孫志田,李光,任冰濤
(1.山東明化投資控股集團有限公司,山東章丘250200;2.山東明泉新材料科技有限公司,山東章丘250200)
高壓干粉煤氣化爐為多噴嘴頂置形式,其燒嘴分為點火燒嘴和粉煤燒嘴。點火燒嘴位于氣化爐頂中心,周向均布3個粉煤燒嘴,燒嘴及氣化爐結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
圖1 燒嘴及氣化爐結(jié)構(gòu)圖
氣化爐開車時,利用液化氣作為點火燒嘴的燃料氣,純氧為氧化劑,點火燒嘴點燃后持續(xù)燃燒,為氣化爐升壓升溫,當(dāng)爐壓達到3.5~3.6MPa時投粉煤燒嘴。投煤后點火燒嘴在較小的功率下作為長明燈運行,此時利用循環(huán)回送的合成氣作為燒嘴的燃料。
合成氣是一種重要的化工原料氣,作為燃料直接燃燒掉會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失,因此研究投煤后停掉點火燒嘴,僅對點火燒嘴通氮氣進行保護,氣化爐能否正常運行具有十分重要的意義。
本文采用FLUENT軟件對粉煤氣化爐進行數(shù)值模擬。FLUENT是基于有限體積求解N-S方程的軟件包,從質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律出發(fā),建立起湍流兩相多組分化學(xué)反應(yīng)流動的控制方程組,包括氣相控制方程組和液相控制方程組;兩相之間的耦合則由氣/液相互作用的源項來描述;采用歐拉坐標(biāo)系描述氣相方程;采用拉格朗日坐標(biāo)系下的粒子軌道方法來模擬跟蹤液滴的運動[1]。
選用包含多種組分、帶化學(xué)反應(yīng)的雷諾平均、守恒型N-S方程作為氣體湍流流動、燃燒的控制方程,表示如下:
三維可壓兩相流內(nèi)流場,氣相的控制方程為:
①連續(xù)方程:
②動量方程:
③能量方程:
④組分方程:
氣體作為連續(xù)介質(zhì),煤粉顆粒作為離散系統(tǒng),將煤粉分成有代表性的幾組離散顆粒,并用Lagrangian方法跟蹤這些離散顆粒在全流場中的運動和輸運,通過顆粒動力學(xué)方程求解顆粒軌道,耦合求解顆粒與氣相之間的質(zhì)量、動量、能量交換來得到顆粒的溫度、半徑等參數(shù)的變化規(guī)律與氣相場。顆粒作用力平衡方程(顆粒慣性力=作用在顆粒上各種力的合力)的形式為:
本文選用標(biāo)準k-ε模型,壁面函數(shù)采用標(biāo)準壁面函數(shù)。標(biāo)準k-ε模型是個半經(jīng)驗公式,主要是基于湍流動能和擴散率。k方程是個精確方程,ε方程是個由經(jīng)驗公式導(dǎo)出的方程。
①湍流動能方程k:
②擴散方程ε:
C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε為模型常量,這些常量的取值從試驗中得來,對于模擬空氣、水大多數(shù)湍流情況都是適用的。
煤粉顆粒分布的數(shù)學(xué)表達式有多種,在本文中采用的是Rosin-Rammler分布:
式中Ri是顆粒中顆粒直徑小于di的所有顆粒的累積質(zhì)量占顆??傎|(zhì)量的百分數(shù)。
顆粒在達到揮發(fā)酚蒸發(fā)溫度之前,加熱規(guī)律由下式描述:
其中:Ap是顆粒表面積,T∞是當(dāng)?shù)貧怏w溫度,h是對流換熱系數(shù)。
氣化爐中火焰輻射、表面輻射換熱及導(dǎo)熱、對流與輻射的耦合問題都要應(yīng)用輻射傳播方程。計算中采用了P-1輻射模型[2]。
其中a為吸收系數(shù);σs為散射系數(shù);G為入射輻射;C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù)。
