張鎵鑠 趙經(jīng)緯 杜常宗 張 祺 山石泉 周志軍

(1.寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，750000 銀川；2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，310027 杭州；3.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，310027 杭州)

0 引 言

我國“富煤貧油少氣”的資源稟賦決定了煤炭作為化石能源在我國能源消費中的主要地位。隨著“碳達峰”和“碳中和”要求的提出，煤炭清潔、高效、低碳利用將是未來相當(dāng)長一段時間能源領(lǐng)域的艱巨任務(wù)[1]。促進煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展，核心技術(shù)必不可少，氣流床氣化爐技術(shù)因具有高效清潔的特點，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[2]。然而，氣流床氣化爐內(nèi)工況復(fù)雜，爐內(nèi)溫度高達1 300 ℃，超過絕大數(shù)煤灰的熔融點，煤灰顆粒成熔融狀態(tài)，熔融態(tài)煤灰的冷卻與黏壁對氣化爐的安全運行至關(guān)重要[3-4]。在大多數(shù)的氣化過程中，氣化完成的高溫夾帶顆粒氣流需要進入輻射廢鍋或?qū)α鲝U鍋進行冷卻。輻射廢鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件苛刻，該過程很難進行實驗觀測。而數(shù)值計算可對顆粒冷卻過程進行預(yù)測(如顆粒溫度、熱量釋放以及顆粒運動等)。在以往的諸多氣化爐數(shù)值計算過程中，對顆粒的冷卻過程考慮的不太全面，忽視熔融顆粒的潛熱釋放，這將導(dǎo)致顆粒狀態(tài)判斷的偏差以及廢鍋內(nèi)顆粒冷卻效果的誤判。對煤灰的熔融機理，諸多學(xué)者進行大量的研究表明[5-7]，煤灰熔融在一個區(qū)間呈熔融態(tài)(多相)，該過程的差示掃描量熱法(DSC)曲線近乎線性，并且有研究認為，在相變區(qū)間的熔融態(tài)分數(shù)也是線性的，這對建立煤灰顆粒相變模型有重要意義。基于顆粒相變模型以及對顆粒運動軌跡的追蹤，可對爐內(nèi)的顆粒狀態(tài)進行更為準確的描述，進而優(yōu)化廢鍋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 實驗部分

1.1 相變模型建立

顆粒從液相向固相轉(zhuǎn)變的過程中，由于液相內(nèi)能大于固相內(nèi)能，該過程會產(chǎn)生內(nèi)能變化(釋放潛熱)，這部分能量會影響顆粒的溫度。如何處理這部分相變潛熱，對于合理描述顆粒相變過程至關(guān)重要。凝固區(qū)間潛熱可減緩顆粒溫度的下降(間接轉(zhuǎn)化為顆粒顯熱)，再通過對流與輻射換熱釋放到連續(xù)相或壁面。因此，由能量守恒可知，顆粒溫度可由式(1)獲得，最終相變過程求解最主要的問題是如何處理凝固過程的潛熱，進而歸結(jié)于如何處理熔融物質(zhì)固相率與溫度間的變化關(guān)系。

(1)

f=(TL-Tp)/(TL-TS)

(2)

式中：TL為液相線溫度，K；TS為固相線溫度，K；f為熔融態(tài)函數(shù)。

李潤東等[6]對熔融飛灰的DCS分析表明，熔融的相變熱約為700 kJ/kg。圖1所示為神華煤炭的相變溫度。由圖1可知，顆粒固相線溫度(TS)、液相線溫度(TL)與顆粒的變形溫度(TD)、流動溫度(TF)相關(guān)。但文獻[10]研究表明，煤灰實際開始的熔融溫度較變形溫度(TD)低200 K～400 K，故選取1 063 K為固相線溫度，流動溫度(TF)1 503 K為液相線溫度。

圖1 神華煤灰的相變溫度

煤灰比熱對于顆粒溫度求解影響較大，并且煤灰比熱一般隨溫度上升而增大，DAVID et al[11]總結(jié)諸多實驗數(shù)據(jù)，得出如下關(guān)聯(lián)式：

cp=0.754+0.000 586×Tp

(3)

1.2 相變過程顆粒溫度校正

1) 當(dāng)顆粒溫度從液相溫度以上降至凝固區(qū)域溫度時：

(4)

2) 當(dāng)顆粒從凝固區(qū)溫度上升至液相區(qū)溫度時：

(5)

3) 當(dāng)顆粒從液相區(qū)降至固相區(qū)時：

(6)

4) 當(dāng)顆粒從固相直接到液相：

(7)

5) 當(dāng)顆粒從凝固區(qū)到固相：

(8)

