单喷嘴气化炉内稠密气-固两相旋流浓度场研究

煤炭燃烧单喷嘴气化炉内稠密气-固两相旋流浓度场研究姚敏' ,刘万洲',王俭',雍晓静'，马银剑' ,张建寿' ,罗春桃' ,李伟锋2 ,刘海峰(1.神华宁夏煤业集团有限责任公司,宁夏灵武750411;2.华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)摘要;旋转射流在实际工程中应用广泛,利用PV6D颗粒测速仪测量了旋转射流气化炉内颗粒的浓度场特性。结果表明:加旋情况下,喷嘴轴线处的颗粒浓度较不加旋时衰减快,在气.化炉上部的测量截面上,颗粒浓度的径向呈“驼峰”分布,而在气化炉下部则分布较均匀;随着固气质量比和颗粒粒径的减小，颗粒轴线的相对浓度衰减加快。关键词:旋转射流;颗粒浓度分布;气固两相流;PV6D颗粒测速仪中图分类号:TD94 ;TQ547文献标识码:A文章编号:1006 -6772(2011)01 -0046 -05气固两相射流广泛应用于能源、化工、航空等匀。 Pan'"用Fluent对中间环隙通气固混合物的三领域,对气固两相射流的研究,可大体分为2类":通道喷嘴进行了模拟,并将模拟结果与实验结果进研究颗粒在流体中的弥散以及颗粒对流动的影响。行了对比,发现颗粒浓度分布受喷嘴形状和气体运颗粒的弥散直接影响着颗粒在流场中的浓度分布，动参数影响非常大。 许建良|12] 使用PV4A对相应许多研究者对气固射流中颗粒的弥散进行了深人工况下喷嘴轴线上的颗粒速度和浓度进行测量,发的研究(2-5)。现颗粒的相对浓度随气速、颗粒流量和颗粒直径的气固射流中的气固同轴射流在煤气化中应用变化规律与速度的变化规律相反。随喷嘴交汇角较广,如各种气流床粉煤气化炉都以气固同轴射流增大,颗粒的相对浓度减小,颗粒弥散性能提高。进料。Mostafafl用实验和数值模拟方法对气固同Gui(1}对中心通气固混合物环隙通加旋气流的同轴轴射流的开始区和过渡区进行了研究,认为颗粒的射流进行了直接数值模拟,模拟发现滑移旋转力对加入降低了气体的湍动程度,同时也增进了气体流大颗粒影响大,而滑移剪切力则对小颗粒影响大，动的各向异性。Fan(7-8 对中心通道通固体,环隙通大颗粒在主流方向出现了所谓的“噎塞"现象,颗粒气体的气固同轴射流进行研究,认为射流充分发展的运动和脉动以及剪应力特性强烈依赖于流体的区颗粒浓度分布和两相的平均速度都表现出相似湍动,小颗粒进行强螺旋运动而大颗粒则进行弱螺性;两相射流的扩散比单相射流慢;外通道气速的旋运动甚至径向运动。增大强化了颗粒的弥散等。Wicker'9-10] 研究了外目前气固射流的研究多集中在固体颗粒浓度环加旋,中心通固体的气固两相射流,由于外环旋较低的射流,对稠密气固同轴射流和加旋稠密气固流器的加入，颗粒的径向弥散被扰乱,旋流的加入同轴射流的研究较少。 在实际的工程中，加旋稠密对颗粒的径向弥散没有明显的影响,但使射流中心气固射流的现象常有发生,特别是在粉煤气化过程线附近的颗粒弥散得更好,颗粒的浓度分布更均中,粉煤从喷嘴进人气化炉的同轴射流的固体浓度中国煤化工收稿日期:2010- 10-09基金项目:国家科技支撑计划项(20078AA08B01)MHCNMHG作者简介:姚敏(1965-) ,男,宁夏灵武人,高级工程师,硕士研究生,现从事煤化工工程方面工作。通讯作者:马银剑。《洁净煤技术)2011年第17卷第1期煤炭燃烧. 中国科技核心期刊全国中文核心期刊矿业类核心期刊J非常高,将影响到气化的效率,气化炉的设计等,因为81,125,159 pum。实验中取喷嘴外通道外径D。此对稠密气固同轴射流的研究具有重要的学术价为流场特征长度,内通道气体射流速度u。为特征速值和应用价值。度计算Stokes数,则3种平均粒径分别对应的Stokes数为99.3 ,236.4 ,382.5。1实验装置与方法1.1 实验装置空气实验装置的主体部分是按比例对工业气化炉进行缩小的气化炉模型,炉体由有机玻璃制成,高800mm,直径φ280mmx10mm。实验流程如图1所示,鼓风机产生的空气经流量计计量后从喷嘴内通道喷出。2台由调速电机驱动的螺旋加料机同时将玻璃微珠送人带倾角的通道,在环隙堆积- -定高度后从喷嘴外通道均匀稳定流出。图2实验喷嘴结构2实验结果与讨论2.1旋流数对浓度场分 布的影响28实验条件:颗粒流量m,0. 032 kg/s;气量Q,60 m'/h;固气质量比m./m。为1.5;颗粒平均粒径回豆d,81 μm。 .围1气固两相流实验流程2.1.1相对浓度轴线分布1-空气压缩机:2-阀;3- 流献计;4-给料机;5- _喷嘴;为了研究旋流数对炉内浓度分布的影响,在其6-气化炉;7一探针;8- -PV6D;9- -计算机它条件相同时,分别对不加旋流器(S=0),加旋流实验用中科院过程工程研究所研制的PV6D颗器1(S=0.386),加旋流器2(S=0.511)对炉内的粒测速仪测量颗粒浓度场。气固两相经喷嘴喷出浓度进行测量,相对浓度沿轴线分布结果见图3。进入炉体,连接PV6D颗粒测速仪的探针伸人炉体2+S=0.内进行测量,测量信号经计算机处理后输出。以坐+5-0.386- + S-0.511 .标r表示探针测点距所在平面中心的距离,取中心为零点;坐标x为测量平面距离喷嘴出口平面的距离,取喷嘴出口为零点。由PV6D颗粒测速仪可以0.3-得到2个不同测量点之间的浓度值相对大小，从而03得到颗粒浓度的相对空间分布。