水煤浆雾化技术与应用研究

FLUID MACHINERYVol.35,No.3,2007文章编号:1005-0329(2007)03-0048-05水煤浆雾化技术与应用研究郑捷庆2,张军,罗惕乾(1.江苏大学江苏镇江212013;2集美大学,福建厦门361021)摘要:评述了目前国内外水煤浆的雾化技术与应用研究的现状及存在问题。针对水煤浆不同于一般的牛顿流体的特性,就水煤浆雾化机理、雾化方式雾化喷嘴的结构与雾化特性雾炬流场的数值模拟及测试技术等方面进行了分析与总结。在此基础上,给出了水煤浆雾化喷嘴的设计思路,提高雾化细度的途径及完善数值模型的方向。关键词:水煤浆;雾化;两相流;数值模拟中图分类号:0359;TQ534文献标识码:BStudy on Technique and application of Coal-water Slurry AtomizationZHENG Jie-qing, ZHANG Jun', LUO Ti-qia(1. Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Jimei University Xiamen 361021, China)Abstract: With regard to coal-water slurry, the characteristics different form Newton fluids, current research developments ofthe techniques and applications of Coal-water Slurry atomization are reviewed and estimated from the atomization theories, struc-tures and characteristics of atomization nozzles, numerical modeling and testing techniques on spray of coal-water slurry respec-tively. The principles of design on atomization nozzles, the possible ways to improve SMD of spray and the direction to perfect nu-merical model are carried outKey words: coal-water slurry; atomization; two-phase flow; numerical modeling1前言得多。水煤浆作为一种低污染高效率、可管道输送2水煤浆的雾化机理的代油新型清洁燃料,近年来倍受重视并且得到了迅速的发展,已广泛应用于锅炉、内燃机燃烧领按照雾化方式,水煤浆雾化可分类为机械雾域1l。鉴于世界石油资源的日益枯竭,生态环境化和气力雾化。机械雾化主要靠水煤浆在压力差的不断恶化以及当今原油价格的持续走高,对水作用下产生高速射流而雾化可细分为直射式、离煤浆技术的不断深入研究及推广具有重要意义。心式和旋转式。气力雾化是以高速气流冲击速度水煤浆是由65%~70%的煤粉、30%~35%较低的水煤浆,把其撕裂成细小的液滴。从燃烧的水和少量添加剂混合的浆状液体,其工业化应效率的角度,空气优于蒸汽。在气力雾化中煤浆用涉及制备、运输雾化及燃烧等多个方面。目前的整个雾化过程呈现明显的初级破碎和随后的二学术界多以水煤浆流变学特性和燃烧的研究较次雾化两个阶段,如图1、2所示。根据现有理多2-·。然而水煤浆由于浓度高、粘度大、易堵论,分别用表面 Kevin- Helmholtz不稳定波雾化理塞、易磨损,就雾化而言,比一般的液体燃料困难论和气动力雾化两种不同的理论来加以描述。收稿日期:2006-05-22修稿日期:2006-09-11基金项目:福建省自然科学基金项目(E041007);福建省教育厅科研项目(JA004232);福建省青年科技人才创新项目(2002022)2007年第35卷第3期流体机械3.1雾化方式的选择机械雾化喷嘴仅在柴油机改燃用水煤浆时采用,但应用于水煤浆喷雾时因其缺点明显,制约了其在内燃机领域的推广应用6。目前国内外对水煤浆喷嘴的研制及应用几乎集中于气力雾化型喷嘴,它克服了机械雾化喷嘴的瓶颈,避免大流量变化下大颗粒的产生,细颗粒均匀的被散布在气流图1水煤浆初次雾化过程中,整个雾炬流型和状态维持良好,易于控制另外喷嘴可以得到良好冷却→Cc3.2气力雾化喷嘴的结构型式气力雾化喷嘴可分为内混式和外混式两种。