6) 當(dāng)顆粒從固相到凝固區(qū)：

(9)

式中：cp′為等價比熱容，kJ/(kg·K)；T*為校正溫度，K。

1.3 相變模型與Ansys耦合

為驗證上述模型，在Ansys平臺編寫國產(chǎn)自定義函數(shù)(user defined function，UDF)對高溫顆粒流的冷卻過程進行數(shù)值計算。Ansys平臺提供了多個接口實現(xiàn)這一過程，本實驗采用宏DEFINE_DPM_PROPERTY確定顆粒比熱，采用宏DEFINE_DPM_SCALAR_UPDATE修正顆粒溫度，采用宏DEFINE_INIT初始化各參數(shù)。具體過程如圖2所示。

圖2 顆粒相變模型耦合

由圖2可知，首先，進入程序后初始化各參數(shù)，然后進入顆粒迭代，需要判斷顆粒狀態(tài)(是否熔融或相變或穿越界限)，調(diào)用標量更新模塊，校正顆粒溫度，然后再根據(jù)顆粒狀態(tài)和顆粒溫度修改顆粒比熱(實際上此時顆粒是惰性顆粒，顆粒比熱只是用來求解顆粒溫度，故不影響整體的顆粒迭代過程)，如此循環(huán)。

1.4 相變模型數(shù)值模擬

為驗證模型的適用性，采用小型物理模型進行數(shù)值實驗。實際過程為高溫顆粒攜帶流高速噴入低溫區(qū)域，這與實際輻射廢鍋冷卻過程類似，不過計算域要小很多。計算模型為圓柱反應(yīng)器，直徑為0.06 m，長度為1 m，高速顆粒攜帶流以5 m/s中間噴入，其中顆粒在噴口上按截面均布噴射，噴口直徑為0.01 m，反應(yīng)器壁面溫度維持在873 K，顆粒射流溫度為1 673 K，具體參數(shù)如表1所示。圖3所示為模型網(wǎng)格劃分。本實驗已進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，對6萬、12萬、24萬網(wǎng)格數(shù)量進行模擬，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量達到12萬后，再增加網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果基本無變化，因此選擇12萬網(wǎng)格。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

表1 高溫顆粒射流物理參數(shù)

對于該流動傳熱過程，采用合理的湍流模型和輻射模型。Realizablek-ε湍流模型能夠很好模擬圓形射流的擴散及衰減作用[12]，比較適合當(dāng)前的流場計算。另外，高溫條件下，顆粒和氣體輻射需要準確的描述，采用DO模型模擬氣體輻射傳熱過程，雖然該模型計算量較大，但該模型較其他模型精度高[13]，同時也需要開啟顆粒輻射計算。顆粒運動采用DPM模型，其中顆粒運動時受到曳力的影響最大，采用顆粒曳力模型中常用的spherical模型，該模型將顆粒視為球形，兩側(cè)近壁面顆粒設(shè)置為reflect。高溫條件下的物性是隨溫度變化的，對所涉及的物性均采用溫度的多項表達式描述，具體模型設(shè)置和參數(shù)見表2。求解過程中壓力項采用PRESTO格式離散，其他項均采用二階迎風(fēng)格式進行離散。

表2 子模型設(shè)置及參數(shù)

為分析相變模型對氣相溫度場以及顆粒相溫度分布的影響，將進行多個工況的對比。模擬工況見表3，包括不使用煤灰相變模型(Case 1和Case 2)，以及不進行顆粒溫度校正(Case 1)等工況，以下將詳細分析上述工況。

表3 模擬工況

2 結(jié)果與討論

2.1 爐內(nèi)速度分布

圖4所示為不同工況條件下的爐內(nèi)軸向速度分布。由圖4可知，所有工況條件下高溫射流一進入爐內(nèi)，均在約25 cm內(nèi)速度迅速由5 m/s衰減到約0.5 m/s，并在兩側(cè)形成負壓區(qū)，進而導(dǎo)致兩側(cè)較大的回流區(qū)。在氣流速度衰減過后，低速氣流由于負壓區(qū)的存在導(dǎo)致回流而偏離中心軸線，并向兩側(cè)擴散，加之由于中心氣流速度低，靜壓大，導(dǎo)致氣流均貼壁(如圖4中所有圖的尾部所示)。不同的煤灰比熱處理方式對爐內(nèi)的速度場未產(chǎn)生較大的影響，氣流兩側(cè)的回流區(qū)以及衰減后的貼壁流動現(xiàn)象均存在，說明此區(qū)域負壓影響較大。雖然不同煤灰比熱處理方法影響對流場影響很小，但依然可見當(dāng)采用煤灰相變模型后，其軸向速度衰減尾跡較其他工況稍微延長。這主要是由于采用相變模型后，潛熱的釋放被考慮，氣相溫度的衰減相對其他工況減慢。

