張友軍 王剛慶 王 峰 譚文鋒 任 武 劉凱文 陳 展

(1.中石油江漢機械研究所有限公司2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司)

張友軍,王剛慶,王峰,等.煤炭地下氣化點火裝置燃燒特性數(shù)值研究.石油機械,2022,50(11):98-103.

0 引言

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,簡稱UCG)是將埋藏于地下的煤就地進行有控制地燃燒,通過煤的熱化學(xué)作用而生產(chǎn)煤氣的過程,是一種集建井、采煤、氣化工藝于一體的清潔能源技術(shù),具有安全性高、環(huán)境友好及高效等優(yōu)點[1-5]。我國含油氣盆地煤系發(fā)育,超出煤炭企業(yè)井工開采深度,埋深1 000～3 000 m的煤炭資源量巨大,達(dá)到3.77×1012t,預(yù)計可氣化煤炭折合天然氣資源量為(272～332)×1012m3,是常規(guī)天然氣資源量的3倍[1-5]。

由于UCG技術(shù)具有以上顯著優(yōu)點,國內(nèi)外都在該技術(shù)上投入了大量資源進行研究和應(yīng)用,逐漸形成了3種類型的煤炭地下氣化技術(shù),即長壁式氣流法煤炭地下氣化技術(shù)、滲透式煤炭地下氣化技術(shù)和控制后退注氣點煤炭地下氣化技術(shù)。在鉆井式氣化過程中,注氣管移動控制裝備設(shè)置在地面;在礦井式氣化過程中,注氣管移動控制裝備可設(shè)置在井下巷道中。因此,控制后退注氣點煤炭地下氣化技術(shù)適用于鉆井式和礦井式氣化。

由于氣化煤層無法移動,要依靠氣化工作面的移動以保持氣化過程的連續(xù),而長壁式和滲透式氣化工藝中,氣化工作面的移動是依靠氣流流動自然推進,可控性差。利用注氣點的后退移動注氣可人為控制氣化工作面的移動,從而實現(xiàn)對氣化工作面的有效控制。在氣化通道中設(shè)置注氣管,利用注氣管連續(xù)或間斷后撤,實現(xiàn)注氣點連續(xù)或間斷后退移動。相關(guān)研究機構(gòu)在氣化通道注氣點火設(shè)備的研制中已經(jīng)開展了大量工作,例如中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心發(fā)明了“分離控制后退注氣點-水霧化地下氣化技術(shù)”等[6]。筆者設(shè)計了一種井下“火炬式”點火裝置,并使用連續(xù)管將該點火裝置送入井下預(yù)定位置,注入點火劑和氧氣實現(xiàn)自燃引火,著火后持續(xù)注入主燃料和空氣進行定點燃燒,進而點燃煤層;利用Fluent軟件對其點火裝置內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,分析各參數(shù)分布情況,確保其滿足井下安全點火的要求。

1 模型建立

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的裝置通過化學(xué)點火方式實現(xiàn)煤炭地下點火,采用中心擴散式的2級燃燒方案,利用點火劑引燃主燃料,空氣為氧化劑,氮氣作為保護氣體。裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置工作時,從內(nèi)直外旋氣液同軸噴嘴外圈噴射出液態(tài)燃料,中心直孔噴射空氣,液態(tài)燃料通過外側(cè)旋孔注入,通過控制燃料和空氣的質(zhì)量流率之比使預(yù)燃室內(nèi)的混合氣體為富燃燃?xì)?并控制燃燒溫度使其對預(yù)燃室壁面的加熱溫度在其結(jié)構(gòu)材料的許用溫度以下?？諝鈴娜肟谶M入后分別進入預(yù)燃室和二次空氣腔,在點火器后端面設(shè)計了2組不同傾角的二次空氣噴注孔,在端面切向設(shè)置了4個冷卻氣噴注孔,用以降低點火器后端壁面溫度,保證裝置的安全工作。預(yù)燃室富燃燃?xì)膺M入可燃管內(nèi)部后與二次空氣摻混并進行二次燃燒,進一步提高燃?xì)鉁囟仁箍扇脊苋紵?燃?xì)庵懈挥嗟难鯕饪膳c氣化通道中的煤層進行反應(yīng)。裝置環(huán)隙中通入一定流速的氮氣,在點火之后冷卻點火器外壁,防止點火器外壁溫度過高導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。

圖1 煤炭地下氣化點火裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of ignition device of underground coal gasification

該點火裝置的設(shè)計中利用了變截面定常等熵流在達(dá)到壅塞狀態(tài)后,臨界截面后的流動狀態(tài)無法向上游傳播的氣體動力學(xué)原理,使得旋流同軸噴嘴及預(yù)燃室后部富燃燃?xì)鈬娮斓那昂髿饬鳠o法相互影響,保障了流動和火焰的穩(wěn)定。這也是該設(shè)計區(qū)別于以往常規(guī)點火裝置的創(chuàng)新之處。

