喷嘴入口位置对气化炉流场影响的实验研究

第32卷第1期煤炭转化Vol, 32 No.12009年1月COAI. CONVERSIONJan. 2009喷嘴人口位置对气化炉流场影响的实验研究于海龙”董向元2)刘建忠3郭淑青2) 高洪亮" 李小民”摘要为了考察气化炉炉侧喷嘴入口位置对炉内流场和颗粒浓度分布的影响规律,在新型水煤浆气化炉冷模三维实验台上进行了大量的实验研究,并与数值模拟计算结果进行了对比,结果表明,当喷嘴距气化炉顶部0.9 m时，气化炉炉内流场分布最合理,颗粒浓度分布最均匀;实验测试结果和数值模拟计算结果非常接近,进一步验证了数值模拟计算结果的准确性.实验测试结果为.气化炉的设计和运行提供了参考.关键词水煤浆,气化炉 ,噴嘴，实验研究中图分类号TQ545,TQ534煤粉颗粒为100μm~160μm,炉顶喷嘴煤粉流量约)引言为10. 8 kg/b,炉侧单只喷嘴煤粉流歇约为2.7 kg/h,煤粉颗粒随各喷嘴一同喷射入炉膛,这里的煤粉颗鉴于水煤浆气化炉内湍流流场和颗粒浓度分布粒仅为示踪颗粒,用来描述炉内颗粒浓度分布和测的复杂性(18],也为了更加直观地描述和了解气化炉试炉内颗粒停留时间，在实验过程中只有在测量炉内流场分布和颗粒浓度分布状态,对新型水煤浆气内颗粒浓度分布时才投人使用,其他情况下煤粉可化炉进行了大型冷模实验研究,以期获得气化炉参暂停.为了与前面数值模拟计算结果相比较,气化炉数对炉内流场和颗粒浓度分布的影响规律,为水煤内压力为常压.浆气化炉的开发和设计找到了更加便捷和有效的方法.本文即在新型水煤浆气化炉冷模实验台上进行2结果与讨论了大量的实验研究,分析了气化炉炉侧喷嘴入口位置对炉内流场和颗粒浓度分布的影响，确定了能形2.1气化炉不同高度处速度分布的影响成合理的流场和颗粒浓度分布的参数,并将得到的数据与数值模拟计算的结果进行了对比,验证了数第29页图1为H=0.6 m时气化炉内不同高值模拟计算的准确性. [9183度处速度分布的实验测试结果.图1中横轴代表气化炉直径方向上的坐标,Y=0.0 m代表的是气化炉1实验部分的中心位置,在该径向方向上每一高度处均布置了11个测点,用于测量气化炉内不同高度和不同深度本次冷模实验的测试系统见参考文献[14].实处的速度大小和方向;纵轴代表气化炉内轴线方向验对三个不同炉侧喷嘴人口位置进行了实验测试,上的速度分量,正值说明该速度方向是从炉顶喷嘴三个位置分别为:炉侧喷嘴人口位置距气化炉顶部出口流向气化炉底部出口(方向垂直向下),负值说距离H=0.6 m,0.75 m和0.9 m.明该速度方向是从气化炉底部出口流向炉顶喷嘴人在进行实验测试时,除改变炉侧喷嘴入口位置口方向(方向垂直向上),气化炉内速度为负值的位外,其他工况完全- -致,具体运行工况为:炉侧喷嘴人置 表明此处位于炉侧喷嘴射流流场或回流区或者折口角度为45° ,各喷嘴雾化角为30° ,炉顶喷嘴出口空返流区,因此,从速度的大小.正负值和位置可以明气流速30 m/s,炉侧喷嘴出口空气流速25 m/s,人炉显 区分出气化炉内流场的不同区域(包括射流区.撞中国煤化工“国家重点基础研究发展计划(973)项目(2004CB217701).DH.CNMH G1)博上、副教授,2)博土.讲师;4)硕士,讲师,中原工学院能源与环境学院，Jwwur对间i动网上取仅，阐让入于:能源洁净利用与环境工程国家重点实验室,310027杭州收稿日期:2008 09-17;修回日期:2008-10-22第1期于海龙等喷嘴入口位置对气化炉流场影响的实验研究2击区、回流区、管流区和折返流区等).度沿流程方向衰减较快.在气化炉上部靠近气化炉由图1可以看出,气化炉中心位置速度逐渐减炉壁一侧形成两个回流区,这是炉顶喷嘴射流流场形成的,单个回流区大小高度约为0. 