圖4 爐內(nèi)軸向速度分布

史平安[14]研究表明固液相變過程中潛熱等對熔池動態(tài)行為的影響不是總可以忽略的，其誤差取決于物相轉(zhuǎn)變時交界面溫差大小及材料熔解釋放潛熱的大小，考慮潛熱的計算模型會得出更精確的流場與溫度場結(jié)果。

圖5所示為圖4對應(yīng)的爐內(nèi)中心軸線以及兩側(cè)(r=0.01 m，r=0.02 m)的速度分布曲線。由圖5可知，中心軸線的速度分布與圖4類似，在前25 cm內(nèi)射流速度幾乎衰減為零，特別是在8 cm后，衰減速度急劇增加。在r=0.01 m處的速度分布與圖4結(jié)果吻合，首先是由于射流的擴散，導(dǎo)致前8 cm的速度增加，然后在8 cm之后，速度開始急劇衰減。而在r=0.02 m處的軸向速度幾乎是負值，并且波動較大，主要是因為該位置處于回流區(qū)的中心。不同煤灰比熱處理方式主要對速度的大小有輕微影響(如r=0處，由于相變的影響，射流出口5 cm～8 cm區(qū)間速度衰減較慢，在r=0.01 m處，考慮相變后導(dǎo)致在8 cm左右有更大的速度)。因此，不同的煤灰比熱處理方法不會對射流的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大影響，但會稍微減弱其衰減速度，小幅度提升部分區(qū)域的速度大小。

圖5 爐內(nèi)不同軸線處沿x軸軸向速度分布

2.2 爐內(nèi)溫度場分布

圖6所示為不同工況下爐內(nèi)的溫度分布。由圖6可知，溫度場的形狀與射流形狀對應(yīng)，射流一進入流場，由于輻射和對流作用，氣流溫度迅速降低，前25 cm內(nèi)降低到700 K左右。而在兩側(cè)的回流區(qū)，由于高溫氣流的卷吸，其溫度迅速上升。在尾部貼壁流動的區(qū)域，由于較強的對流換熱作用，氣流溫度也幾乎降至壁面溫度。不同煤灰比熱處理方式對溫度分布有明顯影響，當(dāng)不考慮比熱影響時，射流溫度衰減最快，在前6 cm左右，射流中心溫度由1 673 K降至1 300 K，而當(dāng)考慮比熱隨溫度變化時，在約9 cm處射流中心溫度才降至1 300 K，主要原因是比熱的變化導(dǎo)致顆粒能量源項的變化，也即導(dǎo)致顆粒顯熱釋放量的變化。當(dāng)煤灰顆粒相變時，其對爐內(nèi)溫度場的影響較大，由圖6c可知，爐內(nèi)前25 cm區(qū)域的溫度明顯增加，射流中心在11 cm處才降至1 300 K，并且射流尾部區(qū)域(如x=0.20 m)，其溫度較其他工況增加約100 K，其主要原因歸結(jié)于顆粒相變過程潛熱的釋放，導(dǎo)致氣相溫度提升，前期溫度衰減趨勢減弱。

圖6 爐內(nèi)溫度分布

劉英等[15]研究了多相稀薄流動中的顆粒相變過程，結(jié)果表明，顆粒相的存在以及顆粒相變模型的作用會使得氣相分子溫度升高，壓強變大，并指出氣相溫度下降梯度與分子間碰撞頻率呈正相關(guān)；氣相稀薄時，呈現(xiàn)隨噴射距離增加，氣相分子密度逐漸減小和氣相溫度梯度下降梯度逐漸減小的規(guī)律。本實驗中氣相濃度大，氣相溫度梯度下降主要受顆粒潛熱釋放和壁面換熱的影響。

圖7所示為爐內(nèi)中心軸線處的溫度分布曲線。由圖7可知，軸線處的溫度變化趨勢與圖6吻合，均呈現(xiàn)近乎線性的溫度衰減，在前25 cm均衰減至約600 K，衰減速率由大到小所對應(yīng)的工況為Case 1，Case 2，Case 3。特別是考慮煤灰相變后，其前10 cm的溫度衰減速率已明顯較其他工況低，在10 cm～25 cm區(qū)域，其溫度受到潛熱釋放的作用緩慢降低。如在x=15 cm處，相變導(dǎo)致其溫度較其他工況高約170 ℃，氣相溫度的這種變化趨勢與后面所述的顆粒溫度類似，這樣的變化趨勢與相變模型機理是吻合的，即顆粒處于相變區(qū)時，顆粒等效比熱增大，顆粒溫度變化緩慢，并且潛熱通過顆粒的對流及輻射作用向周圍氣相環(huán)境傳遞。

