顶置单喷嘴气化炉旋流场特征研究

2011年8月大色肥Aug.2011第34卷第4期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.34 No.4顶置单喷嘴气化炉旋流场特征研究*李伟锋,曹文广，许建良,刘海峰(华东理工大学煤气化教育部重点实验室,上海200237)刘旭军,黄斌,王俭(神华宁夏煤业集团煤化工分公司,宁夏银川750411)摘要:受限旋转射流流场特征的研究对顶置单喷嘴气化炉的开发、结构优化以及长周期稳定运行有重要意义。本文对不同旋流数下顶置单喷嘴气化炉内的速度场和停留时间分布进行了实验研究。结果表明:随着旋流数的增加,切向旋转速度显著增加,气化炉内轴向速度衰减加快,回流区减小;气量-定时,随着旋流数的增加,气化炉内气体的最短停留时间显著增加,停留时间标准差减小。关键词:顶置单喷嘴气化炉旋转射流 速度场停留时间分布大型煤气化技术是大宗化学品制备、液体燃对速度场和停留时间分布的影响。该研究结果对料合成、多联产系统、整体煤气化联合循环(IGCC)揭示顶置单喷嘴旋流气化炉内流场特征提供了重发电系统、制氢和燃料电池行业的核心技术。在众要基础数据，也对单喷嘴粉煤气化炉和喷嘴的优多气化方式中，气流床气化技术具有较大的煤种化设计和长周期稳定运行有指导意义。适应性和优良的技术性能。代表性的有GE(Tex-aco)水煤浆气化技术、多喷嘴对置式煤气化技术、1实验装置与流程Shell和Siemens(GSP)粉煤气化技术。单喷嘴干粉实验所用单通道喷嘴出口内直径ds=94mm,大气流床煤气化技术是目前世界上较先进的煤气化型冷模气化炉装置公称直径为φ980mmx10mm,技术之一,具有流程简洁、投资节省的优点。高径比H/D=2 (H为气化炉冷模装置直段高度,D流场结构在很大程度上决定着气流床气化炉为装置公称直径)。喷嘴内置螺旋叶片式旋流器,的性能，对气化炉的流场和停留时间分布研究具结构如图1所示，相关参数列于表1。旋流器的旋有重要意义。顶置单喷嘴气流床气化炉内的流场流强度用旋流数S表示2。是一种受限射流流场,于遵宏等叫对德士古气化炉流场进行了详尽的研究，发现这种流场不可避免的存在部分物料停留时间过短,发生“短路"现象,R最终导致气化炉内碳转化率不够理想。对单喷嘴粉煤气化炉而言，气化炉内水冷壁挂渣是一个值图1旋流器示意得关注的问题。如果水冷壁挂渣不均匀,就会发生S=G/(G,R,)(R,为喷口半径)(1)局部超温,甚至发生烧蚀。在单喷嘴气化炉中引人上式中:旋流有助于改善这两个问题。目前公开发表的关C= J。(Wr)pU(2mr)dr=常 量(2)于旋流场的相关研究结果十分有限，因而值得进一步深人研究。收稿日期:2| 中国煤化工1-05-06。本文以顶置单喷嘴粉煤气化炉内流场为研究作者简介:教授,2008年华东理工大学化学:TYHCNMHG.流体力学。联系对象，分别测量了旋流数S=0、S=0.367和S=1.554电话:021- 64251418;-mailiweif@ecust.edu.cn.o三种情况下气化炉内流场特征，重点考察了旋流*基金项目:国家科技支撑计划(2007BAA08B01)。.226大氛职2011年第34 卷Ro可推得旋流数的计算式为:G;=。U(ρU)2πrdr+ .p2mrdr=常量(3)s=. [1+(R,/R.)2 l(5)式中U、W和p分别是射流任意一个截面上2(1-0) tanao的轴向、 切向速度分量和静压力。已有的研究结果式中为考虑叶片厚度为有限值时的阻塞系表明3),叶片倾角a按下式随半径增大:数,定义为:tana=(r/R,)tanco(4)nb(6)2πR, COSCo表1 旋流器结构尺寸序号叶片个数n叶片厚度b/mm叶片角度 Qo旋流器半径 R/mm旋流器轴枢半径R/mm阻塞系数φ旋流数S旋流器1103049140.150.367旋流器220.351.554实验流程如图2所示:以空气为介质,通过罗的40%左右,距离喷嘴6.5倍直径处衰减到喷嘴出茨鼓风机、转子流量计计量后经喷嘴进入气化炉口速度的10%左右。这是由于旋流提高了耗散率,模型。使射流衰减加快[4。电登阀0.8一s=0号o.4士s=0.367网瓶缓冲罐-00.0.4.。0.6.8 1.0 .(a) x=2.3d计算机.o取样探1.2 r鼓风机气相色谱仪+ s=0图2实验流程号0.4+ . s-0.3671)气化炉流场测量:实验采用毕托管测定流场速度,以喷嘴出口为零点,沿气化炉轴线向下方向为正方向。x表示距零点的轴向距离,以u、分别0 0.2 0.4R 0.60.8 1.0表示各测量点的轴向速度和切向速度。b) x=4.4d2)停留时间分布测量:采用脉冲进样,当设备内的流体达到稳定以后，在一个极短的时间内将多o.4士S=0.367示踪介质H2注人进料中,然后分析进口流体中H2浓度随时间的变化。实验中采用继电器控制精密电磁阀来控制进样时间，模型炉出口示踪介质H20 0.2 0.4mR0.的浓度由气相色谱测定，为了提高响应的灵敏性(c) x=6.5d和操作的连续性,将色谱柱固定相移除,用数据采图3不同截面上无因次轴向速度分布集卡采集经电脑处理后输出。