劉麗艷，石?凱，吳?桐，譚?蔚，汪?洋

多噴嘴對置式煤氣化爐激冷室顆粒運動及碰撞特性研究

劉麗艷1, 2，石?凱1，吳?桐1，譚?蔚1，汪?洋1

(1. 天津大學化工學院，天津 300350；2. 天津市化工安全與裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300350)

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是我國自主研發(fā)的一種潔凈煤技術(shù)，具有轉(zhuǎn)化率高、有效氣含量高等優(yōu)點．氣化爐是煤氣化工藝的核心設(shè)備之一，其主體結(jié)構(gòu)包括燃燒室與激冷室兩部分．燃燒室反應(yīng)生成的粗合成氣夾帶固體灰渣顆粒進入激冷室液池，在氣液兩相湍流作用下與爐體發(fā)生碰撞，造成沖蝕磨蝕等破壞，對氣化爐安全和長周期穩(wěn)定運行造成影響．本文以多噴嘴對置式氣化爐為研究對象，建立了激冷室三維物理模型；利用VOF多相流模型和DPM離散相模型研究了氣液固三相流場，得到連續(xù)流場和不同粒徑顆粒的分布狀態(tài)；通過Fluent UDF對灰渣顆粒與爐體碰撞位置和碰撞參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，得到激冷室內(nèi)碰撞多發(fā)區(qū)域及破壞機理．研究結(jié)果表明：合成氣進入激冷室液池中形成負浮力射流，動量逐漸衰減，最終改變運動方向而向上反折流動；不同粒徑的顆粒在激冷室流場中的分布不同，粒徑較小的顆粒氣相跟隨性更為明顯，分布范圍更廣；顆粒粒徑影響其與激冷室壁面主要碰撞區(qū)域，粒徑為0.05mm和0.1mm的小尺寸灰渣顆粒碰撞主要發(fā)生在下降管下端；0.5mm的大尺寸灰渣顆粒碰撞主要發(fā)生在激冷室爐體下部，在設(shè)計制造過程中要重點關(guān)注；分析碰撞角度發(fā)現(xiàn)各壁面碰撞破壞機理不同：下降管下端壁面主要是撞擊磨損；激冷室爐體則是沖刷磨損和撞擊磨損的耦合作用．

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐；激冷室；灰渣顆粒；磨損；數(shù)值模擬

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)是我國自主研發(fā)的一種潔凈煤技術(shù)．該技術(shù)利用4個對稱分布燒嘴射流產(chǎn)生的撞擊作用減小反應(yīng)盲區(qū)、強化熱質(zhì)傳遞過程從而提高固體燃料轉(zhuǎn)化率和合成氣中有效氣體成分含量[1-2]，同時對激冷室內(nèi)流場、合成氣脫灰、激冷水熱量回收等過程進行了優(yōu)化[3]．

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐包括燃燒室與激冷室兩部分．燃燒室反應(yīng)生成的粗合成氣通過下降管進入激冷室，完成初步的洗滌冷卻后進入后續(xù)工序．高溫合成氣與激冷水在下降管內(nèi)接觸并發(fā)生強烈的熱質(zhì)交換，合成氣中熔融狀態(tài)的灰渣遇冷發(fā)生聚并與凝結(jié)[2]．下降管出口浸入激冷室液池中，進入液池后大部分灰渣顆粒被液池捕捉，部分顆粒隨合成氣進入后續(xù)工序．由于高溫高壓、多相相變及強湍流等復(fù)雜工作環(huán)境導(dǎo)致爐體材料常產(chǎn)生沖蝕、磨蝕等損傷，對煤氣化爐的安全穩(wěn)定運行帶來潛在威脅．研究煤氣化爐激冷室多相流場分布和固相顆粒運動特性，分析氣化爐沖蝕和磨蝕危險區(qū)域，可為煤氣化爐的設(shè)計制造和運行參數(shù)優(yōu)化提供參考．國內(nèi)外學者對此進行了大量研究，Kurowski等[4]對氣化爐成渣過程進行了模擬，對灰渣的顆粒、速度以及溫度分布進行了研究；吳晅等[5-7]分別建立了二維和三維軸對稱激冷室模型，分析灰渣顆粒在流場中的受力，研究了液池對不同粒徑灰渣顆粒的捕捉效率；Li等[8]利用DPM模型研究了氣化爐燃燒室內(nèi)煤粉顆粒運動軌跡和停留時間；姜峰等[9]利用CCD圖像采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，研究了不同操作條件對加熱管束中固體顆粒分布的影響．田華等[10]建立了考慮顆粒黏附和反彈行為的碳煙顆粒沉積數(shù)值模型，研究了不同流速與粒徑下管排換熱器內(nèi)的顆粒沉積分布．