煤主要由三種成分組成:固體碳、揮發(fā)分和灰分。
采用的煤粉顆粒,工業(yè)分析如下:64%的碳,28%的揮發(fā)分,8%的灰分。
本部分分別對熄滅點火燒嘴,通入保護氮氣量為90 Nm3/h、45 Nm3/h、22.5Nm3/h及0 Nm3/h四種工況進行計算,模擬熄滅點火燒嘴通入保護氮氣對氣化爐正常運行的影響。
圖2為通入90 Nm3/h氮氣時燒嘴頭部截面各個物理量分布云圖,從圖中可以看出N2主要分布在點火燒嘴噴孔中心附近;CO主要分布于粉煤燒嘴周圍,最高百分數(shù)為99.3%;火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上,火焰最高溫度為3810K,由于點火燒嘴熄滅通入保護氮氣,在點火燒嘴位置形成一低溫區(qū);點火燒嘴位置流場并沒有因為保護氮氣的通入而產(chǎn)生回流區(qū),整個燃燒室具有比較均勻的速度分布。
圖3為通入45Nm3/h氮氣時燒嘴頭部截面各個物理量分布云圖,從圖中可以看出N2主要分布在點火燒嘴噴孔中心附近;CO主要分布于粉煤燒嘴周圍,最高百分數(shù)為99.1%;火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上,火焰最高溫度為3500K,由于點火燒嘴熄滅通入保護氮氣,在點火燒嘴位置形成一低溫區(qū),但是低溫區(qū)的溫度有所上升,達到了1400K左右;點火燒嘴位置流場并沒有因為保護氮氣的通入而產(chǎn)生回流區(qū),整個燃燒室具有比較均勻的速度分布。
圖2 通入90 Nm3/h氮氣燒嘴頭部截面各個物理量
圖3 通入45Nm3/h氮氣燒嘴頭部截面各個物理量
圖4 為通入0Nm3/h氮氣時燒嘴頭部截面各個物理量分布云圖,從圖中可以看出N2不但分布在點火燒嘴噴孔中心附近,而且在粉煤燒嘴組成的三角區(qū)域外圍也分布一定氮氣;CO主要分布于粉煤燒嘴周圍,最高百分數(shù)為99.3%,但是總的平均摩爾分數(shù)降得更低;火焰高溫區(qū)位于工藝周向截面上,火焰最高溫度為3500K,由于點火燒嘴熄滅通入保護氮氣,在點火燒嘴位置形成一低溫區(qū),但是低溫區(qū)的溫度有所上升,達到了2000K左右;點火燒嘴位置流場并沒有因為保護氮氣的通入而產(chǎn)生回流區(qū),整個燃燒室具有比較均勻的速度分布。
對比三種工況模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著中心點火燒嘴通入保護氮氣氣的流量減小,粉煤燒嘴組成的三角區(qū)域的燃燒溫度越來越高,這說明三個工藝燒嘴的火焰逐漸靠近中心區(qū)。另外還發(fā)現(xiàn)即使中心的點火燒嘴沒有通入保護氣進行保護,雖然頭部中心區(qū)的火焰高溫區(qū)已經(jīng)非??拷?,但仍然沒有發(fā)現(xiàn)溫度過高的區(qū)域,也沒有發(fā)現(xiàn)火焰偏燒的狀況。
圖4 通入0 Nm3/h氮氣燒嘴頭部截面各個物理量
綜合分析,當(dāng)通入的保護氣流量小于45Nm3/h時,三個工藝燒嘴的火焰非常靠近,高溫區(qū)的溫度已經(jīng)超出了點火燒嘴頭部材料所能承受的最高溫度,故在實際運行中點火燒嘴的保護氮氣量不應(yīng)該低于45Nm3/h。
1)熄滅點火燒嘴,通入氮氣進行保護,粉煤燒嘴火焰不發(fā)生偏燒,粉煤燒嘴之間不會發(fā)生相互干擾。2)通入的氮氣應(yīng)該具備一定的流量和速度,即射流剛度,才能實現(xiàn)保護氣作用,最低的保護氮氣量應(yīng)該控制在45Nm3/h,一旦低于這個值很可能會對點火燒嘴和粉煤燒嘴造成雙重破壞。