(x=2.3d ,4.4d,6.5d)0.100.05喇2流场测量结果与讨论喷嘴出口平均气速U=60 m/s,旋流数S=0.367+x=14.1d一-x=20.5d-0.05时,距离喷嘴分别为x=215、415和615mm的测量- +x-16.2d- _x-22.6d平面上无因次轴向速度沿径向分布如图3,并与中国煤化工0.91.2s=0同平面的轴向速度进行对比。由图3可以看DHCN MH G速度分布(s0367)出,加入旋流器后,轴线位置附近轴向速度衰减加IJJ.M出品面轴向速度分布如图.快,在距离喷嘴4.4倍直径处衰减为喷嘴出口速度4所示,可见轴向和切向速度分布比较均匀,呈现.第4期李伟锋等.顶置单喷嘴气化炉旋流场特征研究227相似性,这与Chigier等[5)的实验结果一致。 无论是根据测试结果,S=0.367时炉内流场分区于图受限旋转射流还是自由旋转射流，在距离喷嘴106(b)所示,与S=0相比,旋流的引人使得回流区范倍直径后旋流的影响变小，剖面速度分布呈现相围很大程度缩小，涡眼位置上移;在距喷嘴10倍似性。直径距离内轴向速度衰减很快，逐渐转化为径向随着旋流数增加，切向旋转速度逐渐变得显动量,达到充分发展区后速度沿炉高呈现相似性。著。实验中喷嘴出口气速U=36m/s, 旋流数S=S=1.554时(图6(c)),出喷嘴后的流体在强旋流作1.554。图5显示了各测量截面上沿径向的无因次用下,迅速旋流扩张,由于旋转射流卷吸产生负压.切向速度分布。从图5可以看出,切向速度由中心作用，在喷嘴中心旋流器钝体下游形成--中心旋区域逐渐向壁面衰减;从距离喷嘴2.3倍直径起切涡内回流区，而在旋转射流外边界区内，由于碰向速度在气化炉不同高度上具有相似性，在下半壁、卷吸等作用产生了外回流区。部分更加明显。0.163停留时间分布的测量结果与分析0.12图7、图8分别为U=36m/s、S=0时停留时间t0.08的分布密度E(t)与分布函数F(t),图中1~4分别0.04+ -x=2.3d代表4次平行实验。-卜x=4.4d 一-x=10.8d0.32士x=6.5d + -x=8.7d0..9 1.20.24(a) x=2.3d -10.8d0.200.18三0.16 t0.06 t +x=14.1d+x=16.21电X= 22.6d048121620.242832士x=18.4d+ -x=20.5d图7U=36m/s.S=0时停留时间t的分布密度E(1)0.39版(b) =14.1d -22.6d图5不同截面上无因次切向速度分布(S=1.554)基于流场测试结果,借鉴于遵宏等对水煤浆_0.--- 3--- 4气化炉气化过程三区模型的划分方法，连接各测亩04量截面上速度为零的点,则获得回流边界线。S=0时,由于气化炉高径比较小,管流区不明显,只存在射流区和回流区,如图6(a)所示,回流区涡眼位25 303540于炉体中下部。图8 U=36m/s .S=0时停留时间t的分布函数F(t)图9、图10分别为U=36m/s,加入旋流数S=1.554的旋流器时停留时间t的分布密度E (t)与分布函数F (t),图中1~4分别代表4次平行实验。中变快速衰减区内干Fi充分发展区射流区重返发展区人0.10中国煤化工MHN0.05YHCNMHG(a)(b(0)130图6 S=0,0.367 和1.554时炉内流场分区示意图9 U=36 m/s .S=1.554时停留时间t的分布密度E().228大氨昭2011年第34卷.0 「量,使得此部分气体出气化炉的时间大大延长。.8 t90.64结论0.4 t对顶置单喷嘴气化炉旋流场和停留时间进行了实验研究，考察了旋流对气化炉内的流场特征的影响以及旋流数对气化炉停留时间的影响。研510152025图10 U=36m/s,S=1 .554时停留时间t的分布函数F(t)究结果表明:旋流气化炉内的流体呈三维运动,即轴向速度、切向旋转速度和法向速度,其中法向速度相对切向速度和轴向速度来说要低一个数量1.0-20.级,可以忽略不计。随着旋流数的增大，轴向速度+ U=24 m/s衰减加快,轴向动量逐渐变化为切向旋转速度;旋.- +U=36 m/s0.42-←U=60 m/s流的引人使得回流区范围较大程度缩小，涡眼位.2 t置上移;随着旋流数的增加,气化炉内气体的最短0.5s°1.停留时间增加,停留时间标准差均减小，无因次停图11不同旋流数的最短停留时间tham0.95 r留时间标准差减小。本文研究结果对工业装置的0.905- + U=24 m/s指导意义为:随着喷嘴旋流数的增加,气化炉内短0.85- -U-36m/s0.80 t-★U=60 m/s路物料将会明显减少,碳转化率将会有所增加,也。 0.75 t0.70有利于水冷壁气化炉壁面挂渣。当然,过大的旋流0.65 t0.60 5一方面阻力增加,另一方面容易在渣口堵渣,实际0.55应用中要通过具体分析来加以确定。0.500.52.0参考文献图12不同旋流 数的无因次停留时间标准差σ[1] 于遵宏 ,沈才大,王辅臣,等.