x/D..1.2实验方法圈3不同旋流数下颗粒相对浓度轴线分布采用不同的旋流导流叶片来获取喷嘴出口的图3中的浓度数据均是相对浓度值:轴线上的旋流。实验所用喷嘴与工业化喷嘴相似,图2为实浓度值(C, )为各个测量点和距喷嘴平面9.5 cm的验喷嘴结构,其中内通道直径d,20 mm;外通道内径平面中心浓度值相除所得结果;每个平面径向上的D,24 mm;外通道外径D.,27 mm; 环隙尺寸a,浓度值(C,)为各个测量点和所在平面中心的浓度1.5 mm;喷嘴交汇角ax=30° ,β=70°。实验中用到值相除所得结果。可以看出:加旋流器时的颗粒相的2种旋流器的旋流数分别为0.386和0.511,置于对河|中国煤化，工时快。但这种衰减图2虚线所示位置。所用3种固体颗粒均为玻璃微MHCNMHG=0.511 比旋流数s珠,密度为2490 kg/m' ,用MASTER SIZER 2000马=0. 580时轴线相对限度装域便,这可能是由于旋流尔文激光测粒仪测量得颗粒的表面积平均粒径D32数增大, 内回流强度增强而引起的。姚敏等:单喷嘴气化炉内 襇密气-固两相旋流浓度场研究47煤炭燃烧2.1.2相对浓度径向分布2.2.2相对浓度径向分布加入旋流器后,射流中心线附近的颗粒弥散得不同固气质量比颗粒相对浓度径向分布,如图更好，炉内大部分区域颗粒浓度分布变得均6所示，在中心通道有旋时,3种固气质量比下的颗匀14-15]。中心通道由直射流改为旋转射流后,颗粒粒浓度都存在明显的驼峰形分布,但不同的炉内表的横向混合1能力增强,图4为不同旋流数下颗粒相观气速使得这种驼峰形分布持续的轴向距离长短对浓度径向分布。从图4可知，由于旋流的作用,更不一。气固两相射流中,气流是固体颗粒动量的主多的颗粒向径向运动,增加了颗粒在炉内的停留时要来源,表观气速对颗粒弥散起着相当重要的作间,加旋后壁面的相对浓度明显高于轴线浓度,这用,太小的表观气速使-部分颗粒不能获得足够的样也有利于气化炉水冷壁的挂渣,S =0.511的旋流动量,所以大的固气质量比条件下,颗粒在炉体下器对炉内浓度场的影响比s =0.386更明显,在炉体部不能获得足够的动量跟随气流旋转运动,而小固下部壁面浓度可达到同平面中心浓度的20倍。S=气质量比条件下的颗粒在各截面的浓度分布更早0.386时在较短轴向距离内驼峰形分布即消失,在远地趋于均匀。离喷嘴的地方因旋转速度变小,射流已基本不旋◆mp/mg=1.5转,与S=0时浓度分布相似。8甘mp/mg=!士mp/mg* 2.210+S=0一S-0.386+S=0.5I10.30.609 T:2图6 不同固气质比时颗粒相对浓度径向分布0.2.3颗粒粒径对浓 度场分布的影响实验条件:采用S为0.386旋流器,颗粒流量图4不同旋流数下颗粒相对浓度径向分布2.2 固气质量t比对浓度场分布的影响m, ,0.032 kg/s;气量Q ,60 m'/h;固气质量比m./m,实验条件:采用s=0.386的旋流器1,颗粒流2.3.1相对浓度轴线分布=1.5。量m,0.032 kg/s,颗粒平均粒径d, ,81 pum。 .在上述实验条件下,对颗粒平均粒径d,分别为2.2.1相对浓度轴线分布在颗粒质量流量不变的情况下，调节气量Q=81,125,159μm时炉内的相对浓度进行测量,相对60,50,40 m'/h,相对应固气质量比m./m, =1.5,浓度沿轴线分布如图7所示。对于颗粒加在环形通1.8和2.2,在这3种情况下，对炉内的相对浓度进道、中心为旋转射流的气固两相同轴射流, St =99.3行测量,相对浓度沿轴线分布结果如图5所示。从(d。=81 μm)的颗粒比St =236.4(d,=125 μm)和图5中可以看出,固气质量比较小时颗粒的轴线浓St =382.5(d, = 159 μm)的轴线浓度衰减都快,在x度衰减较快,在固体质量流量不变的条件下，固气=5.7D。时,d, =81 μm的颗粒浓度已衰减到x=质量比越小,气体出口速度越大,气固间动量交换3.5D时的20%,小颗粒由于较好的跟随性,在近喷嘴区域旋转气流的携带作用下,浓度急剧衰减;而更大,弥散更快更好。1.2p1.2+d-81μmmp/m=-l.50.9甘d=l25μm，m/m-22士d=l59um0.3}中国煤化空0x/D。30MYHCNMHG图5不同固气质比时颗粒相对浓度轴线分布圈7不同颗粒粒径时颗粒相对浓 度轴线分布48《洁净煤技术)2011年第17卷第1期煤炭燃烧. 中国科技核心期刊全国中文核心期刊矿业类核心期刊J大颗粒由于惯性大，驰豫时间长,不容易受到气流参考文献:的影响,离开喷嘴后更能保持人口射流的方向,故轴线浓度衰减缓慢。[1] Reza Sadr ,Josejoh C. klewicki. Flow field characteristics in2.3.2相对浓度径向分布the near field region of particle-laden coaxial jets[J]. Ex-图8为不同颗粒粒径时颗粒相对浓度径向分periments in Fluids, 2005 ,39(5): 885 - 894.布。由图8可知,3种粒径的驼峰形分布峰值基本[2] E. K. Longmire, J. K. Eaton. Structure of a particle-laden处于同一径向位置,但d, =81 μm的颗粒在此平面round jet [J]. Journal of Fluid Mechanics, 1992 , 236浓度分布与另2个粒径相比显得十分均匀,这是因(0022 -1120): 217-257.