旋流在气流床气化炉中的应用

第43卷第4期化学工程Vol. 43 No.42015 年4月CHEMICAL ENCINEERING( CHINA)Apr. 2015旋流在气流床气化炉中的应用毕大鹏，管清亮，玄伟伟，张建胜(清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084)摘要:在气流床气化炉内高温高压的环境下,气固混合是影响气化炉效率的重要因素,而旋流在强化气固混合方面已在燃烧中得到广泛使用，文中综述了旋流在气流床气化炉中的应用。首先介绍了旋流的数学描述,包括旋流的概念,旋流N-S方程的表示方法以及其解析解,旋流的解析解均是在一定假设前提下得到的，具有一定的局限性;其次,介绍了旋流的特性和生成方式，主要通过切向人口旋流叶片和机械旋转引入旋流;然后介绍了旋流在气化炉中的应用,包括喷嘴旋流和炉膛旋流2种,并结合具体结构展示了旋流的作用，主要有增强混合和便于排渣;最后对旋流在气化炉中的应用进行了总结和展望。关键词:旋流;气流床气化炉;煤气化;喷嘴;炉膛中图分类号:TQ 54文献标识码:A文章编号1005-954(2015)04-004506DOI: 10.3969/j issn. 1005-9954. 2015. 04. 010Swirling flow and its application in entrained flow gasifierBI Da-peng, GUAN Qing-liang, XUAN Wei-wei, ZHANG Jian-sheng( Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Department ofThermal Engineering ,Tsinghua University , Beijing 100084 , China)Abstract:The gas-solid mixing is crucial to improving the efficiency of the gasifier in an atmosphere of highpressure and temperature. This paper reviewed the swirling flow and its application in entrained flow coal gasifier.First, the mathematical description of swirling flow was introduced ，including the conception of swirling flow, theexpression of N-S equations of swirling flow and its analytical solutions. Most of the theoretical solutions are basedon some simplification and assumptions, so they can only reflect some aspects of the swirling flow. Secondly, thecharacteristics and form of generating the swirling flow were shown. The swirling flow can be divided into differentpatterns according to its swirling number. Generally ，tangential inlet, swirler and mechanical rotator are used toproduce swirling flow. Then, the applications of swirling flow on gasifer were demonstrated by actual structure,including the nozzle with swirling effect and the gasifier chamber with swirling flow. In the industrial application,the swirling flow can enhance gas-solid mixing and be beneficial to slagging on the wall. Finally , some problems inthe current design , range of application and the development trends were proposed.Key words:swirling flow ; entrained flow gasifier; coal gasification; nozzle; chamber旋流是自然界普遍存在的运动",也在工业燃前景,近年来得到较快发展。