水煤浆气化炉气化过程的三区最短停留时间(n)是指物料从进人气化炉到模型[J].燃料化学学报.1993, 21(1): 90-95.最早检测到物料出气化炉的时间，是衡量炉内停2] BeerJM, ChigierN A.燃烧空气动力学[M].北京:科学出.版社, 1979: 105-120.留时间分布的一个重要参数,无因次停留时间标[3] Mathur M L, Maccallumn N R L. Swirling air jets ising from准差(σ)是指停留时间分布的标准差与平均值的vane swirlers. Part 1: Free jets[J]. Journal of the Institute of比值，其大小直接反应了炉内气体的混合程度。旋Fuel. 1967, 40: 214- -225.流对最短停留时间及无因次停留时间标准差的影[4] SoRMC, Ahmed s A, Mongia H C. Jet characteristics in响如图11和图12所示。可以看出,随着旋流数的confined swirling flow[J]. Experiments in Fluids. 1985, 3(4):221- 230.增加，最短停留时间明显增加，无因次标准差减[5] Chigier N A, Beer J M. Velocity and Static-Pressure Distribu-小,气化炉内流场逐渐趋于平推流,有利于炉内化tions in Swirling Air Jets Issuing from Annular and Divergent学反应的充分进行。造成此差别的原因是由于加Nozzles[J]. Journal of Basic Engineering. Trans. ASME, 1964,旋时轴向速度衰减很快，轴向动量转化为切向动86: 788-798.STUDY ON FEATURES OF SWIRLING- FLOW FIELD IN GASIFIERWITH TOP- INSTALLED SINGLE NOZZLELi Weifeng, Cao Wenguang, Xu Jianliang, Liu Haifeng(Key Laboratory of Coal Gasification Education Dept of East China University of Science and Technology,Shanghai 200237)Liu Xujun, huangbin,中国煤化工(Shenhua Ningxia Coal Industry Group Coal-ChetMYHCNMHG50411)(下转第233页)第4期郭文元等.气化炉拱顶耐火隔热衬里层传热关键影响因素分析233参考文献研究[J].化工设计,2001, 11(2):22-23,41. .1] Christopher H, Marrten B. Gasification [M]. USA: Gulf Pro-[6]尹斌华, 马红安，宿太超，等.高温高压下珍珠岩保温性能fessional Publishing, 2003.的研究[J].超硬材料工程,2007, 19(1):10-12.[2]杨世铭,陶文铨. 传热学[M].北京:商等教育出版社, 1998.7] Xi-Ren Cao. Stochastic Learming and Optimization - A Sensi-3] 郑铮，刘强.水煤浆气化炉拱顶超温原因探析及预防措tivity-Based Approach[M].Springer, New York, 2007.施[J]煤化工,2001,(2).55-57.[8] Gallucei, FChiaravalloti ,STosti. The ffect of mixture gas on hy-[4] 耐火材料标准汇编组.中国标准出版社第二编辑室编.耐火drogen permeation through a palladium membrane : Experimen-材料标准汇编| [M].北京:中国标准出版社,2003.tal study and theoretical approach[J].Intemational Jourmal Hy-5] 程远贵，董岱蜂，周勇，等.耐火纤维毡的高温导热系数drogen Energy ,2007 ,32(12):1837-1845.ANALYSIS OF KEY INFLUENCING FACTORS ON HEAT TRANSFER OFREFRACTORY HEAT INSULATION LINING ON GASIFIER DOMEGuo Wenyuan , Wang Fuchen( East- China Universiry of Science and Technology, Shanghai 200237)Guo Wenyuan , Fei Mingian(SINOPEC Ningbo Research Institute of Technologies , Ningbo 