固定床熔渣氣化爐內冷態氣固兩相流動特性

杜 時,樊俊杰,張忠孝,張樂宇

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

0 引 言

我國絕大部分煤用于直接或間接燃燒,不僅利用效率低,而且污染排放嚴重,實現煤高效燃燒與環保利用的最有效途徑就是煤氣化[1]。固定床煤氣化技術,因具有煤種適應性強、生產強度大、能量利用率高等特點備受現代煤化工企業的青睞[2-3]。其中液態排渣氣化爐氣化率高[4-6],但問題在于我國煤儲量中有大量灰熔融溫度高于1 400℃的煤種,灰渣在熔渣氣化爐排渣口處易發生冷凝堵渣[7]。為了解決固定床氣化爐對高灰熔融溫度煤的適應性問題,在氣化劑噴嘴下部熔渣區域附近加設水冷式甲烷及氧氣噴嘴,采用交替布置CH4和O2噴嘴提供CH4和O2切向氣流在渣池附近混合燃燒為熔渣提供熱量,使灰渣順利排出。研究爐內冷態空氣動力場分布是有效設計高性能氣化爐或優化爐膛結構的基礎[8]。張生富等[9]建立高爐三維冷態試驗模型發現了風口直徑、鼓風量對回旋區穿透深度及高度的影響;鐘思青等[10]利用Fluent模擬軸向流固定床內流體的流動特性,發現消除氣體的初始動能使氣體在整個截面上的分布得到明顯的改善。

本文通過試驗及數值模擬對固定床氣化爐爐內冷態流場分布進行分析研究,考察噴嘴角度、噴嘴速度等對流場分布的影響,為開發適合我國高灰熔融溫度煤的液態排渣氣化工藝提供必要的基礎數據。

1 固定床熔渣氣化爐內氣固兩相流冷態試驗系統及工況

為了方便對固定床氣化爐內氣固兩相流動特性進行測量及觀察,根據相似模化理論,以BGL型實際處理900～1 100 t/d固定床氣化爐為原型,搭建了比例為1∶7.2的固定床熔渣氣化爐局部區域剖體冷態實物模型。在試驗過程中,爐膛內部填充滿保麗龍顆粒,采用多孔網的結構密封出口,在防止顆粒逃逸的同時,保證氣體在出口正常流出。冷態試驗系統結構如圖1所示。

由于實際過程中氣體高速從噴嘴射流噴入爐膛,需高壓提供驅動力,因此,氣化劑氣體由鋼瓶N2供給,為保證試驗氣體流量穩定供給,采用質量流量控制器分別控制各支路氣體流量,觀察不同工況下射流深度及回流區變化。試驗工況見表1。

表1 冷態試驗及數值模擬工況Table 1 Cold test and numerical simulation conditions

2 固定床氣化爐數值建模

采用基于有限體積法(finite volume method)的CFD商用軟件Fluent進行模擬計算,物理模型與氣化爐冷態模型一致,噴嘴尺寸較小,且噴嘴氣速較高,故對噴嘴附近網格進行了局部加密。氣化爐網格總數60萬～70萬,如圖2所示。床層模型用以表達床層中氣、固相在氣化過程中的守恒關系,氣化爐內氣化劑均勻供給;氣化床與底層爐排間無相對滑動,床料自身相對靜止,不出現攪拌、漏料等情況[11]。假設整個床層是由尺寸相同且均勻分布的球形顆粒構成,即可采用多孔介質模型來仿真物料床層結構[12];本文料層采用各向同性的多孔介質模型,通過在流體動量方程中附加的動量源項,考慮流體通過多孔介質時流體流動所受的影響[13]。湍流模型選擇標準k模型,進口條件為速度進口,出口條件為壓力出口。

圖2 軸截面網格結構和噴嘴橫截面網格結構Fig.2 Shaft cross-section grid and nozzle cross-section grid structure

多孔介質具有黏性阻力和慣性阻力,黏性阻力為滲透率的倒數,可表示[14-15]為

慣性阻力C2可表示為

式中,a為滲透率,%;Dp為顆粒當量直徑,m;ε為床層孔隙率。

3 試驗結果與討論

3.1 噴嘴速度對料層內部流場分布的影響

實際固定床氣化爐氣化運行過程中,爐內填充有大量煤及煤焦顆粒,氣化劑高速射流進入物料床層后,一方面高速射流氣體對噴嘴附近區域的煤焦顆粒具有一定的沖擊、擠壓作用,另一方面,在高溫條件下,氣化劑與煤焦顆粒發生劇烈燃燒、氣化反應,消耗一部分煤焦顆粒,促進穿透區域的形成。不同噴嘴速度條件下料層內部速度分布流線如圖3所示。由圖3可以看到,隨著氣體流量不斷增加,氣體射流速度不斷增加,雖然固定床氣化爐料層內部流場分布結構沒有太大的變化,但爐內擾動效果及回流效果得到強化,提高了爐內空間利用效率。噴嘴水平布置時氣體射流速度對最大射流深度的影響如圖4所示。從圖4同樣可以看出,隨著氣體射流速度的不斷增加,氣體在物料內部的穿透距離不斷加長。噴嘴直徑為3 mm時,當氣體射流速度為80 m/s,氣體在料層內部最大射流深度約為6.1 cm;當氣體射流速度增加至180 m/s,氣體在料層內部最大射流深度約為11.7 cm。通過冷態試驗測量比對分析,氣體在料層中達到最大射流穿透深度時對應的速率為9 m/s。因此,為了方便觀察不同工況條件下最大射流穿透深度,同時避免因噴嘴速度和爐內速度相差太大,造成速度梯度大而無法較好顯示固定床氣化爐內流場分布,設定圖中速度顯示的最大速度為9 m/s。數值模擬結果與冷態試驗結果相似,模擬計算值比試驗值偏大,原因在于試驗中料層摩擦及靜電的作用造成黏性阻力及慣性阻力比理論值大,實際最大射流深度偏小。