气流床气化技术的关烧器中广泛应用,目的是增强燃料和氧化剂混合、键在于燃料与氧化剂的快速混合,为反应提供良好提高燃烧效率、降低污染排放等。气流床气化技术的条件。为了达到这一目的,不同的气化技术采用广泛应用于合成氨、甲醇等大宗化学品的制备,并不同的方案。GE采用三通道、单喷嘴高速受限同在整体煤气化联合循环发电领域展现良好的应用轴射流,利用气流与水煤浆的高速剪切使水煤浆快收稿日期: 2014-09-23基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助课题(2011AA05A201)作者简介:毕大鹏(1986-), 男，博士研究生,研究方向为煤气化数值模拟，E-mail: bdpl0@ mails. tsinghua. edu. cn;张建胜,通信联系人，E-mail: zhang-jsh@ tsinghua. edu. cn。●46●化学工程2015 年第43卷第4期速雾化;多喷嘴气化炉采用撞击流强化气-固间的传提供一定的指导。热传质;而MHI和航天炉则采用旋流的方式强化气1旋流的数学描述固混合。不论在各种燃烧器或气化炉中,其反应腔1.1旋流流动的 N-S方程内温度均较高,因此充分的混合是反应完全的前为了对旋流流动建立完整的数学描述,必须根提。鉴于旋流在燃烧中的广泛应用,旋流在气流床据旋流的特点在N-S方程的基础上进行一定的假气化炉中也能找到广阔的市场。本文力图对于目设 ,通常假设旋流流动是轴对称的。基于以上的考前旋流在气化炉中的应用进行概述,并提出旋流式虑, 柱坐标(r,0,z)下的动量方程、连续性方程和热气化炉设计的主要原则,为旋流在气化炉中的应用传导方程为au,+u山+ au._ "1 p,atar2a2)(1)dug,,dueaue + u,ug18ug. 1 dug_ u。。u)\(2)3t’Arzu+u u+u auot"'ar"aaz(3)1a(nu,) +(4)(8+u, +u, 0)r + aT.n,=小(二+L旦+马r(5)”anz'z“( arr ara式中:n,, uo, u.分别为径向、切向和轴向速度,p,T。12p为环境密度和温度,T'为相对环境温度的变化值,1.0}v ,k分别为黏度系数和热扩散系数。1.2 N-S 方程的理论解0.为获得旋流流动N-S方程的理论解,需要进行一定的简化。 本部分的例子,均是在对N-S方程进行一定简化得到的解析解或近似解,它们是进一步°2431012研究复杂旋流流动的基础;同时又为检验各种数值图1兰金涡速度分布方法的可靠性提供了依据。Fig. 1 Velocity distribution of Rankine vortex1.2.1兰金涡兰金在假设流体是均质的、只有切向速度和的1.2.2奧森涡条件下提出了最简单的理论解:若考虑涡量扩散和能量耗散这些黏性效应,如果不向旋流中补充能量,其定常态是不能维持的，up=(6)这时就要放弃定常流动的假设。奥森涡就是考虑黏性扩散效应的非定常、平面轴对称涡旋精确解，上2元r≥rc是奥森于1912年提出的,其表达式为式中:r。为涡核半径,T为速度环量。兰金涡的速度uo=-1-()](7)分布见图1。兰金涡实际上是将自由涡和强制涡结合,消除式中::为时间。当不考虑黏性时,奥森涡自动退化为自由涡,奥森涡的速度分布见图2。了自由涡在r=0出现的不合理的无穷大速度。兰奥森涡考虑了黏性的效果,消除了兰金涡在涡金涡是N-S方程的一个精确解，但它本质上是一个核边界速度不光滑的特点,更接近真实的物理情无粘涡旋模型。况。但它只是二维不可压缩旋流精确解的--种理十十投稿平台Http://imiy. cbpt. cnki.net +- +-.毕大鹏等旋流在气流床气化炉中的应用.47●想模型,在实际中,还需要考虑轴向流动。常以是否形成内回流区分为高旋流和低旋流。在气化炉中流场应满足颗粒停留时间长、回流区强烈、温度均匀等特点。在应用旋流流动时,应根据.不同旋流强度的特点，结合气化炉炉体结构、型式、自10喷嘴数量及布置等因素详细考虑。在旋流流动中，流体内外压差提供了旋流的)5 7向心加速度,造成了旋流流动的轴线压力低于环“0境压力,图4是旋流数为0.6时旋流器出口不同轴向位置的静压径向分布(3],可以看出轴向距离圈2奥森涡速度分布为10 d(d为喷嘴直径)左右射流中心压力才恢复;Fig.2 Velouity distibution of Oseen vortex到环境压力。而随着旋流强度的变化,轴向速度的径向分布由单峰的高斯型转为双峰的马鞍1.2.3伯格斯-罗 特涡[2)形[4),甚至出现中心回流区。同时由于流动中加伯格斯-罗特涡最大的改进是考虑了轴向的拉人了切向速度,使得主流体与环境流体的混合作伸作用,相对于兰金涡，它引入了轴向、径向速度:用加强,射流的横向扩展大大强化,为湍流气相反应提供了良好的条件。