王雪飛,周俊杰,楊厚樂,耿豪偉,魯亞龍
(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院,河南 鄭州 450001)
氣化爐作為煤氣化技術(shù)的核心設(shè)備,研究對(duì)象主要為燃燒室,研究方法分為為實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究。葉正才等[1]對(duì)德士古氣化爐進(jìn)行了二維的數(shù)值模擬研究,采用對(duì)氨基苯碘酸和T-萘酚兩者反應(yīng)指數(shù)作為考察混合效果指標(biāo),湍流采用Stand k-ε。代正華等[2]采用對(duì)四噴嘴氣化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,模擬采用空氣作為介質(zhì),湍流采用Realizable k-ε。于海龍等[3-4]對(duì)一種新型氣化爐進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬,湍流采用Stand k-ε,氣固耦合采用Euler-Lagrange模型。劉升等[5]對(duì)Texaco氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究,湍流采用Realizable K-ε湍流模型,氣固耦合作用采用Euler-Lagrange模型,粒子軌道采用隨機(jī)軌道模型。婁彤等[6]對(duì)單和多噴嘴氣化爐內(nèi)冷態(tài)流場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,采用空氣作為介質(zhì),Stand k-ε模型??梢钥闯隼鋺B(tài)數(shù)值模擬研究主要側(cè)重于將煤粒離散化,使用DPM模型,氣相湍流模型一般采用Realizable k-ε或Stand k-ε,主要考察指標(biāo)為流場分布和煤粒停留時(shí)間,但往往未明確提及或忽略了噴嘴多通道結(jié)構(gòu)對(duì)氣化爐內(nèi)流場的影響。本文對(duì)三通道簡化噴嘴的德士古進(jìn)行了冷態(tài)流動(dòng)、湍流混合、顆粒停留時(shí)間進(jìn)行了模擬,研究了中心氧配比對(duì)流場混合效果、顆粒停留時(shí)間的影響,是粉煤氣化爐熱態(tài)研究的基礎(chǔ)。
本文選用texaco氣化爐作為研究對(duì)象。該氣化爐包含頂部三通道噴嘴,和燃燒室。中心和外環(huán)為氧氣進(jìn)口,中間進(jìn)口為水煤漿進(jìn)口,并對(duì)頂部噴嘴進(jìn)行了簡化,保留噴嘴預(yù)混腔部分,其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。在運(yùn)行工況氧流量20000Nm3/h一定的情況下,熱態(tài)操作壓力為6.5MPa,氧氣進(jìn)料溫度為303K。冷態(tài)模擬中操作壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,將質(zhì)量流量進(jìn)口轉(zhuǎn)化為速度進(jìn)口,使得冷態(tài)和熱態(tài)模擬的進(jìn)口速度保持一致。氣相流體介質(zhì)按空氣參數(shù),中心氧配比為15%進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,出口為壓力出口。氣相湍流采用Realizeable k-e 模型,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。
圖1 氣化爐燃燒室?guī)缀文P?/p>
網(wǎng)格數(shù)量會(huì)對(duì)結(jié)果的精度產(chǎn)生影響,一般來說網(wǎng)格數(shù)量越多,結(jié)果越精確,但是會(huì)帶來計(jì)算成本的問題。因此有必要對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無關(guān)性考核。以平均湍動(dòng)能強(qiáng)度和平均湍動(dòng)能強(qiáng)度為考核指標(biāo),42.6萬和140.5萬網(wǎng)格的平均湍動(dòng)能和平均湍流強(qiáng)度差異很小,相對(duì)誤差分別為2.9%和0.4%,可以認(rèn)為42.6萬網(wǎng)格滿足計(jì)算要求。利用考核好的網(wǎng)格模擬得出中心氧配比為15%時(shí)速度及流線圖,如圖2所示。中心流體和外環(huán)流體通過噴嘴高速射速爐內(nèi),由于噴嘴相對(duì)于燃燒室尺寸很小,在噴入爐膛后屬于受限射流,速度梯度變化很大,形成了明顯的射流區(qū)、回流區(qū)及管流區(qū)。其中高速區(qū)集中在軸線處,射流區(qū)的速度衰減很大?;亓鲄^(qū)有四個(gè),靠近爐頂?shù)幕亓鲄^(qū)較小,爐膛直段上部的回流區(qū)較大?;亓鲄^(qū)對(duì)周圍的流體具有一定的卷吸作用,有利于流體之間的混合,增大顆粒停留時(shí)間,利于燃燒充分反應(yīng)。