1.2 計算方案

本文模擬的主要問題為穩(wěn)態(tài)三維多組分可燃?xì)怏w的可壓縮流動,計算模型采用三維多組分帶化學(xué)反應(yīng)的湍流燃燒流動,整個過程受多因素影響較為復(fù)雜。研究中假設(shè)流道中氣體為理想氣體。燃料與空氣的化學(xué)反應(yīng)機理涉及到多個基元化學(xué)反應(yīng),考慮數(shù)值模擬的可實現(xiàn)性以及相應(yīng)設(shè)計優(yōu)化的周期,使用了丙烷-空氣的兩步簡化動力學(xué)機理作為研究數(shù)值模擬的化學(xué)動力學(xué)模型。湍流模型采用Menter k-ωSST湍流模型求解雷諾時均N-S方程。Menter k-ωSST湍流模型在近壁面使用Wilcox k-ω模型,在邊界層邊緣和自由剪切層采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,其間通過一個混合函數(shù)進行過渡。對于自由剪切層、附著邊界層以及適度分離流動具有較好的計算精度。

模擬采用商用CFD軟件包ANSYSFluent進行。空氣入口采用質(zhì)量流率入口,液態(tài)丙烷噴注采用DPM模型,粒徑和速度參考文獻(xiàn)[7-8]的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)?？扇脊苓x用密度2.15 g/cm3、比熱容875 J/(kg·K)、導(dǎo)熱系數(shù)87.3 W/(m·K)的鎂鋁合金。煤層物性參數(shù)參考文獻(xiàn)[9-10]的孫村礦2層相關(guān)數(shù)據(jù),點火器材料選用耐高溫合金。裝置出口為壓力出口,其值亦為可燃管內(nèi)壓力值。文獻(xiàn)[11-12]的計算結(jié)果表明,Fluent軟件可以對丙烷的燃燒過程進行較為準(zhǔn)確的數(shù)值模擬,使用該計算方法可以滿足工程設(shè)計需要。

計算區(qū)域采用三維對稱構(gòu)型,全長5 m,直徑114 mm,內(nèi)部點火器外徑77 mm,預(yù)燃室內(nèi)徑14 mm。整個計算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量為3 101 569,網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。

2 結(jié)果分析

2.1 預(yù)燃室

點火裝置運行時,為了順利點燃可燃管并同時保護點火器結(jié)構(gòu),燃?xì)鈱扇脊軆?nèi)的加熱量需滿足一定要求,但溫度過高又會對點火器結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。這里提出的點火裝置通過一個預(yù)燃室來提供穩(wěn)定的點火源。

圖2為預(yù)燃室的液滴分布狀況。

圖2 丙烷液滴粒徑分布Fig.2 Propane droplet size distribution

由圖2可以看出,由于液態(tài)丙烷采用了渦流器離心式噴注方式,在噴嘴下游形成了空心錐形霧化區(qū)域,噴射的液滴粒徑更小,霧化蒸發(fā)更快,有效提高了霧化效果。丙烷液滴在預(yù)燃室中已經(jīng)完全霧化蒸發(fā),沒有丙烷液滴直接進入可燃管中的二次燃燒區(qū)域,這就保證了預(yù)燃室的壓力和流量會維持在設(shè)計點附近,表明采用渦流離心噴注器起到了良好的霧化效果,有利于穩(wěn)定快速點火。預(yù)燃室壁溫分布如圖3所示。從圖3可以看出,預(yù)燃室溫度前低后高,這是由于丙烷液滴在預(yù)燃室前部霧化蒸發(fā),吸收了大量熱量,蒸發(fā)后的丙烷蒸氣與氧氣逐漸摻混并發(fā)生燃燒反應(yīng)。燃燒區(qū)域主要集中在點火器下游的中心區(qū)域,圓柱段內(nèi)壁溫度最高達(dá)1 576 K,可以通過氣膜對預(yù)燃室壁面進行冷卻,實現(xiàn)長時間工作。

圖3 預(yù)燃室壁溫分布Fig.3 Wall temperature distribution of pre-ignition chamber

2.2 可燃管

考慮到預(yù)燃室內(nèi)壁溫不宜過高,預(yù)燃室內(nèi)的丙烷和氧氣比例按照貧氧進行設(shè)計,隨射流噴入可燃管內(nèi),與補燃空氣進行二次燃燒。對稱面的丙烷濃度分布如圖4所示。由圖4可以看出,丙烷在預(yù)燃室中并未完全燃燒,剩余的丙烷及富燃的一次燃?xì)庠邳c火器出口下游與二次空氣進行摻混補燃。

圖4 對稱面丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Propane mass factor distribution of symmetric plane

對稱面氧氣質(zhì)量分布如圖5所示。

圖5 對稱面氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Oxygen mass factor distribution of symmetric plane