上述研究主要關(guān)注顆粒的分布特性，對顆粒與壁面的碰撞未做深入研究．本文建立了多噴嘴對置式水煤漿氣化爐激冷室的物理模型，利用VOF多相流模型和DPM離散相模型構(gòu)建了三相流場數(shù)值計算模型．通過分析激冷室內(nèi)連續(xù)相分布，得到顆粒所處的流場環(huán)境；對不同尺寸灰渣顆粒在氣化爐激冷室流場中的運動軌跡、顆粒與爐體的碰撞位置進行了研究，得到激冷室磨蝕危險區(qū)域，為氣化爐設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考．同時對危險位置的碰撞參數(shù)進行分析，為爐體碰撞損傷機理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1?數(shù)值模擬計算模型

1.1?物理模型

本文以兗礦魯南化工有限公司的6.5MPa級多噴嘴對置式水煤漿氣化爐為研究對象，不考慮靜態(tài)破渣器、破泡床和下降管支管等激冷室內(nèi)件對流場的影響，建立了三維物理模型，如圖1所示．模型各尺寸見表1．

圖1?激冷室物理模型

表1?激冷室模型尺寸

Tab.1 Main dimensions of the water-scrubbing cooling chamber　mm

1.2?網(wǎng)格劃分及無關(guān)性檢驗

激冷室是三維圓柱狀套筒結(jié)構(gòu)，整體尺寸較大，直接劃分四面體網(wǎng)格數(shù)量多且網(wǎng)格質(zhì)量較差．故本文將模型分為6個部分，分塊劃分網(wǎng)格，分塊及劃分結(jié)果如圖2所示．

對模型的網(wǎng)格無關(guān)性進行了檢驗，比較粒徑為0.05mm、計算時間為15s時顆粒在不同網(wǎng)格尺寸下的逃逸率，結(jié)果如圖3所示．網(wǎng)格總體尺寸分別為20mm、30mm和40mm，由圖可見知：20mm與30mm網(wǎng)格下逃逸率相差較小，但40mm網(wǎng)格的逃逸率相較偏差較大．故本文綜合考慮計算精度和計算量后，選擇尺寸為30mm的網(wǎng)格進行計算，網(wǎng)格數(shù)量為1404萬．

圖2?網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3?不同尺寸網(wǎng)格下0.05mm顆粒逃逸率

1.3?邊界條件和計算設(shè)置

合成氣和熔融態(tài)的灰渣在下降管內(nèi)發(fā)生熱質(zhì)傳遞、相變等過程，本文主要考慮灰渣顆粒在激冷室內(nèi)的運動，故以下降管出口作為激冷室流場模擬計算的入口以簡化計算．假設(shè)下降管入口氣速恒定，結(jié)合文獻[11-12]確定操作條件進而確定模擬計算的邊界條件，如表2所示．

表2?多噴嘴對置式水煤漿氣化爐操作條件

Tab.2 Operating conditions of the opposed multi-burner gasifier

激冷室內(nèi)連續(xù)相為合成氣和激冷水的兩相流動，選擇VOF多相流模型可追蹤氣液兩相自由界面，準確模擬氣液兩相耦合流動行為[13-15]．離散顆粒運動利用DPM離散相模型[16-17]，考慮離散相與連續(xù)相間的耦合作用．入口為速度入口，出口為壓力出口，其他計算設(shè)置見表3．

表3?數(shù)值模擬計算設(shè)置

Tab.3?Numerical calculation settings

1.4?離散相顆粒受力

在本文的離散相計算中，考慮的離散項顆粒在流場中的受力包括重力、浮力、虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力和薩夫曼升力[18]，簡要介紹如下.

1) 虛擬質(zhì)量力A

當顆粒在流體中加速運動時會引起周圍的流體一起加速，由于流體的慣性作用，顆粒會受到流體的反作用力，故推動顆粒運動的力大于顆粒自身的慣性力．這部分力稱為虛擬質(zhì)量力：

式中：p為顆粒半徑，m；t為流體密度，kg/m3；c為周圍流體速度，m/s；p為顆粒運動速度，m/s.

2) 壓力梯度力p

顆粒在壓力不為常數(shù)的流場中運動時，會由于壓力梯度的存在受到壓力梯度力，其大小與壓力梯度及粒徑有關(guān)：

3) 薩夫曼升力S

當固體顆粒在有速度梯度的流場中運動時，由于顆粒上下兩側(cè)的流速不相同，會產(chǎn)生一個由低速區(qū)指向高速區(qū)的升力．其表達式如下：

2?灰渣顆粒運動特性分析

2.1?激冷室連續(xù)相流場

顆粒在激冷室中的運動與連續(xù)相流場密切相關(guān)，研究激冷室流場對分析顆粒停留位置和運動狀態(tài)有重要意義．通過瞬態(tài)數(shù)值模擬可以得到不同時刻氣液兩相分布，以粒徑為0.05mm的顆粒為例對不同時刻激冷室內(nèi)氣液兩相分布云圖進行整理分析，如圖4所示．