由于外混式结构采用喷嘴外高速气流冲击煤浆雾图2水煤浆二次雾化过程炬,极易干扰燃烧室的流场控制,因此该结构一般较少采用。根据气流是否旋转以及浆道和气道的3雾化喷嘴的设计布置,大致将内混式气力雾化喷嘴型式归类如表所示。表1水煤浆气力雾化喷嘴的型式分类标准喷嘴型式典型应用主要特点气流是否直流型三通道直流型喷嘴气流与煤浆均直流旋转旋流型Parker- Hannifin强旋流煤浆喷嘴旋转气流具强剪切力Y型Forster- Wheeler环形Y型喷嘴浆道侧进,中心轴向为气道,成Y型中心轴向为气道,雾化气与煤浆浆道与气T型日本日挥公司T型喷嘴在喷嘴出口处成垂直T型相交道的布置多级气化型中科院ZN型二级雾化喷嘴中心轴向为浆道,气道分对称两级Y型侧进组合撞击型浙江大学撞击式多级雾化喷嘴中心轴向为浆道,一二级气道对称Y型侧进,三级气道T型侧进,带撞击件3.3雾化喷嘴的设计要求平均索太尔直径(SMD)的影响。通过对试验与重油相比,水煤浆中含有大量煤粉颗粒数据的分析表明对于既定物性的水煤浆、既定操(内燃机燃用水煤浆平均粒度约为50μm1,流化作工况下,既定型式喷嘴的结构尺寸的设计是其床锅炉则达100μm以上)。高速流动的大量煤主要影响因素。该文给出了优化喷嘴的一系列原浆颗粒对喷嘴的冲蚀、磨损造成了极低的喷嘴使则,本文不再冗述。用寿命(国产不到100,进口可达300h但造价水煤浆昂贵),频繁更换喷嘴导致锅炉停火的代价相当高。因此学术界均将喷嘴的使用寿命作为设计的首要考量及研究重点121,这也是直流型、Y型设计受欢迎的原因之一,由于气道轴向布置,避免了高速气流夹带颗粒正面冲击混合室壁面而加剧图3Y型喷嘴示意喷嘴的磨损,参见图3。多级雾化喷嘴则利用高空气速气流侧向撞击水煤浆,喷嘴局部磨损明显,往往需要镶嵌硬质耐磨材料造成价格相对昂贵,如图水煤浆4所示。喷嘴雾化质量的重要性不亚于耐磨损性。黄7/7镇宇等对浙江大学开发的撞击式水煤浆喷嘴的实验中考察了喷嘴各个结构参数对水煤浆雾化颗粒图4多级喷嘴示意50FLUID MACHINERYⅤol.35,No.3,2007M. Kadja等发现除小雾化粒径要求外,高煤浆表观粘度对雾化颗粒SMD的影响,验证了而稳定的燃烧室温度和高的煤浆颗粒速度对水煤二者之间的成正比关系。浆颗粒着火及稳定性燃烧影响最大,而燃烧室压K.D.Kihm使用柴油喷嘴对水煤浆(浓度力和颗粒与周围气流相对速度的大小影响甚微。50%)的喷雾颗粒SMD进行了试验山,利用LD为保持燃烧室的温度,从喷嘴两侧的回流高温烟PA( laser diffraction particle-analyzing)对近喷口气必须迅速地蒸发煤浆颗粒表面水分以加速燃处的粒径同步观测。其结果表明:距离喷嘴越远烧3。从该角度出发,喷嘴设计采用旋流型效果雾滴SMD越大,这是因为较大的雾滴其贯穿距也最佳,因为在对比直流与旋流喷嘴所产生的雰炬较大;喷孔口径对雾滴SMD不大;喷射压力增加,流量分布中发现,后者可在雾炬轴向形成双峰形雾滴SMD显著减小;背压或气体密度的增加,雾分布,利于减小颗粒表面水分蒸发时间。但强滴SMD增大。同时他提出在测量粒径时,使用旋流同样加剧喷嘴混合室壁面磨损。LPDA H PDPA( Phase Doppler Particle Analyzer)由于煤浆雾化阻力要比一般流体高得多,为的同步效果更为理想,但是在液滴呈非球状区域了获得好的雾化效果,煤浆喷嘴的气耗率一般都的测量准确性差些。较高(即能源消耗大),这是目前气力喷嘴应用于S.Y.Son使用音速气流气力雾化喷嘴对含有水煤浆的喷雾的一个缺陷。实际上为了获得好的3种不同煤颗粒直径(32~45μm,45~63μm雾化效果,目前的喷嘴也主要在结构上、材料、气63~90μm)的水煤浆喷雾粒径进行了试验研究液混合方式做了改进。应该说,研究结构简单,使采用 Malvern粒度分析仪测量雾滴SMD,提出在用寿命长、能源消耗小的煤浆喷嘴应是目前需要同样雾化条件下含煤颗粒直径越小的水煤浆的雾做的一个工作。化颗粒SMD越大,因为直径大的煤粉颗粒对水的毛细抓紧力( capillary holding force)弱,从而在雾4雾化特性的研究化过程中煤粉颗粒之间以及煤粉颗粒与水之间较容易分离。