水煤漿燒嘴頭部混合流動及壓差波動數值仿真模擬

李曉鵬，朱曉龍，王 凱

（1.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100）

引 言

工藝燒嘴是水煤漿氣化爐的核心設備之一，一般為三通道結構，并根據霧化形式的不同分為預混式和預膜式。三通道的中心和外側為氧氣管道，中間為水煤漿管道。通過氧流股和煤漿流股的動量交換，達到霧化煤漿的目的，從而為氣化爐內的燃燒和氣化過程創造條件。

燒嘴壓差（進燒嘴水煤漿壓力與氣化爐操作壓力的差值）是氣化工藝重要控制指標，一般為0.2 MPa～0.6 MPa。正常工況下，燒嘴壓差保持穩定，運行后期，隨著燒嘴的磨損，燒嘴壓差會逐漸降低，當不能滿足霧化要求時，則需要對燒嘴進行修復。

在生產運行中，當水煤漿的物性參數和燒嘴頭部尺寸發生改變后，燒嘴壓差有時會發生頻繁波動，這會造成燒嘴的霧化效果變差，嚴重時引起燒嘴頭部回火燒蝕，影響氣化爐安全、穩定、長周期運行[1]。一般情況下，當生產系統運行穩定時，氣化爐操作壓力也相對穩定，燒嘴壓差波動可能與水煤漿的黏度和燒嘴頭部尺寸有關。

當前通過試驗研究來分析燒嘴壓差波動存在較大的困難和條件限制，水煤漿工藝燒嘴噴頭結構尺寸對燒嘴壓差的影響并無相關研究。而通過數值仿真模擬燒嘴頭部氧氣和水煤漿的流動及混合作用，可代替試驗深入研究燒嘴壓差波動的機理，也有助于認識燒嘴霧化過程，有效減小燒嘴壓差波動對運行的影響。本文采用商業軟件FLUENT 進行數值仿真，研究了水煤漿黏度變化對水煤漿入口壓力波動引起的燒嘴壓差波動的影響和不同的燒嘴結構對燒嘴壓差波動及頭部流場分布的影響。

1 物理模型與計算方法

1.1 物理模型與研究問題

此次數值仿真研究的對象為預混式燒嘴（其結構模型見圖1）和預膜式燒嘴（其模型見圖2），選取的燒嘴設計流量如表1 所示。注：進燒嘴氧氣壓力7.48 MPa，溫度40 ℃。

圖1 預混式燒嘴結構模型

圖2 預膜式燒嘴結構模型

表1 2 種不同結構的燒嘴設計流量m3/h

此次研究的仿真算例如表2 所示。通過Case1 和Case2 可分析水煤漿黏度變化對水煤漿入口壓力波動引起的燒嘴壓差波動及流場分布的影響規律；通過Case1 和Case3 可分析不同的燒嘴結構形式對燒嘴壓差波動和頭部流場分布的影響規律。

表2 數值仿真算例

1.2 控制方程與計算模型

此次數值仿真研究的可壓縮性流動用FLUENT 所解的標準連續性和動量方程來描述，能量方程能很好地處理流動速度和靜溫之間的耦合，FLUENT 所解的能量方程見方程式（1）：

在式（1）中：

其中，對于可壓縮性流體，理想氣體的顯焓為：

式中：ρ——密度，kg/m3；E——單位質量流體的能量，kJ/kg；t——時間，s；u——速度，m/s；P——壓力，Pa；Keff——有效熱傳導系數，W/（m·K）；T——靜溫，K；hj′——組分j′的焓，kJ/kg；Jj′——組分j′的擴散流量，m3/s；(τij)eff——應力張量，Pa；Sh——包括了化學反應熱以及其他用戶定義的體積熱源項，kJ；h——顯焓，kJ/kg；mj′——組分j′的質量分數，%；ui——速度在介質主流動方向的分速度，m/s；uj——速度在垂直于介質主流動方向的分速度，m/s；i——介質主流動方向；j——介質主流動方向的垂直方向；j′——模擬對象的介質組分。

