新型干煤粉气流床气化炉的冷态数值模拟

第43卷第9期化学工程Vol. 43 No.92015年9月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Sep. 2015新型干煤粉气流床气化炉的冷态数值模拟郑梦欣'2,李玉顺’，王定标'”，向飒2(1.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001; 2. 热能系统节能技术与装备教育部工程研究中心，河南郑州450001; 3.河南心连心化肥有限公司,河南新乡453731)摘要:为了考察基于无焰氧化技术所提出的新型干煤粉气流床气化炉的流场和颗粒停留时间分布特性,对该气化炉进行三维冷态数值模拟研究,得到了不同工况下的模拟结果,可知:单喷嘴切向进气工况导致炉内速度场发生了偏移;双喷嘴中心对称切向进气工况导致炉内形成外圈速度大、内圈速度小的对称旋转梯度场。随着进口总气速、颗粒平均直径和颗粒密度的增大,气化炉内颗粒停留时间逐渐减小。颗粒停留时间随颗粒平均直径增大的减幅较随颗粒密度增大的减幅更大。当颗粒人射角度为正时,随着人射角度的增加,颗粒停留时间逐渐增大;当人射角度为负时,随着人射角度的增加,颗粒停留时间逐渐减小。关键词:气化炉;无焰氧化;冷态;数值模拟中图分类号:TQ 54文献标识码:A文章编号:1005. 9954(2015 )09-0068-06DOI:10. 3969/j. isn. 1005 9954.2015. 09. 014Cold model numerical simulation of new dry-feedentrained-flow coal gasifierZHENG Meng-xin'2, LI Yu-shun'，WANG Ding-biao'2, XIANG Sa?(1. School of Chemical Engineering and Energy , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001，Henan Province,China; 2. Ministry of Education Engineering Research Center of Thermal System Energy Saving Technology andEquipment, Zhengzhou 450001，Henan Province, China; 3. Henan Xinlianxin Chemical Fertilizer Co., Ltd,Xinxiang 453731, Henan Province, China)Abstract:In order to study the flow feld and particle residence time distribution characteristic of a new dry-feedentrained-low coal gasifier which was put forward based on flameless oxidation technology ，three- dimensional coldmodel numerical simulation research on the gasifer was conducted and the simulation results on different workingconditions were achieved. The results show that deviation occurs in the flow field of the gasifier on single nozzleworking condition ; rotational symmetric velocity gradient field occurs in the gasifier on double centrosymmetricnozzles working condition with larger speed outside and smaller speed inside. Besides, the particle residence timedecreases with the increase of the total inlet gas velocity, particle mean diameter and particle density, and theparticle