雾化特性是水煤浆喷嘴最重要的特性,通常原鲲等研究了水煤浆多极(二级)气动喷嘴衡量喷嘴雾化质量的指标分别是:雾化角、雾化粒的雾化特性,得出不同操作工况(气浆比、浆压度、颗粒均匀度、流量密度和雾炬的射程等。其中等)对颗粒直径的影响,结果表明增加气浆比或雾化粒度和颗粒均匀度对水煤浆燃烧性能影响最提高浆压有利于降低雾化粒度。为显著。上述对雾化粒度的研究分析表明由于雾化方工业用水煤浆一般为具有一定屈服应力的宾式不同、喷嘴结构有别、水煤浆组分各异兼之水煤汉姆塑性流体或剪切变稀的幂律型拟塑性非牛顿浆不同于牛顿流体,具有复杂的流变特性,故而理流体,其表观粘度变化范围较大。S.C.Tai等研论上并无通用的雾化粒度的计算表达式。研究者究了水煤浆的浓度、温度、煤粉组分、添加剂等物只是针对不同的喷嘴和雾化介质给出经验公式或性参数对表观粘度的影响“,并将这些物性参数预测模型,并通过试验进行验证。表2根据以上对雾化颗粒SMD的影响统一归结为表观粘度对学者的研究综合归纳了6个对SMD有较大影响颗粒SMD的影响。S.Y.Son在试验中研究了水的变量。表2水煤浆雾化颗粒SMD的影响因素变量煤粉颗粒直径d浆压P气浆比a流变特性(表观粘度n)离喷嘴距离x气体密度SMDd↑,SMD↓P↑,SMD↓a↑,SMD↓↑,SMD↑x↑,SMD↑pf,SMDt雾化颗粒粒径分布可从统计学理论对雾滴的水煤浆雾炬为气液固多相射流,雾炬长而SMD进行分析。均匀的粒度分布利于燃烧。PDF窄,其空间结构可分为射流核心区、初始区和充分(概率密度函数)模型已广泛地应用于对雾化颗发展区。有别于一般的自由射流的是水煤浆的雾粒粒径分布的描述6,能有效的预测粒度分布。炬扩散是一个典型的从浓相到稀相的流动过程,另一特点是随着X(离喷嘴的轴向距离)的5雾炬流场的模拟与测试增加截面颗粒SMD呈非线性增加,因此其动2007年第35卷第3期流体机械力学特性尤为复杂。在实际的建模过程中一般简着关键作用,雾炬中煤浆颗粒的湍流扩散运动将化为气液或气固两相流模型,气相湍流普遍采用影响燃烧室的温度场分布,对于控制燃烧过程同k-E模型·1,难点在于颗粒相模型的建立,目样不可忽视。目前有诸多燃烧新技术,如设置前主要有两种做法9预燃室、反吹射流、抽吸烟式稳燃等,其目的都第一种是颗粒拟流体法,典型的有无滑移模是加强水煤浆雾炬卷吸回流高温烟气对浆粒的对型、滑移-扩散连续模型等。流换热以及稳定着火点。因此掌握水煤浆雾炬的第二种是颗粒轨道法,典型的有分散颗粒群流动规律的重要性不言而喻。的颗粒半随机轨道模型、分散颗粒群的脉动频谱随机轨道模型等。6展望国内很多学者采用上述部分模型作过一些水煤浆雾炬流场的数值模拟。原鲲等对水煤浆二级综上所述,雾化质量的要求、喷嘴的耐磨损性撞击式喷嘴雾炬流场进行了数值模拟),液相能和能源消耗大是水煤浆雾化技术的三大难点(颗粒相)采用 Spalding提出的基于将颗粒相作对雾化方式的选择和结构的设计必须在三者之间为类似于流体相的组分 SIMPLE法的无滑移模综合考虑其利弊进行取舍。磨损机理和耐磨材料型,考虑了两相之间的相间耦合和湍流扩散但该的深入研究与发展将有利于摆脱喷嘴结构设计的模型的缺点是忽略了颗粒相和气相之间的相对运桎梏。配制合理物性参数的水煤浆、设置合理的动。岑可法等基于对湍流涡团的分析提出了脉动操作工况可提高水煤浆雾化细度。对水煤浆雾炬频谱随机轨道模型( Fluctuation-Spectrum- Random-多相湍流扩散运动的机理及模型研究仍然有待深trajectory Model)(,采用拉格朗日法处理水煤浆和完善。雾炬射流流场简化为气固两相流,然雾化液滴模拟了水煤浆在锅炉炉膛中的燃烧过而液相(水颗粒)的存在究竟有何影响尚未有任程,但由于模型中没有考虑颗粒与颗粒之间的碰何解释,因此完整建立气液固三相流模型也是撞作用,因此对于水煤浆大颗粒雾化粒子的模拟研究方向之一。而言亦不完善。卢平基于颗粒运动离散单元法( Discrete Element Method),采用直接模拟法建参考文献立了水煤浆雾炬颗粒相的湍流扩散模型,摒弃了许多可能影响模拟精度的假设,尤其考虑了颗粒[1] Thambimuthu K. Developments in Coal-liquid Mix间的碰撞作用,但是DEM方法用于处理水煤浆颗tures[R]. International Energy Agency Coal Re粒稀相流动显然值得商榷。London( England ) 1994, 4: 82.