基于CPFD方法的煤氣化氣固流態(tài)化及輸送過程強(qiáng)化

摘要：煤粉給料罐是煤粉輸送系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)。某氣化技術(shù)工藝的煤粉給料罐采用底部流化、側(cè)面出料的方式，內(nèi)部裝有復(fù)雜的內(nèi)構(gòu)件與出料管道。本文以氣固兩相流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用CPFD（computational particle fluid dynamics）方法，對(duì)給料罐內(nèi)部流化狀態(tài)開展流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬，分析煤粉給料罐內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)特性，模擬給料罐內(nèi)煤粉疏松、輸送的過程，研究影響該給料罐煤粉輸送穩(wěn)定性的影響因素及其規(guī)律。

關(guān)鍵字：煤粉給料罐；CPFD；氣固兩相流；柱塞流

中圖分類號(hào)：TQ545 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2443（2024）03-0217-07

引言

煤粉的壓爐進(jìn)料技術(shù)是加壓氣化技術(shù)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。氣流床煤粉加壓進(jìn)料工藝主要分為兩種：干法加壓進(jìn)料工藝和濕法加壓進(jìn)料工藝。干粉氣流床氣化干法進(jìn)料是當(dāng)今國際上最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，具有煤種適應(yīng)性廣、原料消耗低、碳轉(zhuǎn)化率高、冷氣效率高等技術(shù)優(yōu)勢，相對(duì)于水煤漿氣化技術(shù)，干粉氣流床加壓氣化技術(shù)具有更強(qiáng)的市場競爭力。煤粉在高壓、密相條件下穩(wěn)定可控地輸送煤粉，是干煤粉加壓氣化的關(guān)鍵步驟［1］。

利用CFD （Computational Fluid Dynamics）軟件對(duì)煤粉進(jìn)料槽內(nèi)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬是研究煤粉進(jìn)料槽內(nèi)部流動(dòng)特性的有效方法［2］。目前在氣固多相流的模擬方法中廣泛使用的是歐拉-歐拉雙流體模型（Two-fluid model，簡稱TFM）和歐拉-拉格朗日離散單元法模型（簡稱DEM）［3-5］。在TFM中，粒子被當(dāng)作連續(xù)相處理，因此，不能精確地考慮粒子的真正特性。由于假設(shè)了固相的擬流體流變特性，TFM中描述顆粒間作用力的一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的可靠性和準(zhǔn)確性仍然存在爭議。除此之外，TFM不能引入真實(shí)的粒度分布，嚴(yán)重影響了流體相和顆粒相之間的動(dòng)量交換。在DEM中，每一個(gè)粒子都是通過解牛頓方程來單獨(dú)追蹤計(jì)算的。雖然能得到詳細(xì)的顆粒流動(dòng)信息，但是能夠模擬的顆粒數(shù)量非常有限，因而難以模擬顆粒數(shù)量龐大的氣固流態(tài)化系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)都局限于硬件設(shè)備，即以當(dāng)前的計(jì)算能力，還不足以捕捉較多顆粒數(shù)量的氣-固兩相運(yùn)動(dòng)軌跡。針對(duì)TFM和DEM的局限性，Snider［6］提出了一種基于歐拉-拉格朗日和MP-PIC（Multiphase Particle-in-Cell）［7］框架的數(shù)值模擬新方法——CPFD方法。該方法將顆粒視為離散相處理，并且可以引入真實(shí)的粒度分布，從而更接近顆粒群的真實(shí)特性。同時(shí)，將具有相同密度、體積、速度的顆粒進(jìn)行打包處理，并采用應(yīng)力梯度來簡化顆粒之間的碰撞計(jì)算，極大地提高了計(jì)算效率，從而使得顆粒數(shù)量達(dá)數(shù)十億級(jí)的工業(yè)流態(tài)化系統(tǒng)的歐拉-拉格朗日模擬成為可能 ［8］。CPFD技術(shù)定義的插值算子計(jì)算速度高，且可以保證全局及局部的守恒，能夠?qū)ο∈璧矫芗娜魏晤w粒體積分?jǐn)?shù)的顆粒-流體系統(tǒng)求解計(jì)算，并提供魯棒性優(yōu)良的數(shù)值解。