主要計算模型選擇：多相流采用Volume of Fluid Model，湍流采用 Standard k-ε Model。

由于水煤漿燒嘴為軸對稱結構，所以采用二維軸對稱模型（如圖1 和圖2 所示）。求解方式采用壓力基求解器和瞬態計算。綜合考慮各種選項的精度、計算開銷、數值穩定性等，各變量均采用二階迎風格式。

1.3 邊界條件

仿真模型主要邊界條件設置如表3 所示。

表3 仿真模型主要邊界條件

2 結果與分析

2.1 水煤漿霧化過程

模擬過程中，可直觀地觀測水煤漿的霧化過程：來自燒嘴中間管道的水煤漿流在預混腔內，被中心氧氣沖散，形成不規則的液膜，同時部分液膜在中心氧噴口處的渦流作用下，被進一步剝離形成絲帶狀細流；經過預混加速后的膜狀流體在燒嘴出口處被外環氧高速剪切后，進入氣化爐內，變成大量的液滴；在氣化爐內煤漿液滴繼續和高速氧氣進行動量交換，最終液滴在摩檫力和內部引力的共同作用下，被破碎成更細的霧滴。

根據上述模擬結果，可知水煤漿的霧化分兩個階段，第一階段是水煤漿流在中心和外環氧氣流作用下破碎成煤漿滴，一般稱這一階段為初次霧化；第二階段是水煤漿滴在高速氧氣流作用下被破碎成更小的霧滴，一般稱這一階段為水煤漿的二次霧化。

2.2 速度和組分分布流場

3 個算例中氧氣和水煤漿的組分分布云圖如圖3所示，速度分布云圖如圖4 所示。

圖3 流體組分（體積分數）分布云圖

圖4 流體速度分布云圖（單位：m/s）

從圖3 可看出，在預混式結構中，中心氧氣和水煤漿在燒嘴頭部預混腔內進行動量交換，高速氧氣從中心噴口射流出來，在外側預混區產生渦流，將水煤漿剝離成膜狀，然后在外環氧進一步作用下轉變成絲帶狀，最后變成小霧滴。當水煤漿的黏度發生改變時，預混腔內的動量交換和流場分布也開始變化，尤其明顯的是水煤漿的霧化效果和流動穩定性。

從圖4 可看出，在預混式結構中，中心氧氣和水煤漿從燒嘴頭部混合后噴出，動量交換作用引起瞬時流量交替變化。當水煤漿的黏度降低時，中心氧氣和煤漿的動量交換作用更強烈，兩者混合后流速更大，水煤漿霧化效果會更好，但需要注意的是，此時水煤漿流的壓力、速度穩定性會變差。

對比預混式結構，預膜式結構則不存在中心氧氣和水煤漿在預混腔內的動量相互作用，因此水煤漿流的壓力、速度參數相對比較穩定。綜上所述，預膜式燒嘴對水煤漿物性參數變化的適應性更好。

2.3 黏度對水煤漿入口壓力的影響

Case1 和Case2 算例中，流體的壓力分布云圖如圖5 所示。由圖5 可知，高黏度時，燒嘴預混腔內壓力與水煤漿流壓力差別很小，而低黏度時，燒嘴預混腔內壓力明顯低于水煤漿流壓力。

4.執法人員的綜合素養有待提高。作為落實“誰執法誰普法”責任制的直接責任人，執法人員的專業素質和法治素養直接決定了“誰執法誰普法”的工作實效。落實“誰執法誰普法”責任制，對一線的執法人員提出了更高的要求，不僅專業要過硬，更要有良好的法治素養。調研中發現，部分執法人員專業業務過硬，但法治素養較弱，運用法治思維與法治方式解決問題的能力還不夠強，在面對群眾釋法說理上存在一定的短板。

圖5 流體壓力分布云圖（單位：Pa）

選取水煤漿入口邊界點進行壓力監測，Case1 和Case2 對應的監測點處水煤漿壓力波動頻率、振幅分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 水煤漿入口壓力波動頻率

