jié)構(gòu)，換熱壁面采用傳熱模型。壁面均采用無滑移壁面，近壁面網(wǎng)格尺寸0.1mm，劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，每章計(jì)算根據(jù)計(jì)算區(qū)域不同，網(wǎng)格數(shù)不同。計(jì)算采用SIMPLE 方法，迭代時(shí)間步精度0.001s，殘差小于 時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 霧化計(jì)算結(jié)果

圖3 水煤漿內(nèi)噴嘴射流霧化水煤漿計(jì)算網(wǎng)格圖

衡量水煤漿霧化效果，通常根據(jù)液滴的索泰爾直徑D32（Sauter mean diameter-SMD）表征。如圖3 所示為內(nèi)噴嘴氣體射流和中心環(huán)水煤漿射流的計(jì)算網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域?yàn)檠剌S線中心對稱結(jié)構(gòu)，射流入口段長度400mm，霧化爐計(jì)算區(qū)域長度2000mm，四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)273516，邊界層網(wǎng)格10 層，首層寬度0.1mm。氣體含氧99%，水煤漿參數(shù)如表1 所示，黏度500mPa·s，密度1200kg/m3。氣體入口流速50~150m/s，水煤漿流速5m/s。入口溫度20℃，爐內(nèi)溫度1300℃。計(jì)算采用二階中心差分格式，SIMPLE 計(jì)算方法，時(shí)間精度0.001s，設(shè)置重力方向與水煤漿流動(dòng)方向一致。

為了對比分析各因素對水煤漿霧化的影響，利用正交分析方法得到內(nèi)外環(huán)氣體流速、中心環(huán)錐角和出口擋板長度對水煤漿霧化SMD 值的影響。表1 所示為四因素三水平正交表。其中選取內(nèi)外氣體流速、中心水煤漿出口錐角和燒嘴出口擋板伸長量作為影響水煤漿霧化SMD 的主要因素，選取三種常用參數(shù)作為每種因素的水平值。

表1 四因素三水平L9（34）正交表

為了對比分析各因素對水煤漿霧化的影響，利用正交分析方法得到內(nèi)外環(huán)氣體流速、中心環(huán)錐角和出口擋板長度對水煤漿霧化SMD 值的影響。選取四因素三水平正交分析，其中選取內(nèi)外氣體流速、中心水煤漿出口錐角和燒嘴出口擋板伸長量作為影響水煤漿霧化SMD 的主要因素，選取四因素三水平正交分析三種常用參數(shù)作為每種因素的水平值。

將每種因素的三水平值排列組合得到正交方案，共9 組計(jì)算結(jié)果。計(jì)算每種因素每個(gè)水平對應(yīng)的SMD 平均值K 和方差R，結(jié)果顯示對于A，B，C，D 四種因素對應(yīng)的最優(yōu)水平分別為A3，B1，C2，D3。其中，中心環(huán)錐角和外環(huán)氣體流速結(jié)果與前面幾節(jié)計(jì)算結(jié)果略有差異，說明考慮多因素影響時(shí)，各因素之間相互影響導(dǎo)致部分最優(yōu)值與單因素時(shí)不同。根據(jù)方差計(jì)算結(jié)果，對于水煤漿霧化影響最大的是燒嘴出口擋板尺寸，其次為內(nèi)噴嘴氣體流速；影響最小的是外環(huán)氣體流速。因此，從影響霧化的單因素考慮，增大內(nèi)噴嘴氣體流速、中心環(huán)錐角、外環(huán)氣體流速、出口擋板長度都會減小SMD 值。但是，綜合考慮各因素的影響，得出增大內(nèi)噴嘴氣體流速，減小中心環(huán)錐角，控制外環(huán)氣體與水煤漿的氣液比，同時(shí)增大擋板長度可以有效減小SMD 值。

3 結(jié)論

本文利用DPM 液滴運(yùn)動(dòng)及破裂模型，計(jì)算了內(nèi)外環(huán)氣體流速、中心環(huán)錐角和出口擋板長度對水煤漿霧化的影響，討論了各因素的變化規(guī)律和共同作用下的最優(yōu)區(qū)間，得出如下主要結(jié)論：

1）內(nèi)噴嘴氣體流速和外環(huán)氣體流速的增加可以有效降低SMD 值，同時(shí)，單一的內(nèi)噴嘴氣流對水煤漿霧化效果弱于含外環(huán)流道時(shí)的效果。在內(nèi)外環(huán)氣體共同噴射下，水煤漿在預(yù)混腔內(nèi)被氣流沖擊形成了初步液滴破碎，有助于最終霧化粒徑的減小。

2）當(dāng)改變中心環(huán)水煤漿流道出口錐度時(shí)，增加了水煤漿射入中心氣流的角度，使煤粉液滴與氣流混合更為均勻，從而增加了霧化效果。當(dāng)增加燒嘴節(jié)流擋板時(shí)，增大了氣液混合時(shí)間和內(nèi)部湍流強(qiáng)度，同樣提高了霧化效果。

3）通過對多個(gè)因素共同作用下的水煤漿霧化SMD 值進(jìn)行對比計(jì)算，得出了影響水煤漿霧化的最關(guān)鍵因素和最優(yōu)值。