为d, =81 μm的颗粒随气相扩散速度比其它2种颗[3] CT. Crowe, T R. Troutt, J N Chung. Numerical Models粒快,在到达x =3.5D。时颗粒的扩散混合已基本完for Two-Phase Turbulent Flows[J]. Annual Review of Flu-id Mechanics, 1996, 28(1):11 -43.成,随后颗粒浓度不再出现明显变化。在远离喷嘴[4]范全林,张会强.宽粒径分布气粒两相圆湍射流特性研的区域,颗粒和气流基本处于自由旋转状态,惯性离心力起明显作用,颗粒被甩向壁面,在壁面附近究[J].燃烧科学与技术，1999, 5(4): 435 -440.形成高浓度区。d, = 125 μm的颗粒由于受更强的[5] Tamburello D. A., M. Amitay. Active manipulation of aparticle-laden jet [ J ]. Intermational Journal of Multiphase离心作用和近壁回流区的卷吸作用,颗粒在壁面富Flow, 2008, 34(9): 829 -851.集致使壁面浓度较高,越是向下,颗粒在壁面的浓[6] Mostafa A . A. ,Mongia HC. ,MeDonell V.C. ,et al. Evo-度富集现象越明显。因此出现了d, =125 μm的颗lution of particle-laden jet flows-A theretical and experi-粒在气化炉模型内壁面最高浓度达到同平面中心mental study[J]. AIAA Joumal, 1989, 27(2): 167-183.浓度30倍的现象。对于d, = 159 μm的大颗粒因其[7] J. Fan, H. Zhao, K .Cen. An experimental study of two-惯性作用较强,几乎不能“感受"气相湍流脉动phase tubulent coaxial jets[J]. Experiments in Fluids,作用。1992, 13(4): 279 -287.+ d;=81μm[8] FanJ, H Zhao, J Jin. Two-phase velocity measurements in母do= 125μm6particle-laden coaxial jets[J]. The Chemical Engineering士d=159umJoumal and the Biochemnical Engineering Journal, 1996，63(1): 11-17.25/[9] Ryan B. Wicker, John K Eaton. Efeet of injected longiu-09 T2dinal vorticity on particle dispersion in a swirling, coaxialjet[J]. Jourmal of Fluids Engineering Transactions of theAsme, 1999 ,121(4): 766 -773.图8不同颗粒粒径时颗粒相对浓度径向分布[10] RB Wicker, J K Eaton. Stucture of a swirling, reircu-3结论ating coaxial free jet and its efect on particle motion[J].Intemational Joumal of Muliphase Flow, 2001 ,27(6):(1)环形通道通颗粒中心气体为直射流的同轴949 -970.射流,比单通道气固两相流的颗粒浓度沿轴线衰减快;近喷嘴的平面颗粒浓度分布较均匀;离开初始[11] Pan H,Todd 8, Yoqesh D. T,et al. The Investigaion ofGravity-Driven Metal Powder Flow in Coaxial Nozzle for段后,颗粒在各种力的综合作用下,逐渐偏向壁面。Laser- Aided Direct Metal Deposition Process[J]. Joumal(2)在气化炉模型上部空间的测量截面呈现驼of Manufacturing Science and Engineering, 2006, 128峰形分布;而在气化炉下部,各截面在距中心大部(2): 541 -553.分区域内浓度比较均匀,只在近壁面处浓度变大。[12]许建良.气流床气化炉内多相湍流反应流动的实验研(3)加旋流器时的颗粒浓度轴线衰减比不加旋中国煤化工理工大学，2009流器快,固气质量比的减小和颗粒粒径的减小都使statistics in a gas-golid颗粒的轴线浓度衰减变快。CNMH GJjirect numerical simula-YHtion[ J]. Intemational Journal of Mutiphase Flow, 2010,姚敏等:单喷嘴气化炉内稠密气 -固两相旋流依度场研究煤炭燃烧36(3): 234 -243.[1S]于遵宏，于建国,沈才大,等.德士古气化炉气化过程[14]陈永斌,徐益谦.气固受限同轴射流颗粒弥散的实验剖析I:冷态速度分布测试[J].大氮肥.1994,17(1):研究[J].