圖7 水煤漿入口壓力波動振幅

由圖6、7 可知，當水煤漿黏度為 1 200 mPa·s 時，水煤漿入口監測點處壓力波動頻率分別為135 Hz 和310 Hz，壓力波動范圍為 6.63 MPa～7.38 MPa；水煤漿黏度為100 mPa·s 時，水煤漿入口監測點處壓力波動頻率分別為180 Hz 和310 Hz，壓力波動范圍為6.80 MPa～7.30 MPa。

對比分析Case1 和Case2 可知，低黏度時，在預混腔內中心氧氣和水煤漿的動量交換作用更強烈，霧化效果則更好，但是水煤漿流更容易被氧氣擾動，容易引起燒嘴壓差波動。低黏度時水煤漿入口壓力的低頻波動頻率比高黏度時高45 Hz，而兩者的高頻壓力波動頻率相同，總體上高黏度和低黏度水煤漿壓力波動頻率屬于相同的數量級。觀察發現，高、低黏度水煤漿入口壓力波動振幅的低值（0.5 MPa）和實際運行中的燒嘴壓差參數比較接近。

水煤漿的濃度愈高，其運動黏度也增加，壓力波動所引起速度的波動值愈小[3]，反之低黏度時，水煤漿燒嘴預混腔噴出速度的波動會比較大。當煤漿壓力波動的振幅和平均壓力的比值≥0.05 時（如Case1），由于出現了較大的回流區，回流速度和平均壓力所產生的前進速度相近時，則在局部時間內會出現停滯區。上述因素都容易造成燒嘴運行時頭部回火燒蝕損壞。

2.4 燒嘴結構對水煤漿入口壓力的影響

Case3 算例流體的壓力分布云圖如圖8 所示。由圖8 可知，中心氧壓力沿噴口軸向呈明顯的梯度分布。

Case3 算例水煤漿入口壓力波動頻率和振幅如圖9 所示。由圖9 可知，預膜式結構燒嘴的煤漿入口監測點處壓力波動頻率為1 244 Hz，壓力波動范圍為6.33 MPa～6.76 MPa。

圖8 Case3 算例的流體壓力分布云圖（單位：Pa）

圖9 Case3 算例的水煤漿入口壓力波動頻率和振幅

對比分析Case1 和Case3 可知，在相同煤漿黏度下，預膜式燒嘴煤漿入口壓力波動頻率是預混式結構的4 倍～9 倍，而預膜式燒嘴煤漿入口壓力波動振幅的均值僅為預混式燒嘴的57%左右。分析主要原因是預膜式燒嘴不存在預混腔，中心氧氣和水煤漿的動量交換作用主要在燒嘴外部進行，雖然其霧化效果比預混式燒嘴差，但是水煤漿流的壓力比較穩定，因而在實際運行過程中，燒嘴壓差也比較穩定。

在相同的條件下，壓力波動的頻率愈高，速度的波動振幅愈小，這是由于水煤漿的高黏性對自身速度的耗散作用，導致速度變化遠跟不上壓力的波動頻率[3]。因此，對水煤漿的流動及燃燒來說，影響最大的是低頻壓力波動。

3 結 論

3.1 水煤漿的霧化主要經歷液流、液膜、絲帶、液滴和霧滴等變化過程，在相同燒嘴結構和尺寸條件下，煤漿黏度降低，霧化效果會顯著變好。

3.2 預混式燒嘴中，水煤漿入口壓力波動屬于低頻波動，對煤漿流動和霧化不利。隨著煤漿黏度降低，煤漿入口壓力波動頻率和振幅的變化不大，但中心氧氣和煤漿的動量交換作用加劇，預混后噴出速度的波動振幅變大，燒嘴容易發生瞬時回火燒蝕、損壞。

3.3 預膜式燒嘴的入口煤漿壓力波動平均振幅僅為相同黏度下預混式燒嘴的57%，而波動頻率卻是預混式燒嘴的4 倍～9 倍，因此在生產運行中預膜式結構更有利于保持燒嘴壓差的穩定。