residence time experiences a more significant decrease with the increase of the particle mean diameter thanthat of the particle density. In addition, the particle residence time increases with the increase of the positiveparticle jet angle; the particle residence time decreases with the increase of the negative particle jet angle.Key words:gasifier; flameless oxidation; cold model; numerical simulation无焰氧化技术基于Weinberg提出的“超焓燃氧化反应强度。20 世纪90年代以来,无焰氧化技烧”思想),在不借助外部热源的条件下,将燃烧产术迅速发展,主要有美国的“低氮氧化物引射”,日生的热能回收预热反应物,实现燃烧反应空间化,使本的“高温空气燃烧”,意大利的“低氧稀释”和中国得反应温度分布均匀,平均温度水平显著提高,增大的“常温空气燃烧”2]。收稿日期: 201505-06基金项目:河南省科技创新杰出青年人才计划资助项目(124100510020) ;河南省教育民共票月12114804 )作者简介:郑梦欣( 1989- -) ,男,硕士研究生,研究方向为过程设备强化与控制.E-mai中国煤化工7-) ,通信联系人，男,教授,博士生导师，主要从事过程工程节能技术及高效装备研究等工作iYCNMH G ..郑梦欣等新型干煤粉气流床 气化炉的冷态数值模拟,69●目前，高灰熔点煤的煤气化技术遇到了较大的(3)喷嘴结构对流场和颗粒停留时间的分布特困难[3。唐志国等(4]提出了一种基于无焰氧化技性没有影响;术的新型干煤粉气流床气化炉,并进行了实验和模(4)忽略颗粒之间的相互影响及大颗粒的拟研究,获得了较好的效果;陈文卫等[f)在上述气破碎;化炉单层双喷嘴中心对称切向进气、双层四喷嘴中(5)忽略颗粒在壁面上的沉积、磨蚀作用。心对称切向进气工况的基础上,对三层六喷嘴中心2.2数学模型对称切向进气工况进行了实验研究。在这些研究将空气设为连续相,高热值煤设为离散相,惰中,并未对炉内流场和颗粒停留时间进行冷态模拟。性颗粒。考虑气化炉内为圆柱型受限空间(9],气根据Stokes数的定义,气化炉内流场对颗粒停留时体高速喷射会引起旋流、回流等特征,故采用间存在影响。一般而言,颗粒停留时间越大,越有利Realizable的k-ε双方程模型模拟气相湍流流于碳转化率的提高。鉴于此,本文针对该气化炉进动[10]。由于颗粒体积分数很低,故离散相模型采用行冷态模拟,分析不同工况对炉内流场和颗粒停留Euler-Lagrange方法,采用随机轨道模型追踪颗粒的时间分布特性的影响。与热态模拟相比,冷态工况运动轨迹[10]。进、出口选择速度进口和压力出口，下，颗粒数不会因化学反应而减少,能够更为直观地并指定相应的湍流强度和水力直径。壁面采用无滑显示炉内颗粒停留时间分布特性。移壁面,与离散相的关系设为rflct。操作条件设为常压。速度压力耦合基于Simple算法,压力离散1物理模型 ，格式采用Standard,其余选择QUICK格式进行气化炉的物理模型如图1所示[61。炉体内径离散(川。0.32 m,炉高0.65 m,煤粉和气化剂由位于距炉顶2.3网格划分及考核0.06m同一高度水平面的不同喷嘴以不同方式喷基于上述模型,以整个炉膛为计算域,针对网格人炉内。煤粉由对置喷嘴a,c径向喷入炉内。单喷数量约为16万、20万、24万进行网格独立性考察,嘴切向进气工况下,气化剂由平行于煤粉喷嘴的喷最终确定采用约20万的网格数量进行网格划分。嘴d切向喷人炉内;双喷嘴中心对称切向进气工况下,气化剂由平行于煤粉喷嘴呈中心对称的喷嘴b,3模拟结果与分析d切向喷入炉内。喷人的气化剂在炉内形成旋转气3.1炉内 流场分布特性分析流,通过卷吸煤气化反应产生的高温合成气,迅速提进口总速度u,取12.738 m/s,测量点(X,Y,Z)升气化剂温度,同时降低氧气浓度,实现了无焰氧化取( -0.12,0,0), ( -0.08,0,0), ( -0.04,0,0)，高温、低氧的反应条件[7]。(0,0,0), (0.04,0,0), (0.08 ,0,0), (0.12,0,0),2种工况下各点速度。分布如图2所示。