圖4?不同時刻激冷室氣液分布云圖

由圖4可知，氣體由下降管進入液池形成負浮力射流，在豎直向上的浮力以及壓力梯度力的作用下，氣體的初始動量逐漸發(fā)生衰減，最終改變運動方向而向上反折流動，兩相分布云圖與文獻[5]中的結(jié)果一致．在上升的過程中氣體不斷卷吸周圍的液相形成液沫夾帶，兩相間進行動量傳遞．

2.2?顆粒分布

研究灰渣顆粒在激冷室內(nèi)的分布對顆粒運動和顆粒與壁面碰撞位置分析具有重要意義．合成氣攜帶顆粒從下降管進入激冷室液池，顆粒在重力和流場作用在激冷室內(nèi)運動．根據(jù)式(4)對不同顆粒在下降管內(nèi)的斯托克斯數(shù)進行了計算．

式中：p為顆粒密度，kg/m3；為下降管直徑，m．

粒徑為0.05mm、0.1mm和0.5mm的顆粒在下降管流場中對應(yīng)分別為0.0465、0.1862和4.6544，即0.05mm和0.1mm跟隨性能更好．但進入激冷室后顆粒運動受到氣液兩相復(fù)雜流場的作用，斯托克斯數(shù)會發(fā)生變化且難以直接計算得到．故本文對各粒徑的顆粒不同時刻在激冷室的分布位置進一步研究，分析不同顆粒在復(fù)雜流場下的運動，如圖5所示．

由顆粒停留位置結(jié)合連續(xù)相流場分析結(jié)果可知：粒徑為0.05mm和0.1mm的顆粒由于粒徑較小，流體的曳力作用對其影響更為顯著，大量顆粒隨合成氣向上擴散，被氣相帶出液池的顆粒隨合成氣逐漸充滿整個激冷室，部分隨氣體從出口逃逸．粒徑為0.5mm的灰渣顆粒受慣性力作用更為顯著，不易被合成氣攜帶，因此顆粒隨合成氣進入液池后，大部分被液池捕獲，部分隨合成氣向上運動至一定高度后逐漸沉降．

圖5?不同時刻顆粒位置

2.3?爐體碰撞區(qū)域分析

研究爐體碰撞多發(fā)區(qū)域可在設(shè)計制造中針對性做出防護和改進措施．在模擬計算中利用Fluent UDF實現(xiàn)對顆粒碰撞的位置、角度等參數(shù)的提取并對此進行了相關(guān)分析．為方便討論，對激冷室爐體壁面各區(qū)域分塊命名，見圖6．

在計算時間內(nèi)，粒徑為0.05mm、0.1mm和0.5mm的顆粒與壁面分別發(fā)生359578、358060、168552次碰撞．由于粒徑大的顆粒氣相跟隨性較差，進入激冷室液池后大部分被捕獲逐漸沉降，故其與壁面發(fā)生碰撞概率較小，這與顆粒分布分析結(jié)果對應(yīng)．對不同粒徑顆粒在不同區(qū)域發(fā)生碰撞的比例進行比較，如表4所示．

圖6?爐體壁面命名示意

表4?不同粒徑顆粒與各壁面發(fā)生碰撞占比

Tab.4 Proportion of the collision of particles with differ-ent sizes

由表4所示，0.05mm顆粒和0.1mm顆粒碰撞主要發(fā)生在面4-2，即下降管下端壁面；0.5mm的顆粒碰撞主要發(fā)生在面3-1、面4-1、面5-1和面6-1，即激冷室內(nèi)壁面下部．由連續(xù)相氣液分布可知氣體在反折向上流動過程中在下降管壁面附近聚集，粒徑較小的顆粒在湍動的合成氣攜帶下易與下降管下端壁面發(fā)生碰撞；而粒徑較大的顆粒受重力效應(yīng)影響較大，易被液池捕獲，在激冷室內(nèi)整體分布較為集中并快速聚集下沉，下沉過程與激冷室內(nèi)壁發(fā)生碰撞．圖7是兗礦某多噴嘴對置式煤氣化爐停車檢修時拍攝的激冷室磨蝕破壞圖，可以發(fā)現(xiàn)下降管下端是破壞最嚴重的區(qū)域，這與本文的模擬計算結(jié)果一致．

圖7?下降管破壞情況

2.4?碰撞角度分析

沖蝕磨蝕損傷根據(jù)顆粒碰撞形式不同分為沖刷磨損和撞擊磨損兩類．沖刷磨損是顆粒以較小或與壁面相對平行的沖擊角對壁面進行撞擊的一種現(xiàn)象，而撞擊磨損是顆粒以較大或接近垂直的沖擊角對壁面進行撞擊的現(xiàn)象[17]．為進一步研究各壁面損傷形式，對顆粒與爐體碰撞的碰撞角度進行了統(tǒng)計分析．