315103)Abstract :This article , taking the actually -measured data during a typical commercialized running ofthe natural gas gasifier of a chemical fertilizer plant as a basis, has proceeded a verification of theoretical heattransfer computation for the outer wall temperature on gasifier dome by employing a heat transfer theory insteady state ,and with the sensitivity analysis of key factors in the heat transfer of dome refractory heatinsulation lining the article has indicated that the effect of Mullite bricks on the temperature of dome outerwall is the biggest and this has theoretically proved that the essential physical parameter controlling the heattransfer of refractory heat insulation lining on dome is the thermal conductivity of bricks; hence, to select anappropriate thermal conductivity of heat insulation layer in the heat transfer computation and setting -updesign of dome refractory heat insulation lining is the key in preventing the excess temperature presented ondome outer wall and thus ,a theoretical support basis has been provided for both the setting -up design andheat transfer computation of heat insulation lining on gasifier dome.Key words :gasifier ;efractory heat insulation lining;heat transfer ;thermal conductivity ;sensitivityanalysis(上接第228页)Abstract :The study on the features of a confined swirling jet flow field attaches a great importance tothe development and the structure optimization as well as a long-term stable operation of gasifier with top-installed single nozzle.An experimental study on both the speed field and residence time distribution in thegasifier at various different swirling numbers are carried out.The results show that with the increase of swirlingnumber , the tangential rotation speed increases whereas the axial speed attenuation accelerates and therecalculating zone reduces inside the gasifier. With a given gas quantity , as the increase of swirling number theshortest residence time of gas inside the gasifier increases significantly and the standard difference ofresidence time decreases.Key wordsgasifier with tpintalled single noze;swirling jet” 中国煤化re dstribution“TYHCNMH G .