从图2可以看出:①2种工况的同一水平面上,越靠近炉体中心速度越小。原因是空气沿壁面高速旋流,带动b其内侧气流旋转,形成了径向上的速度梯度。②单-X喷嘴切向进气工况下炉体中心处存在速度,方向与进气方向相同;双喷嘴中心对称切向进气工况下炉Yc内各点速度呈对称结构,炉体中心处速度为0。原因是单喷嘴切向进气导致炉内速度场发生了偏移。③双喷嘴工况的炉内速度与单喷嘴相比整体偏低。原因是双喷嘴工况单个喷嘴的进气速度为单喷嘴圈1气化炉的物理模型ig 1 Physical model of gasifer的一半。图3为2种工况下Z=0平面的速度分布。从2数学模型图3可以看出:①2种工况下,随着炉内空气向下旋2.1主要 假设[*]流,不同水平面的径向速度梯度逐渐减小,不同水平(1)稳态工况;面靠近炉体中心相同半径外的速度逐渐增大。原因(2)颗粒形状均为球形;是沿壁面的中国煤化工的影响逐渐降YHCNMHG投稿平台Http://imiy. cbpt. enki. net.●70.化学工程2015 年第43卷第9期低,而等半径上方旋流的影响逐渐增强。②随着炉.内空气向下旋流，不同水平面的平均速度逐渐降低。原因是存在流动阻力。.0p。1.5-1.0L50.5--0.16-0.12-0.08-200 0.04 0.08 0.12 0.16(a)单喷嘴T况(b)双喷嘴工况X/m图4 Y=0 平面速度分布-1.0-Fig4 Veloity distribution on r =0 plane-1.5--2.0L单喷嘴切向进气工况008双喷嘴中心对称切向进气工况图2 2种工况下各测量点的速度分布Fig2 Velocily distribution of all measure pointsin two working conditions0.120.2350.216-0.18(a)单喷嘴工况图5 Y=0 平面湍流强度分布0.3Figs TTurbulence intensity distribution on Y =0 plane当园3.2炉内 颗粒停留时间分布特性分析颗粒停留时间反映了颗粒参与回流的程度,是影响碳转化率的重要指标，--般由颗粒平均停留时间2和颗粒最短停留时间T进行表征。Im 指所有人射颗粒在气化炉内停留时间的平均值,τ指所圈3 z=0平面速度分布有人射颗粒从进入气化炉到开始有颗粒离开气化炉Fig 3 Velocity distribution on z =0 plane的时间。图4为2种工况下Y=0平面的速度分布。从Stokes数!反映了多相流中颗粒对流场的响应图4可以看出:①2种工况下,空气经喷嘴入射后,程度,是颗粒驰豫时间和流场流动特征时间的比值。速度迅速降低。原因是存在流动阻力。②双喷嘴工(1)况整个炉内气流发生同向旋转,形成了外圈速度大、s号(发)/告内圈速度小的对称旋转梯度场。式中:St为Stokes数;tp为颗粒弛豫时间;Tg为流场图5为2种工况下Y=0平面的湍流强度分流动特征时间;pp为颗粒密度;d,为颗粒平均直径;布。从图5可以看出:2种工况下，由进口到出口,μ。为流体黏度;L为流场流动特征长度;u。为进口湍流强度由强变弱,而后又逐渐增强。原因是随总速度。着炉内空气的向下旋流,不同水平面的平均速度3.2.1不同工况对颗粒停 留时间分布的影响逐渐降低,旋流强度逐渐降低,湍流强度由强变.2种工况下，u。取6.370,8. 492, 10. 616,弱;出口处半径逐渐减小，扰流增强,湍流强度又12.738, 14“中国煤化工s,不同u。下颗逐渐增强。粒停留时"YHCNMHG图6可以看出:投稿平台Http://imiy. cbpt. cnki. net郑梦欣等新型干煤粉气流床气化炉的冷 态数值模拟●71●①其他条件不变,双喷嘴工况的t.和τ均大于单喷3.2.3颗粒密度对颗粒停留时间分布的影响嘴工况。②2种工况下,其他条件不变,随着u。的双喷嘴工况下,u。取12.738 m/s,d,取10 μm,增加,m和τ逐渐降低。P,取1 200,1 300,1 400,1 500,1 600 kg/m' ,不同ρp22 r下颗粒停留时间分布如图8所示。从图8可以看- 单喷嘴切向进气工况出:其他条件不变,随着ρp的增加,m和τ逐渐降双喷嘴中心对称切向进气工况8-低,与随d,相比降幅较小。14-95.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0ug(m.s~")(a)平均停留时间6.0p一-单喷嘴切向进气工况 .1100 1200 1300 1400 1500 1600 1 7005.0P,/(kg.m).0图8颗粒停留时间随颗粒密度的变化Fig8 Efects of particle density on paricle residence time只3.0f2.03.2.4颗粒人射角度对颗粒停留时间分布的影响双喷嘴工况下,4。