由圖8可知，不同粒徑顆粒在其主要碰撞區(qū)域發(fā)生碰撞的碰撞角度明顯不同，粒徑為0.05mm和0.1mm的灰渣顆粒在其主要碰撞區(qū)面4-2處的碰撞角主要集中在30°～60°范圍內(nèi)；粒徑為0.5mm的灰渣顆粒在面3-1處的碰撞角分布在10°～30°和30°～60°范圍內(nèi)，在面4-1處的碰撞角主要分布在0°～30°內(nèi)．碰撞角度分析結(jié)果表明激冷室內(nèi)各壁面破壞機理不同，下降管下端壁面主要是撞擊磨損；激冷室爐體則是沖刷磨損和撞擊磨損的耦合作用．

圖8?不同主要碰撞區(qū)碰撞角分布

3?結(jié)?論

本文針對激冷室內(nèi)存在的沖蝕、磨蝕等破壞，采用數(shù)值模擬的方法進行了研究．建立了激冷室三維物理模型和數(shù)值模擬模型，應(yīng)用VOF多相流模型、DPM離散相模型和Fluent UDF對激冷室流場、顆粒運動及其與激冷室壁面碰撞參數(shù)分析研究得到如下結(jié)論.

(1) 合成氣進入激冷室液池中初始動量逐漸發(fā)生衰減，最終改變運動方向而向上反折流動并發(fā)生液沫夾帶．

(2) 不同粒徑的顆粒在激冷室流場中的分布不同，粒徑較小的顆粒氣相跟隨性更為明顯、分布更為分散．

(3) 不同粒徑的顆粒主要碰撞區(qū)域不同，粒徑為0.05mm和0.1mm的小尺寸灰渣顆粒碰撞主要發(fā)生在下降管下端；0.5mm的大尺寸灰渣顆粒的碰撞主要發(fā)生在激冷室爐體下部，在設(shè)計制造過程中要重點關(guān)注這些位置．

(4) 激冷室內(nèi)各壁面沖蝕、磨蝕破壞機理不同，下降管下端壁面主要是撞擊磨損；激冷室爐體壁面是沖刷磨損和撞擊磨損的耦合作用．

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Particles Motion and Collision Characteristics of Water-Scrubbing Cooling Chamber in an Opposed Multi-Burner Gasifier

Liu Liyan1, 2，Shi Kai1，Wu Tong1，Tan Wei1，Wang Yang1

(1.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Chemical Process Safety and Equipment Technology，Tianjin 300350，China)

The opposed multi-burner coal-water slurry gasification technology is a clean coal technology independently developed in China，which has the advantages of high conversion rate and high effective gas content. The gasifier is the key equipment for the coal gasification process，which includes a combustion chamber and a water-scrubbing cooling chamber. The syngas generated in the combustion chamber entrained the slag particles into the water-scrubbing cooling chamber，colliding with the gasifier wall under turbulence. The collision caused wear，affecting the safety andlong-term stable operation of the gasifier. This work established a three-dimensional physical model of the water-scrubbing cooling chamber. The VOF multiphase flow model and DPM discrete phase model were used to study the gas-liquid-solid three-phase flow，and the flow field and distribution of particles with different particle sizes were obtained. The collision position and collision parameters between the particles and the furnace body were analyzed by the Fluent UDF，and the dangerous area and failure mechanism were obtained. Results show that the syngas stream generated a negative buoyancy jet in the liquid pool. The momentum of the syngas stream gradually attenuated，and the movement direction changed after. Particles with different sizes had different distributions in the flow field of thewater-scrubbing cooling chamber. Particles with a smaller size had an obvious gas phase follow abilityand a wider distribution range. The size of the particles affects the area where the collision mainly occurred. Particles with sizes of 0.05mm and 0.1mm mainly crashed at the lower end of the dip tube，while the larger particles mainly crashed in the lower part of the furnace body of the water-scrubbing cooling chamber. These positions should be paid attention to during the design and manufacturing process. The damage mechanisms are different in different positions. The damage on the lower wall of the dip tube is mainly impact-wear，while that on the furnace body is mainly the coupling effect of erosive-wear and impact-wear.

opposed multi-burner gasifier；water-scrubbing cooling chamber；slag particles；wear；numerical analysis

10.11784/tdxbz202101005

TQ536.4；TQ133.1

A

0493-2137(2022)04-0343-07

2021-01-05；

2021-01-28.

劉麗艷（1977—??），女，博士，教授，liuliyan@tju.edu.cn．

汪?洋，yangwang2017@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFC0808500).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2018YFC0808500).

(責任編輯：田?軍)