從圖5可以看出:二次空氣與一次射流燃?xì)膺M行燃燒后體積分?jǐn)?shù)逐漸降低;在與丙烷完全反應(yīng)后,可燃管中下游大部分區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)為6.8%,可供給煤層的燃燒。預(yù)燃室及可燃管對稱面溫度分布如圖6所示。

圖6 預(yù)燃室及可燃管對稱面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of symmetric plane of pre-ignition chamber and combustible tube

從圖6可以看出,預(yù)燃室內(nèi)未完全燃燒的一次燃?xì)馍淞鬟M入可燃管后與二次空氣摻混,發(fā)生二次燃燒。由于預(yù)燃室起到火焰穩(wěn)定的作用,高溫火焰可以一直穩(wěn)定維持在預(yù)燃室后部位置,實現(xiàn)了值班火焰的作用?？扇脊苤凶罡呷紵郎囟瓤蛇_(dá)2 004 K,高溫燃?xì)鈱⒏浇牡獨饧訜帷D7為可燃管壁面溫度分布云圖。

圖7 可燃管壁面溫度分布Fig.7 Temperature distribution of combustible tube wall

由圖7可知,可燃管壁面的平均溫度1 058 K,最高溫度1 113 K,確?？扇脊芸煽厝紵?。圖8為可燃管XY截面上的溫度分布。由圖8可以看出,由于點火器下游大尺度回流的作用,使得回流方向的燃?xì)鈸交旄?、溫度更?較大尺度的回流區(qū)域也起到了火焰穩(wěn)定的作用。此外,火焰在可燃管中徑向擴展效果較好,在點火器噴嘴下游500 mm處已經(jīng)較為均勻,結(jié)合圖7的壁溫分布可以看出,二次燃?xì)饽軌蛴行б伎扇脊堋?/p>

圖8 可燃管中XY部分截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of some XY sections in the combustible tube

圖9全設(shè)備軸線上溫度曲線及上游區(qū)域放大圖Fig.9 Temperature curve on the whole axis of the device and the enlarged view of upstream area

圖9 為全設(shè)備長度軸線及點火裝置上游軸線上 的溫度曲線。圖9中x=0的位置位于預(yù)燃室頭部表面。從圖9可以看出,在點火前預(yù)燃室中心軸線前部溫度較低。隨著空氣與丙烷發(fā)生燃燒反應(yīng),在預(yù)燃室中后部溫度迅速上升,之后燃?xì)庠诶郀枃姽苤兴俣壬仙?靜溫下降,在進入可燃管后與二次空氣再次發(fā)生燃燒反應(yīng),溫度迅速上升。二次燃?xì)夂铜h(huán)隙的氮氣摻混后溫度再次降低,在下游趨于平穩(wěn),并且隨著壁面向外部的熱傳導(dǎo),溫度也沿軸線方向略有所下降。

點火器還需考慮的一個問題是其外側(cè)的熱防護。由于氮氣的速度遠(yuǎn)低于一次燃?xì)夂投慰諝?在點火器后部形成了多組旋流,將部分高溫二次燃?xì)饧氨患訜岬牡獨饩砣朦c火器外壁附近,使點火器外壁面溫度升高,最高達(dá)1 107 K。在二次補燃噴嘴的上下各有2個冷卻氣簾噴孔,從點火器外壁溫分布圖中可以看出,氣簾的冷卻作用顯著,高溫燃?xì)獬隹诒诿娓浇鼫囟容^低。該工況下,環(huán)隙進入的氮氣流量較大,冷卻能力較強,使高溫回流燃?xì)獾幕亓骶嚯x較短,在臺階上游45 mm附近,點火器外壁溫度已迅速降低至400 K以下,滿足該處相關(guān)結(jié)構(gòu)件的使用溫度需求。

3 結(jié)束語

依據(jù)氣體動力學(xué)的壅塞原理設(shè)計了一種適用于煤炭地下氣化點火的井下“火炬式”點火裝置,該裝置能夠穩(wěn)定控制流量和點火能量。使用計算流體力學(xué)軟件對其穩(wěn)態(tài)燃燒條件下的燃燒流場進行了三維數(shù)值模擬。根據(jù)計算結(jié)果可以看出,氣體中心直流、液體渦流器離心式氣液同軸噴嘴可以使液態(tài)丙烷霧化效果更好,預(yù)燃室起到了良好的火焰穩(wěn)定作用。在一次燃?xì)獬隹诟浇鼘崿F(xiàn)了二次空氣噴射進行補燃,并配合冷卻氣簾對一次燃?xì)獬隹诟浇谋诿孢M行有效冷卻,既可以滿足加熱可燃管的要求,使可燃管可控燃燒,又可以降低點火器外壁面溫度,實現(xiàn)長時間工作。計算結(jié)果表明,該點火裝置能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定點火,二次燃燒后的溫度和和氧氣含量達(dá)到了點燃可燃管的要求。