取12.738 m/s,d,取10 μm,Pp取1400 kg/m' ,颗粒人射角度a取-60°, -450,u/(m.s~)-30° ,0° ,30° ,459 ,60° ,不同a下颗粒停留时间分(b)最短停留时间布如图9所示。从图9可以看出:其他条件不变,当图62种工况下颗粒停留时间随进口总速度的变化a为正时,随着a的增加,tm和τ逐渐增大;当a为Fig6 Efects of total inlet gas velocity on particle residence负时,随着a的增加,tm和τ逐渐降低。time in two working conditions3.2.2颗粒平均直径对颗粒停留时间分布的影响双喷嘴工况下,u。取12.738 m/s,d,取10,30,50,70,90μm,不同d,下颗粒停留时间分布如图7所示。从图7可以看出:其他条件不变,随着d,的增加,tm和τ逐渐降低。-60-40-2002040 60 80圈9颗粒停 留时间随入射角度的变化Fig.9 Efects of jet angle on particle residence time3.2.5颗粒停 留时间分布特性分析-般而言,当Stl时,颗粒运动相对独立,跟随性d,/un较弱。将式(1)进行变形,得到围7颗粒停 留时间随颗粒平均直径的变化。u。pnd.Fig7 ffects of paricle mean diameter on paricle residence time中国煤化工(2)MHiCNM HG投稿平台Http://imiy. cbpt. enki. net - +-+.●72●化学工程2015 年第43卷第9期.ls=()=()+2Ind, (3)大,反而使原先的回流区域减小,故而随着a的增大,颗粒参与回流的程度降低,tm和r逐渐降低。从式(2)可以看出,其他条件不变,随着ug的增加,St值呈线性增大,颗粒运动更为独立,跟随性减4实验验证弱,tm和τ逐渐降低。同理,其他条件不变时,随着4.1炉内流场分布特性实验验证ρp的增加,St值线性增大,tm和τ逐渐降低。从式双喷嘴工况下,u。取12.738 m/s,炉内各测量(3)可以看出,其他条件不变,随着d,的增加,St值点速度u分布的实验数据[4]与模拟结果对比如图呈对数线性增大,m和τ降幅较随ρp更大。10所示。从图10可以看出:①模拟得到的流场分从式(2)可以看出,产生上述颗粒停留时间分布与实验结果基本吻合。②实验值较模拟值偏低,布的原因是随着ug,p,d,的增加,分子表示的颗粒原因是实际流动过程中实验设备内壁面存在- -定的惯性力逐渐增大,分母表示的流体黏性力相对减小，表面粗糙度,增大了流动阻力。③越靠近炉体中心,流体对固体颗粒的作用减弱,颗粒参与回流的程度实验值和模拟值的误差越小,相对误差却逐渐增大,降低,。和τ逐渐降低。原因是越靠近炉体中心,沿壁面的高速旋流对其影当a为正时,随着a的增大,喷嘴上方的回流响越小，加之流动阻力的影响,故而相对误差逐渐增区域增大,颗粒参与回流的程度提高,和τ逐渐增大。④炉体中心处实验值大于模拟值,原因是实验加;当a为负时,不仅没有使喷嘴上方的回流区域增过程中存在扰动。0.12 r- +实验结果1.5- +模拟结果1..04-22-200.18 tS -0.0416--0.5$ . -0.080-1.00.12 t-0.16- 0.12 0.08 -0.040 0.04 0.080.120.16 -0.16 -0.12 -0.08-0.040 0.04 0.08 0.120.16 -0.16 -0.12 -0.08-0.040 0.04 0.08 0.12 0.16X/tX/m/m(a)模拟值与实验值对比(b)模拟值与实验值的误差(c)模拟值与实验值的相对误差图10各测量 点速度分布对比Fig 10 Comparison on velocity distibution of all measure points4.2炉内颗粒停留时间分布特性实验验证不同u。下,炉内颗粒停留时间分布实验数据141与双喷嘴工况下,d,取10 μm,pp取1 400 kg/m'，模拟结果对 比如图11所示。26「+ - 实验结果2,-实验结果- +模拟结果◆模拟结果8t号140叶362-5.0 7.5 10.0 12.515.0 17.5 20.0s.