Qiu等［9］基于CPFD方法，對(duì)工業(yè)尺度的超臨界循環(huán)流化床內(nèi)的氣爐膛、旋風(fēng)分離器和返料器等部件內(nèi)固流動(dòng)進(jìn)行研究，并為分離器的優(yōu)化布置提供了良好的設(shè)計(jì)思路；Snider等［10］ 通過CPFD模擬研究了流化床內(nèi)的煤氣化過程，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度良好；Zhang等 ［11］運(yùn)用CPFD 的方法研究了計(jì)算顆粒數(shù)量和曳力模型對(duì)于循環(huán)流化床內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)特征的影響，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，針對(duì)不同粒徑分布范圍的顆粒群，均得到良好的模擬結(jié)果。

寧夏某企業(yè)所用的氣化技術(shù)采用底部流化、側(cè)上部出料方式。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于給料罐底部設(shè)有出料管線、流化氣管線及內(nèi)部支撐管架，因此管線布局錯(cuò)綜復(fù)雜，造成煤粉出料流量波動(dòng)較大，煤粉流化難度有所增加，內(nèi)部管件磨損嚴(yán)重，并且極易產(chǎn)生架橋風(fēng)險(xiǎn) ［12］。因此，針對(duì)該煤粉給料罐內(nèi)氣固兩相流的流體動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)現(xiàn)場的改造設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 模型與方法

2.1 物理模型與邊界條件

選取某生產(chǎn)現(xiàn)場的煤粉給料罐作為研究對(duì)象，采用1：1的比例進(jìn)行幾何建模。煤粉給料罐的三維物理模型如圖1所示，給料罐內(nèi)的主要部件包括出料管線、料位探測射源套管和筋板支撐架等。對(duì)于一次風(fēng)進(jìn)口進(jìn)行了合理簡化，以最大流通面作為進(jìn)口，以便進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。同時(shí)在計(jì)算時(shí)為確保出口計(jì)算保持穩(wěn)定，將顆粒輸送的出口管線進(jìn)行了適當(dāng)延伸。

給料罐中煤粉顆粒的粒徑分布為：63μm以下占比45%，250μm以下占比94%，500μm以下占比99%，粒徑分布如圖2所示。床層初始料高占總高的80%，顆粒堆積密度為480kg/m3。氣體各進(jìn)口的流量大小如表1所示。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

本文的數(shù)值計(jì)算采用基于CPFD方法的Barracuda17.0模擬軟件，模擬給料罐內(nèi)的氣固流體動(dòng)力學(xué)，其中煤粉顆粒相被為離散的拉格朗日點(diǎn)，氣體相離散在歐拉網(wǎng)格中。Barracuda17.0軟件采用笛卡爾網(wǎng)格法來劃分計(jì)算網(wǎng)格［9］。另外，內(nèi)置的baffle擋板模塊，可以將具有“薄壁特征”的內(nèi)構(gòu)件直接表達(dá)，并能提供原幾何同樣的壓阻特性，同時(shí)不用額外劃分其網(wǎng)格。

經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性確定最終的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量在50萬左右，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。給料罐內(nèi)部的肋板及射源管支撐等內(nèi)構(gòu)件采用baffle虛擬構(gòu)建，進(jìn)一步降低了細(xì)小網(wǎng)格的數(shù)量，提高了整體網(wǎng)格質(zhì)量水平。

2.3 控制方程

CPFD方法中流體相的計(jì)算基于Navier-Stokes方程，顆粒相計(jì)算則利用MP-PIC（Multiphase Particle-in-Cell）方法，并通過曳力項(xiàng)表達(dá)氣固兩相間的動(dòng)量傳遞。該方法將物理體積相同、速度相近的一類真實(shí)粒子，用顆粒包來代替計(jì)算，使計(jì)算粒子數(shù)量大大減少，從而降低計(jì)算量［10］。控制方程如表2所示。

表中，[θg]和[θp]為氣相和顆粒相的體積分?jǐn)?shù)，[ρg]和[ug]分別為氣相的密度和速度，[ρp]和[up]分別是顆粒密度和速度。D是曳力函數(shù)，其與流動(dòng)狀況、曳力系數(shù)Cd及雷諾數(shù)Re有關(guān)。[f]為概率分布函數(shù)，由方程（4）計(jì)算而得。[A]為顆粒加速度，由方程（5）計(jì)算而得。