工程热物理学报, 1993, 14(1): 102 - 105.46 -49.Study on two-dimensional dense gas -solid flow swirlingparticle concentration field in gasifier with single nozzleYAO Min' , LU Wan-zhou' ，WANG Jjian' ,YONG Xiao-jing' ,MA Yn-jian' ,ZHANG Jjian-shou' , LUO Chun-tao' ,LI Wei-feng2 , LU Hai-feng2(1. Shenghua Ningxia Coal Group Cool Chemistry Industry Co. ,Led. , Lngu 750411 ,China;2. Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education ,East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)Abstract :Swirling jets is widely used in engineering, the characteristics of particle concentration field in swirlingjets gasifier is investigated by PV6D. The results show that the particle concentration in jet axis decays faster inswirling jet than in normal jet, and the particle concentration distribution is a hump shape in the upper part of gasi-fier, while particle distribute homogeneously in the opposite position. With the decrease of solid-gas ratio and parti-cle diameter, the decay speed of the axial distribution of particle concentration accelerates.Key words: swirling jet; particle concentration dstribution; gas-solid two-phase flow; PV6D particle velocity ana-lyzer(上接第40页)Study on characteristics of complex alkali humic acid as a binder of coal briquetteZHANG Zhao, ZHOU Xia-ping, WANG Jie(School of Resouree and Encironnental Enginering, East China Uniersity of Science and Technology, Shanghai 200237 ,China)Abstract: Humic acid was extracted from Yunnan lignite, which is widely used as a binder of coal briquette. Thestudy is focused on the influence of mass ratio of coal to alkali and different alkali additives such as NaOH,Na,P2O,Na2CO3 and K2CO3 on the extraction rate of humic acid. The results show that only using Na0H as an al-kali, the humic acid binder could be prepared fficienly under the condition that the coal NaOH ratios are from10: 1 tol2: 1. Compared with only using NaOH, the use of Na,P20, and Na2CO3 which partly replaced NaOH couldenhance the extraction rate of humie acid by 18. 4% and viscosity of binder by 30% , and save the cost by 2. 6% .The gasifcation performance of humic potassium briquette is greater than humic sodium briquette ，fall strength ofwhich are almost same.Key words: briquette; humic acid binder; lignite; gasification中国煤化工ngthYHCNMHG50《洁净煤技术)2011年第17卷第1期