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0u/(m.s)ug/(m.s~)()平均停留时间(b)最短停留时间图11颗粒停留时间随进口总速度变化模拟 与实验对比Fig 11 Comparison on efets of total inlet gas velocity on particle residence time中国煤化工YHCNMHG.郑梦欣等新型干煤粉气流床气化炉的冷 态数值模拟●73.从图11可以看出:相同条件下,tm和τ的模拟加,和τ逐渐增大;当a为负时,随着a的增加,tm值较实验值偏低。原因是:①模拟过程中,忽略了和T逐渐减小。颗粒间的相互影响及大颗粒的破碎,从而降低了颗粒的动量损失,颗粒参与回流的程度降低,t.和参考文献:τ较实验值偏低。②模拟过程中,忽略了颗粒在壁[1] WEINBERG F J Combustion temperatures: the fuure?面上的沉积、磨蚀作用,而实际流动过程中颗粒会[J]. Nature, 1971, 233(24): 239-241.被壁面捕捉或不完全反弹,从而增大了颗粒的动[2]余跃,温治,楼国锋,等.无焰燃烧技术的研究现状[J].金属热处理, 2012, 37(10): 65-70.量损失,颗粒参与回流的程度增大,tm和τ较模拟[3]陈鹏. 中国煤炭性质、分类和利用[M].北京;化学工值偏高。业出版社, 2001.综上所述,实验证明了该模型是可靠的。4] 唐志国.基于无焰氧化的干法煤粉气化特性研究[ D].合肥:中国科技大学, 2009.5结论5] 陈文卫,陈冬林,文大缀,等.无焰氧化气流床气化实(1)单喷嘴切向进气工况与双喷嘴中心对称切验炉设计与气化特性研究[J].长沙理工大学学报:向进气工况流场分布特性的相同点是:空气经喷嘴自然科学版，2012, 9(3): 70-87.人射后,速度迅速降低;同一水平面上，越靠近炉体6] 唐志国, 马培勇,俞瑜，等.新型干煤粉气流床气化炉中心速度越小;随着炉内空气向下旋流,不同水平面的数值模拟[J].煤炭学报, 2010, 35(3): 481 485.的径向速度梯度逐渐减小,不同水平面靠近炉体中[7] 唐志国,马培勇, 李永玲,等.基于无焰氧化的煤粉气心相同半径处的速度逐渐增大,不同水平面的平均化炉模型设计与试验研究[J].中国电机工程学报, .2010, 30(8): 50-55.速度逐渐降低;由进口到出口,湍流强度由强变弱，8]李超,代正华,许建良,等.多喷嘴对置式气化炉内颗而后又逐渐增强。粒停留时间分布数学模拟研究[J].高校化学工程学(2)单喷嘴切向进气工况与双喷嘴中心对称切报, 2011, 25(3): 416422. .向进气工况流场分布特性的不同点是:单喷嘴工况9]秦军,李伟锋,代正华, 等.受限气固两相射流的实验导致炉内速度场发生了偏移,炉体中心处存在速度,研究和数值模拟[J].高校化学工程学报, 2005, 19方向与进气方向相同;双喷嘴工况整个炉内的气流(5): 619-624.发生同向旋转,形成了外圈速度大、内圈速度小的对[10]李秋华,曹月丛,夏梓洪,等.多喷嘴对置式粉煤气化称旋转梯度场,炉内各点速度呈对称结构,炉体中心炉的数值模拟[].化学工程, 2012, 40(7): 74-78.[11]曹月丛,陈彩霞,高晋生,等. Texaco03气化炉冷态流场处速度为0。(3)其他条件不变,双喷嘴工况的1。和τ均大和湍流混合的数值模拟[J].化学工程, 2010, 38(5): 30-33.于单喷嘴工况。[12]朱炳辰.化学反应工程[M].3版.北京:化学工业出(4)其他条件不变,随着u,d,和ρ的增大,气版社, 2001.化炉内tm和τ逐渐减小。其中,。和τ随d,增大[13] 孔珑.两相流体力学[M].北京:高等教育出版的减幅分别为78. 25%和18. 31% ,较随p,增大的社, 2004.减幅(59. 12%和14. 28% )更大。[14] 许建良，代正华,李巧红,等.气流床气化炉内颗粒停(5)其他条件不变,当a为正时,随着a的增留时间分布[J].化工学报, 2008, 9(1): 53-57.《化学工程》期刊荣获第八届全国石油和化工行业优秀报刊-等奖中国石油和化学工业联合会2015年开展了“第八届全国石油和化工行业优秀报刊评选活动"来自全国石油和化工行业的153家报刊单位申报参评,评选出一等奖49家,二等奖51家,三等奖53家。《化学工程》在此次活动中荣获“第八届全国石油和化工行业优秀报刊一等奖”中国煤化工MYHCNMH G投稿平台Http://imiy. cbpt. cnki. net.