圖7 爐內(nèi)中心軸線沿x方向溫度分布

2.3 顆粒熱量釋放及顆粒溫度分布

圖8所示為爐內(nèi)的顆粒能量源項(代表煤灰顆粒以對流、導(dǎo)熱和輻射等方式向外圍環(huán)境的熱量傳熱速率(顯熱))。由圖8可以看出，顆粒顯熱的釋放速率由大到小所對應(yīng)的工況為Case 1，Case 2，Case 3，與前述的溫度分布相一致。特別是考慮相變模型時，射流中心以及壁面處的顆粒顯熱傳遞速率明顯強于其他工況。其原因就是顆粒溫度衰減趨勢減弱，更高溫度的顆粒能夠向外傳遞更多的能量。當(dāng)考慮比熱隨溫度變化時，顆粒顯熱速率分布整體強于固定比熱工況，其機理也是類似的。值得注意的是，圖8中所示的回流區(qū)及其壁面附近顆粒仍處于相變區(qū)，顆粒未完全凝固，該處壁面在實際過程中會出現(xiàn)嚴重壁面灰渣黏結(jié)現(xiàn)象。因此，對于氣化爐廢鍋掉渣口處的顆粒溫度及其狀態(tài)預(yù)測對附近結(jié)構(gòu)的抗結(jié)渣設(shè)計至關(guān)重要，在實際數(shù)值計算中，需要將顆粒相變模型耦合至流體動力學(xué)計算中。

圖8 爐內(nèi)顆粒能量源項(顆粒熱量釋放速率)

圖9所示為沿程的顆粒溫度分布。由圖9可知，顆粒溫度變化與氣相溫度分布類似，中軸線上的顆粒溫度近乎呈線性下降，不過其下降速率由大到小所對應(yīng)的工況為Case 1，Case 2，Case 3，考慮顆粒相變后，顆粒整體溫度上升，如在x=15 cm后，Case 3工況條件下的最高溫度可達1 209 K，而Case 2工況和Case 3工況最高溫度分別只有1 030 K和961 K。另外，在射流的前25 cm內(nèi)，Case 3工況下高于固相線溫度的顆粒含量明顯高于其他工況，并且多數(shù)處于相變區(qū)的顆粒分布壁面以及回流區(qū)區(qū)域，導(dǎo)致該部分潛熱釋放集中，顆粒溫度降低緩慢，屬于實際運行中高危區(qū)域。

圖9 顆粒溫度分布

劉英等[15]模擬研究表明，在真空環(huán)境下，氣體十分稀薄時，粒子相變所釋放的熱量與顆粒同氣相分子的對流傳熱和粒子本身的輻射放熱相當(dāng)時，粒子就會處于一種溫度靜止的準平衡過程，表明顆粒潛熱釋放具有持續(xù)性，相變模型的加入使得顆粒溫度降低緩慢，與模擬結(jié)果類似。煤氣化是煤炭資源化利用的重要手段，是雙碳下的重要戰(zhàn)略研究方向[16-17]。

3 結(jié) 論

1) 建立了基于煤灰特征溫度、煤灰高溫DCS以及以等價比熱法為機理的熔融煤灰相變模型，從而定量描述熔融顆粒的潛熱釋放速率以及進行顆粒溫度的預(yù)測。

2) 煤灰相變對爐內(nèi)速度場的影響有限，射流主要特征基本不變，但會在局部區(qū)域提高射流速度，減弱氣流速度的衰減趨勢，但煤灰相變對射流前期的溫度場影響較大，其釋放的潛熱可延緩中心射流的溫度衰減(部分區(qū)域的溫度高于其他工況約170 ℃)，同時也可提升射流的外圍回流區(qū)氣相溫。

3) 煤灰相變延緩顆粒溫度的下降，中心部分顆粒溫度較其他工況高170 ℃，并且導(dǎo)致在射流速度衰減期有更多處于相變態(tài)的顆粒。另外，在射流兩側(cè)以及壁面附近會積聚大量高溫相變態(tài)顆粒，屬于廢鍋內(nèi)部的高危區(qū)域。

4) 開發(fā)煤灰相變模型能夠有效描述潛熱釋放，預(yù)測氣相溫度以及顆粒溫度分布，對于指導(dǎo)實際廢鍋的運行與優(yōu)化設(shè)計有重要意義。