u,=-ar, u.=z2i[1-exp(-吃)],4, =20a(8)式中:a=常数>0,表示吸人强度。伯格斯涡速度分布见图3。0t曼-100- --01-150-2-2505-03-01010305r/m圈4不同轴向位静压的径向分布Fig. 4 Radial distibution of pressure on varous posin2.2旋流流动的生成方法團3伯格斯-罗特涡速度分布Fig.3 Velocity distribution of Burgers-Rott vortex在流动中引人旋流主要有3种方法:一是切向人口,流体经过沿圆周均布的多个人口进人圆形伯格斯涡计人了旋流中的三维效应,较好地反通道形成强烈旋转,如旋风分离器、涡流管等;二应某些旋流流动的主要特征,它的不足之处是在原是旋流叶片,可以采用轴向和径向旋流叶片，轴向点处出现驻点,且当r→∞和z-→∞时,u,-→∞和旋流叶片安装在流道中并与管道轴线呈一定角度,当流体流过时会在导向叶片的作用下产生切u,→∞,这些从物理上看是不真实的。N-S方程的精确解可以让我们对各种涡旋有全向速度,而径向旋流叶片- -般安装在喷嘴出口附面的物理上的认识,也可以对各种近似方法进行准近,其旋流产生原理类似切向人口方式,这一类装:置广泛用于煤粉燃烧器、燃气轮机燃烧室中;另确性测试，是研究旋流流动的理论基础。外,还可以采用机械旋转的形式产生旋流，其原理是采用外力强制流体旋转,如搅拌槽等。不同旋2旋流流动的特 点及生成方法流生成方式有其特定的适用范围,在工业燃烧器2.1旋流流动的特点以及燃气轮机中主要采用第2种方式，气化炉中旋流是在常规流动中引入了切向速度,由于切的喷嘴与大多数工业燃烧器喷嘴并无太大区别，向速度的引入，流体流动特性均发生较大变化。通产生旋流主要以第2种方式为主。投稿平台Htp://imiy. cbp. cnki. net●48.化学工程2015 年第43卷第4期3旋流在气化炉中的应用空气颗料不同学者通过在气流床气化炉中引人旋流,取得了良好效果。根据引入位置不同，可分为喷嘴和炉内旋流2种，下面就分别介绍2种方式在气化炉中的应用。-旋流片3.1喷嘴 旋流在气化炉喷嘴中引入旋流的作用主要有4点:第一,强化气化剂与煤粉混合，提高合成气产率及碳转化率;第二,产生的高温合成气回流,对进入气圄5单旋流喷嘴化炉的燃料和气化剂进行预热，稳定着火;第三,将Fig.5 Single channel swirler颗粒运动轨迹由直线变为旋转运动,提高颗粒停留时间;另外,旋流使轴线速度衰减更快,可以据此降水煤浆一氧化剂.-氧化剂低炉膛长径比,减少投资。有很多学者研究了喷嘴旋流对气化炉内宏观混合过程的影响,王辅臣等[5]采用带叶片的旋流喷嘴,通过改变叶片角度而且产生不同强度的旋流，发现旋流可以显著改善气化炉内的混合过程;姚敏等(0]利用PV6D颗粒测速仪测量了旋流和非旋流情况下气化炉内颗粒的浓度分布,发现加旋流时颗粒浓度沿着轴线的衰减更快,颗粒浓度分布更均匀;有学者将旋流引入了煤粉气化中(71 ,通过考察一二圈6双旋流水煤浆喷嘴次风旋流方向和强度对于煤粉气化的影响,得到强Fig.6 Double channel swirler of watler-coal-slury弱一次风旋流条件下的火焰稳定性特点。旋流喷嘴主要有2种形式:单通道和双通道旋煤粉一流。所谓单通道旋流一般将旋流通道布置在燃烧器中心,作为气化剂通道,而燃料则布置于与中心通道同轴的环形通道。而双通道旋流则是在燃料氧化剂-通道的内外层分别设置氧化剂旋流通道,通过2股旋流的强烈剪切作用强化与燃料的混合。对于单通道旋流,图5所示喷嘴[8]采用旋流叶片产生中心-.旋流器通道旋流以强化气化剂与煤粉的混合,同样可采用带转动的涡流生成器在气化剂通道中产生旋流或通过设置反向螺旋状肋片以形成中心通道旋转[9] ;几对于双通道旋流,文献[ 11-12]采用中心和外环通道双旋流(图6),以提高碳转化率、缩短火焰长度,但由于燃料选用水煤浆,可能造成雾化效果不足，同围7旋流气化炉Fig.7 Swirling with gasifer样可用旋流片131或螺线管[41对煤粉加旋,形成燃料和气化剂双旋流,另外,还可以通过多个旋流喷综上可见,对于气化炉的喷嘴采用旋流可以采嘴形成整体旋流,如图7所示的气化炉中在顶部对用多种方式,在采用旋流时主要有以下几个原则:称方式布置8个旋流喷嘴[15] ,使部分氧化剂与煤粉为获得较强旋流,旋流器尽量设置于出口附近;旋充分混合,并在喷嘴底部设置二次氧化剂人口,进-步强化混合,该喷嘴已经完成中试试验,并展现流的射流方式主要应用于煤粉的喷人，旋流对于水出良好的性能[6。煤浆的雾化效果不如对煤粉的混合效果好;在燃料投稿平台Htp://imiy. cbpt. cnki. net毕大鹏等旋流在气流床气化炉中的应用49.