国外的学者从20世纪90年代开始已较少对2]oyaP. SheolProperties and Characteris冷态水煤浆雾炬流场的进行理论建模,这从该领tics of Hydraulic Transportation and Heat-Mass Ex域的文献报道一片空白可以看出。究其原因:change of Coal-Water Fuels [J]. Journal of miningScience,2002,38(3):220-228.(1)对湍流机理的认识有限以及水煤浆复杂的流[3] Tsui H, Yavuzkurt S, Scaroni A. Thermodynamic anal-变学特性,造成了理论建模的极大困难和不准确ysis of the gasification of coal water slurry fuels for a性;(2)粒子图像测速技术( Particle Image Velocicirculating fluidized bed gasifier [J]. Proceedings ofmetry,PIV)的出现把传统的模拟流动显示技术he Institution of Mechanical Engineers, Part A( Jour推进到光学数字式模拟流动,对于高不稳定和随nal of Power and Energy ) 2002, 216( A5): 343机流动,PV得到的信息瞬时而精确。因此国内外研究水煤浆的学者无一例外的采用了PV进[4] Tsai S C. Rheology and Its Effects on/ Atomization of行水煤浆燃烧、流动和传热的测试,1,1而对现Coal Water Slurry[ A]. Proc. First Annual Pittsburgh有的理论模型产生怀疑。随着流场测试技术及计Coal Conf[C].1984.190-20算机技术的发展将逐步提高人们对湍流机理的认[5]YaTU. Fundamental Aspects of Coal-Water FuelDroplet Combustion and Secondary Atomization of识从而促进数值模型的不断完善。Coal-Water Mixtures[R].US-DOE/PC/70268-Tl水煤浆雾炬流场的测试将对浆粒气化、着火、V.2,1987.57稳定燃烧及燃烧室内空气动力流场的合理组织起[6] Dan Tomohisa, Ohishi Naoki, Senda Jiro,etal.A5FLUID MACHINERYvol35,No.3,2007omization mechanisms in diesel fuel spray [J]. Nip-Science& Engineering A, 2006, 417: 1-7.pon Kikai Gakkai Ronbunshu,BHen/ Transactions of[14]黄镇宇,张传名,李习臣,等,6Uh撞击式水煤浆the Japan Society of Mechanical Engineers, 1994, 577喷嘴雾化特性试验研究[J].中国电机工程学报,(60):319231972004,24(6):201-2047]岑可法姚强.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论[15] Kadja M, Bergeless G. Modeling of slurry droplet dr与应用技术[M].杭州:浙江大学出版社,1997ying [J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23[8]原鲲陈丽芳,吴承康,等.水煤浆多级喷嘴的雾化829-844.和流动特性[冂].燃烧与科学技术,2003,9(1):7[16] Michael W Reeks, On probability density function eations for particle dispersion in a uniform shear[9] Son S Y. Effect of Coal Particle Size on Coal-water[]. Fluid Mech.,2005,522:263-302.Slurry(CWS) Atomization [J]. 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