Wen-Yu 模型是基于作用在單個(gè)顆粒上的曳力的解析計(jì)算，并考慮了氣體體積分?jǐn)?shù)的影響，其曳力函數(shù)[DWY]的表達(dá)式如下：

[DWY=38Cdρgug-upρprp#] （8）

其曳力系數(shù)的默認(rèn)表達(dá)式如式9，本文將根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)Wen-Yu模型進(jìn)行修正。

[Cd=24Reθ-2.65gRelt;0.524Reθ-2.65g1+0.15Re0.6870.5≤Re≤10000.44θ-2.65gRegt;1000#] （9）

3 結(jié)果分析與討論

3.1 數(shù)值模擬與實(shí)際現(xiàn)場數(shù)據(jù)對(duì)比

將數(shù)值模擬計(jì)算得到的煤粉顆粒的平均速度與生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)測速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖4），Wen-Yu模型存在一定的偏差，采用修正的Wen-Yu/Ergun模型后模擬計(jì)算得到的各出口處煤粉顆粒的速度值與實(shí)測結(jié)果吻合，確保了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

3.2 壓力分布

氣力輸送中，輸送壓差是煤粉輸送動(dòng)力的來源，壓差的大小決定了輸送能力大小。同時(shí)如果壓力分布過于不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致煤堆結(jié)構(gòu)異常、堆積角度過大或過小等問題，影響給煤罐的運(yùn)行效率。

從圖5中可以看到，罐內(nèi)整體壓力分布呈現(xiàn)底部高，頂部低（除了系統(tǒng)整體內(nèi)部壓力之外，還有煤粉的靜壓）。底部出口管附近物料的所處的壓力較高，外部出口處的壓力最低，兩者壓差在106 Pa量級(jí)，這為煤粉顆粒輸送提供了充足動(dòng)力。

3.3 煤粉顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

氣力輸送時(shí)，有流化風(fēng)和充壓風(fēng)進(jìn)入給料罐。流化風(fēng)穿過多孔底板進(jìn)入給料罐，利用氣體上升產(chǎn)生的曳力，使得煤粉顆粒懸浮，顆粒間隙增大，即顆粒流化。根據(jù)設(shè)定，在0s時(shí)罐內(nèi)煤粉流場完成初始化，煤粉處于自然堆積狀態(tài)，CO2氣體以恒定氣速由各進(jìn)口輸送至給料罐，罐內(nèi)煤粉開始流化與輸送。由顆粒相體積分?jǐn)?shù)分布（圖6）可以看出，在180s左右，給料罐內(nèi)氣固兩相流場達(dá)到穩(wěn)定。運(yùn)行穩(wěn)定后整個(gè)罐體內(nèi)煤粉相含率分布呈“下濃上稀”，尤其在底部區(qū)域顆粒濃度接近最大堆積濃度，這對(duì)煤粉顆粒輸送過程不利。

由出料管局部物料體積分?jǐn)?shù)分布（圖7）可以看出，出口管附近的顆粒相濃度較給料罐主體區(qū)域低，為顆粒輸送過程提供了疏松環(huán)境，同時(shí)不同出口管附近煤粉濃度差異較大，這會(huì)引起各出料管的煤粉輸送流量不均。另外，出口管線內(nèi)煤粉呈“柱塞流”，表明輸送過程中煤粉是呈間歇出料的。這說明給料罐底部筋板支撐及過長的出口管會(huì)干擾氣固流場，影響煤粉顆粒的連續(xù)輸送。

3.4 出口質(zhì)量流率波動(dòng)

出口煤粉顆粒質(zhì)量流率波動(dòng)情況（圖8和圖9），進(jìn)一步證明了給料罐的輸送過程呈“柱塞流”，其中氣固質(zhì)量流率比在1：10左右。另外，各個(gè)出口的煤粉輸送工況差異較大，其中出口1的煤粉質(zhì)量流率明顯較高，而出口3的煤粉質(zhì)量流率明顯較低，這是因?yàn)槭艿浇畎鍍?nèi)構(gòu)件和射源套管的影響，各出口管進(jìn)口附近的煤粉濃度不均，氣固兩相的出料速度也相應(yīng)不同。隨著煤粉開始輸送，四個(gè)出口的平均質(zhì)量流率在1.0～2.5 kg/s，其中出口1的質(zhì)量流率最高，但其波動(dòng)性也更強(qiáng)。另外，出口3的煤粉質(zhì)量流率過小，這是由于給料罐內(nèi)該出口管線附近物料堆積濃度接近最大堆積濃度，出料流暢性差。