通道内侧设置旋流装置优于通道外侧，以便于燃料的径向弥散。>行3.2炉内旋流空气人口空气喷嘴很多学者在气化炉的体中引人旋流,并与喷嘴旋流互相配合,其主要作用一是避免合 成气与炉墙直接接触，保护炉墙,另外，可以将熔渣甩至壁面，对集中排渣有-定作用。图8所示的专利采用切向布置的喷嘴将煤粉及氧化剂喷人气化室7],造成气化室侧壁压力高于中心压力,通过煤渣冷却室与气化室中心的压差,使高温烟气携带的液态熔渣经渣圈9组合旋流气化炉孔进人煤渣冷却室,从而完成结渣过程;有学者将Fig. 9 Combined swirling gasifer在气化室的周围布置环形的空气通道,如图9所示['8] ,通过顶部旋转排列的18个喷嘴喷人空气,一点火喷嘴室方面减少了气化炉的散热,降低了外壁面温度,另一方面使火焰更集中,避免高温火焰与壁面直接接触,提高了耐火砖的寿命;利用气化炉内旋流,有学5工艺喷啸.者提出了旋流气流床的概念[19] ,煤粉和氧化剂经过置于气化室侧壁的喷嘴喷出,在气化室内形成旋转5二次氧喷嘴流动,有效地增加了煤粉的停留时间，提高气化效率;图10则提出了一种多喷嘴分级给氧旋流气流床气化炉[2] ,部分氧气和燃料从炉体上部工艺喷嘴喷人气化室,剩余氧气通过炉体下部的二次氧喷嘴喷人气化室,工艺喷嘴和二次氧喷嘴均按照--定角度圈10分级旋流气化炉布置;图11所示的专利则将顶部喷嘴旋流与气化炉rig. 10 Staged swiring gasifer内旋流结合[21] ,采用喷嘴旋流使燃料与氧化剂快速氧化剂混合,同时在气化室侧壁安装多层四角切圆式二次氧喷嘴,使煤颗粒甩至气化室内壁发生膜式气化，水媒浆一门提高了碳转化率。通过对旋流在气化炉中应用的整理可以发现,无论在气化炉喷嘴还是气化室中引人旋流均可以氧化剂一-←氧化剂对气化炉的运行起到一定的积极作用，但不同形式的气化炉在采用旋流时应注意喷嘴与炉体结构以及与冷却系统的匹配。]粗煤气喷嘴、清孔灰清圈11旋风气流床气化炉煤渣冷却室-气体返回孔Fig. 11 Entrained flow gasifier with swirling4结论图8整体旋流气化炉旋流由于其流场独有的特点在各个领域得到Fig8 Overall swirling gasifier广泛应用,旋流不仅得到工程师的关注,近年来越投稿平台Htp://i cbpt. cnki. net ++.●50●化学工程2015 年第43卷第4期来越获得气象学家、数学家、物理学家等的重视,不process[ J]. International Journal of Energy Research,仅受到环境、灾害等传统领域的驱动,也催生了能2001, 25(13); 1151-1 163.源航空航天、机械动力等方面的学科交叉。人们[8] 李伟锋，曹文广，许建良，等.顶置单喷嘴气化炉旋流场特征研究[J].大氦肥，2011, 34(4): 225 228.-方面采用合理手段减少其产生的危害,另一方面[9]沈政宪, 焦鸿文,陈威丞.气化炉喷嘴:中国，1814355A利用其特性服务于人类,这些都为旋流的研究注人[P]. 2006-08-09.了强大的活力。[10] ESSENJS, DOHREN H, GLADBACH M. Coal gasifica-本文通过分析旋流流动的N-S方程,介绍了多个tion reactor: US, 4352675[P]. 1982-10-05.旋流流动的理论解,如兰金涡、奥森涡伯格斯-罗特[11] 于遵宏，龚欣，王辅臣，等，带有旋流器的三通道组涡等;并介绍了旋流流动的特点以及生成方法;主要合式水煤浆气化喷嘴:中国，1125163A[P].1996.-对气化炉喷嘴旋流以及气化室内旋流的应用进行了06-26.整理,力图使读者对旋流有一个基本的认识。由于中[12] 唐煜，朱平，王家信，等.一种用于水煤浆气化的工国特有的能源结构,气流床煤气化在中国具有广阔的艺烧嘴及系统及其应用:中国，102031152A[P].2011-10-13.市场，各种气化技术也层出不穷,旋流作为在燃煤锅[13]王明坤，郭进军,刘孝弟.可燃粉体旋流组合燃烧器:炉、燃气轮机等燃烧器中的广泛应用的手段,也- -定中国，1702375A[P]. 2005-11-30.会在中国煤气化技术领域得到有效利用。[14] BRENT A, MARION C P, RICHTER G N. Partial oxi-daion process using a swirl bumer: US, 4371379[P].参考文献:1983-02-01.[1] SHIKHIRIN V. Creation of sel-supported vortex. energy[15] LEEJ w, CHUNGS w, Y00 Y D. 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