圖2 Z=0平面速度云圖及流線圖
三通道德士古水煤漿氣化爐,噴嘴中心氧流量所占比例一般為15%~20%。為了分析中心氧所占比例對(duì)氣化爐場分布的影響,將中心氧流量所占比例劃分為14%、16%、18%、20%四種工況。在前述計(jì)算好的流場基礎(chǔ)上,利用DPM模型,研究氣相流場中的顆粒停留時(shí)間。入射粒子采用DPM模型中的惰性顆粒,在噴嘴出口處加入1000個(gè)顆粒,顆粒為直徑100μm的球形顆粒,由于顆粒尺寸小數(shù)量少,忽略顆粒相與連續(xù)相的相互作用,顆粒與壁面之間的碰撞為彈性碰撞,即忽略顆粒與壁面之間的碰撞的能量損失,顆粒運(yùn)動(dòng)采用隨機(jī)軌道模型。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明,顆粒的平均停留時(shí)間為14.5s,最小停留時(shí)間4.01s。
中心氧配比14%中心氧配比16%中心氧配比18%中心氧配比20%
圖3 不同中心氧配比下Z=0平面速度云圖
從圖3可看出不同中心氧配比下,速度場分布相似。隨著中心氧速度的增大,最大速度增加明顯,最大速度主要在中心氧與外環(huán)氧匯合處的中心軸線附近。而回流區(qū)和管流區(qū)的速度差異隨著流量的增大,差異不明顯。這是因?yàn)閲娮斐隹诿娣e是一定的,在總流量一定的情況下,中心氧配比越大,則外環(huán)氧速度就越小,而中心進(jìn)口的面積較小,這樣中心氧進(jìn)口增加的速度就會(huì)很明顯,導(dǎo)致噴嘴附近軸線處最大速度會(huì)增大,而遠(yuǎn)離噴嘴的地方速度差異小。
圖4 Z=0平面最大湍動(dòng)能與湍流強(qiáng)度
由圖4可以看出,隨著中心氧進(jìn)口配比量增加,最大湍動(dòng)能和最大湍流強(qiáng)度都是增加的,說明在14%~20%中心氧配比量下,在氧流量一定時(shí),增大中心氧配比量,有助于增加噴嘴處的湍流混合效果。湍動(dòng)能與湍流強(qiáng)度分布趨勢比較一致,是因?yàn)橥牧鲝?qiáng)度是按照速度波動(dòng)的均方根與平均速度的比值定義的,湍動(dòng)能K與湍流強(qiáng)度I,滿足關(guān)系式K=1.5×(u×I)2,其中u為平均速度,所以兩者息息相關(guān)。由圖5可以看出,隨著中心氧配比量的增加,最小停留時(shí)間逐漸減小,而平均停留時(shí)間先增大后減小,再增大。最小停留時(shí)間一直減小是因?yàn)?,隨著中心氧配比量的增加,中心軸線處的速度增大,一部分顆粒直接沿著中心軸線附近的射流區(qū)離開爐膛。平均停留時(shí)間的分布規(guī)律受最小停留時(shí)間和最大停留時(shí)間的影響,中心氧流量配比越大,則湍動(dòng)強(qiáng)度越大,回流區(qū)的作用會(huì)更加顯著,有利于增大最大顆粒停留時(shí)間,而中心氧配比越大,最小停留時(shí)間越小,兩相結(jié)合便出現(xiàn)了平均停留時(shí)間先增大后減小再增大的規(guī)律。
圖5 Z=0平面最小停留時(shí)間與平均停留時(shí)間
中心流體和外環(huán)流體通過噴嘴高速射速爐內(nèi),形成了明顯的射流區(qū)、回流區(qū)及管流區(qū)。其中高速區(qū)集中在軸線處,射流區(qū)的速度衰減很大。最小顆粒停留時(shí)間受中心軸線最大速度的影響顯著,回流區(qū)對(duì)最大停留時(shí)間的影響較大,以最短停留時(shí)間和平均停留時(shí)間為考核目標(biāo),在該幾何模型和運(yùn)行參數(shù)下,中心氧配比量為15%左右時(shí)最佳。
[1] 葉正才,吳 韜,王輔臣,等.射流攜帶床氣化爐內(nèi)混合過程的研究[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998(4):385-388.
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