3.5 優(yōu)化后結(jié)果分析

針對(duì)目前給煤罐煤粉輸送過程存在的出口流量不均勻問題，采取了兩種措施：1）減短給料罐內(nèi)出口管的長度，避免出料路徑過長，引起出料不暢；2）減少底部內(nèi)構(gòu)件，同時(shí)添加助吹裝置，增加底部區(qū)域煤粉的疏松度。助吹噴口位置坐標(biāo)如表3所示，助吹風(fēng)的總流量為0.2kg/s。

由圖10可知，改造優(yōu)化后給料罐內(nèi)煤粉的疏松度明顯增加，上方稀相區(qū)域的空間增大，床層上下的壓力差減小，為煤粉的穩(wěn)定輸送提供了良好條件。對(duì)比出口煤粉質(zhì)量流率波動(dòng)曲線在改造前（圖8）與改造后（圖11）的變化可知：優(yōu)化后，煤粉給料過程仍呈“柱塞流型”，但是四根出口管的質(zhì)量流量更加均勻，見表4。各出口管隨時(shí)間的波動(dòng)更有規(guī)律性，出口流量更加穩(wěn)定。這說明出口管長度及底部出料區(qū)域煤粉的疏松度對(duì)給料罐的穩(wěn)定運(yùn)行具有關(guān)鍵影響。

4 結(jié)論

本文以CPFD氣固兩相流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，數(shù)值模擬軟件Barracuda17.0為工具，對(duì)煤粉給料罐進(jìn)行了建模，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立修正的Wen-Yu/Ergun模型準(zhǔn)確計(jì)算了各出口處煤粉顆粒流量，進(jìn)一步探討了工業(yè)煤粉給料罐顆粒輸送流動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：

（1）煤粉給料的輸送呈“柱塞流”，表明輸送過程中煤粉是呈間歇出料的。

（2）底部筋板支撐及過長的出口管會(huì)干擾氣固流場，影響氣固物料的連續(xù)輸送，也容易導(dǎo)致各出口管的顆粒質(zhì)量流率差異加大。

（3）給料罐內(nèi)部分出口管線附近容易形成物料堆積，在減短出口管線并添加助吹裝置后，煤粉的輸送過程平均質(zhì)量流率變得更加穩(wěn)定。

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Gas-Solid Fluidization and Transportation Process Intensification for Coal Gasification by CPFD Method

YAO Qiang1， ZHAO Yuan-qi 1，2， ZHANG Yong-ming 1， XIA Zhi-weng 3， ZHAO Lu-hai-bo 4， TANG Zhi-yong 4，5

（1. Coal to Liquid Branch of China Energy Ningxia Coal Industry Co.，Ltd. ，Yinchuan 750411， China；2. School of Chemical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350，China; 3. Ningxia Shenyao Technology Co. Ltd.， Yinchuan 750411，China; 4.Shanghai Advanced Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 201210，China; 5.Anhui Normal University，Wuhu 241000， China）

Abstract： The pulverized coal feeding vessel is an indispensable part of the pulverized coal conveying system. The pulverized coal feeding vessel of a gasification technology process adopts the method of bottom fluidization and side discharge， and the interior is equipped with complex internals and discharge pipes. Based on the mathematical model of gas-solid two-phase flow， this paper uses the CPFD（computational particle fluid dynamics） method to carry out fluid dynamics simulation on the fluidization state inside the feeding vessel， analyzes the flow characteristics of gas-solid two-phase flow in the pulverized coal feeding vessel， simulates the process of loose and conveying of pulverized coal in the feeding vessel， and studies the influencing factors and laws affecting the stability of pulverized coal conveying in the feeding vessel.

Key words： coal feeding vessel; CPFD; gas-solid flow；plug flow

（責(zé)任編輯：馬乃玉）