圖3 不同噴嘴速度條件下料層內部速度分布流線Fig.3 Streamline of velocity distribution inside material layer under different nozzle speed conditions

3.2 噴嘴下傾角度對料層內部流場分布的影響

圖4 噴嘴水平布置時氣體射流速度對最大射流深度的影響Fig.4 Effect of the velocity of gas jet on the maximum jet depth with nozzle arranged horizontally

不同噴嘴下傾角度條件下,氣體在料層內部速度分布流線如圖5所示。隨著噴嘴下傾角度的增加,氣流徑向射流距離不斷減少,氣流向下流動的份額不斷加大,在顆粒的作用下,氣流分布逐漸變得更均勻,強化了射流氣體周邊的擾動效果,回流區范圍不斷增大,有利于氣化反應的進行。通過冷態試驗影像圖,發現噴嘴上下形成了2個小的回流區,隨著噴嘴下傾角度的增加,射流深度、回流區徑向深度及回流區高度呈不斷減小趨勢,氣流分布均勻性得到改善,尤其在下傾角度較大時,噴嘴界面氣體分布均勻性的改善尤為明顯。

圖5 不同噴嘴下傾角度下料層內部速度分布流線Fig.5 Streamline of velocity distribution inside material layer under different nozzle dipping angle conditions

噴嘴下傾角度對料層內部水平和噴嘴方向射流深度的影響如圖6所示。在噴嘴下傾角度不大時,對料層內部水平射流深度影響不大,但下傾角度進一步增大時,由于氣化爐底面對堆積顆粒的支撐作用,且徑向分量逐漸減小,料層內部水平射流深度減小,在低速時尤為明顯。計算工況下,噴嘴下傾角度為20°和25°時,料層內部水平射流深度由7.9 cm降至7.0 cm。結合冷態均相空氣動力場試驗及模擬計算結果,通過對比分析發現,噴嘴下傾5°～10°時,料層內部水平方向射流穿透深度適中,爐內流場分布較好。

3.3 噴嘴切圓布置對料層內部流場分布的影響

噴嘴下傾5°時切圓布置對固定床氣化爐料層內部流場分布的影響如圖7所示。隨著噴嘴切圓角度的增大,噴嘴對沖碰撞作用減小,氣流逐漸偏離徑向區域,當氣流切圓旋轉15°時,在噴嘴軸截面對置的兩射流氣流在中心軸沒有匯聚,噴嘴軸截面的速度分布云圖結構基本沒有改變。由于噴嘴的切圓旋轉,噴嘴軸截面的回流區結構發生變化,噴嘴軸截面氣體分布量逐漸變少,這主要是氣流偏轉造成的。由圖7看出,隨著噴嘴切圓角度的增加,射流氣流逐漸偏移徑向方向,橫截面中心軸位置逐漸出現氣流低速區(切圓15°工況)。對比分析不同噴嘴下切向角度對料層內部噴嘴橫截面流場分布影響,發現計算工況條件下,當切圓角度很大時,雖然噴嘴切圓布置,但料層內部氣體旋流效果相對均相較差,這主要是大量堆積的物料層的作用。

圖6 噴嘴下傾角度對料層內部射流深度的影響Fig.6 Effect of nozzle dipping angle on the jet depth inside the material

圖7 噴嘴切圓布置時料層內部和噴嘴徑向橫截面速度分布流線Fig.7 Streamline of velocity distribution inside material layer and radial cross section of nozzle with nozzle arranged tangent

噴嘴下傾5°時不同切圓角度布置時料層內部射流穿透深度規律如圖8所示。當噴嘴下傾5°時,計算工況條件下,隨著噴嘴切圓旋轉角度的增加,噴嘴方向料層內部射流穿透深度呈不斷增加趨勢,當噴嘴切圓旋轉角度增至5°～10°時,料層內部噴嘴方向射流穿透深度約8.63 cm。雖然當噴嘴切圓旋轉角度增至15°時,料層內部噴嘴方向射流穿透深度約為8.72 cm,但水平方向射流穿透深度明顯下降。綜合考慮,計算工況條件下,為了達到較好的射流深度及爐內流場分布,最優工況為噴嘴下傾5°、切圓旋轉10°。

圖8 噴嘴切圓布置時料層內部射流穿透深度規律Fig.8 Regular of jet penetration depth inside material layer with nozzle arranged tangent

4 結 論

1)隨著氣體射流速度的增加,氣體在物料內部的穿透距離加長,爐內擾動效果及回流效果得到了強化,提高了氣化爐爐內空間的利用效率。

2)噴嘴下傾角度增加,射流深度、回流區徑向深度及回流區高度減小。氣流徑向射流距離減少,氣流向下流動的份額加大,在顆粒的作用下,氣流分布逐漸變得更均勻,有利于氣化反應的進行。但隨著下傾角度的進一步增大,料層內部水平射流深度開始減小。當噴嘴下傾5°～10°時為最優工況,料層內部噴嘴方向射流穿透深度最大,爐內流場分布較好。

3)隨著噴嘴切圓角度的增大,噴嘴對沖碰撞作用減小,氣流逐漸偏離徑向區域,噴嘴軸截面氣體分布量逐漸變少,料層內部射流穿透深度呈先增大后減小趨勢;綜合考慮,計算工況條件下,噴嘴下傾5°、切圓旋轉10°時,爐內流場分布效果相對最佳。

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