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氣,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。空氣從入口進入后分別進入預(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)燃室富燃燃氣進入可燃管內(nèi)部后與二次空氣摻混并進行二次燃燒,進一步提高燃氣溫度使可燃管燃燒,燃氣中富余的氧氣可與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)燃室后部富燃燃氣噴嘴的前后氣流無法相互影響,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)三維多組分可燃氣體的可壓縮流動,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?？諝馊肟诓捎觅|(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[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[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[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),燃氣對可燃管內(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氣在點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)量分數(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)量分數(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氣進行燃燒后體積分數(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)域氧氣體積分數(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氣射流進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_2 004 K,高溫燃氣將附近的氮氣加熱。圖7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,使得回流方向的燃氣摻混更快、溫度更高,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,二次燃氣能夠有效引燃可燃管。

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,之后燃氣在拉瓦爾噴管中速度上升,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。二次燃氣和環(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。由于氮氣的速度遠低于一次燃氣和二次空氣,在點火器后部形成了多組旋流,將部分高溫二次燃氣及被加熱的氮氣卷入點火器外壁附近,使點火器外壁面溫度升高,最高達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,高溫燃氣出口壁面附近溫度較低。該工況下,環(huán)隙進入的氮氣流量較大,冷卻能力較強,使高溫回流燃氣的回流距離較短,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。在一次燃氣出口附近實現(xiàn)了二次空氣噴射進行補燃,并配合冷卻氣簾對一次燃氣出口附近的壁面進行有效冷卻,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到了點燃可燃管的要求。