3 m,宽度约为0.15 m,在炉侧喷嘴入口位置斜上方形成了两个对称的射流流场，该射流流场内速度方向与炉顶主射流流场速度方向相反,但是该炉侧喷嘴射流流场并未对主射流流场形成很好的截流作用,因为主射流.流场速度虽然递减较快,但是并没有在炉侧喷嘴人-12-口位置附近形成回流，说明炉顶喷嘴射流冲过了炉侧喷嘴射流流场,并且在继续向前发展.在气化炉炉-20F-0.3-0.2 -0.1,0 0.1 02 0.3侧喷嘴出口附近上方,高度为0.45m处附近也形Poeition/ m成了两个对称的回流区,该回流区高度约0.15 m,图1 H=0.6 m时气化炉内不同高度处速度寬度约0.1m,回流区较小;在气化炉炉侧喷嘴出口分布的实验测试结果下方整个气化炉中下部,气化炉内气体流速均为正Fig. 1 Experimentation results of velocity disribution for值,说明该区域内气体均流向气化炉底部出口,且沿different height of furnace when H=0. 6 m .气化炉不同高度速度变化不大,是明显的管流区,在■一-h-0.15 m;●-h-0.30 m;▲h=0.45 m;管流区内气体流动稳定,速度缓慢.因此,从整体来▼一h=0.60mi◆-h=0.75 m;-h=0. 90 m;1 -h=1.05 m;O-- -h=1.20 m;★- h=1. 35 m看，当炉侧喷嘴人口位置处于H=0.6 m时,气化炉小,在接近气化炉出口部位时速度有所增加，且整个内流场基本可分为射流区、撞击区、回流区和管流中心轴线上未出现速度负值,说明在气化炉内没有区,未见折返流区的形成.形成折返流区,由于大量气体同时冲向狭小出口而为更清晰地比较实验测试结果和数值模拟计算导致出口部位速度增加;气化炉中心轴线上速度较结果,将数值模拟计算结果和实验测试结果按距气高部位为炉顶喷嘴射流形成的流场,在该区域内速化炉炉顶不同高度分别绘于图2中.图2a和图2b是2-otst-10--1520F-03-0.2-0.1000.10.2 0.30.3-0.2-01000.10.203Paition/mPosition/m0.750.70。0.6560-E 0.5o.s导0.50”0.450.400.355-0.2-0.10.00.10.20.30.3-0.2-0.10.00.10.2 0.3Porition 1 mPoilion/m图2 H=0.6 m时气化炉内速度分布的数值计中国煤化工Fig.2 Contrast of experimentation results and numericlYHCN MH Gma-- -h=0.30 m;b-- -h=0.60 m;c-- -h- 0.rv u一n1.00 m一- - - Numerical solution;●- Experimental result3(煤炭转化2009年气化炉炉侧喷嘴入口位置上部气化炉内速度分布的数值模拟计算结果和实验测试结果的对比曲线.各位置数值模拟计算结果和实验测试结果最大误差为7.2%,这一-误差处于工程允许误差范围之内.造成.上述位置计算和实验结果偏差较大的原因还不清.号楚,笔者认为,实验测试结果相对要准确些.因为气化炉为对称结构，两侧的速度分布在没有任何干扰的情况下应该是对称的,但这在数值模拟计算结果-03-0.2-010.00.10.20.30.4Position/m中未能表现出来,然而其他位置的数值模拟计算结果均能令人满意.从图2a和图2b可以看出,在气化图3 H=0.75 m时气化炉内不同高度处炉中上部,数值模拟计算的结果和实验测试的结果速度分布的实验测试结果表现出惊人的相似，在气化炉不同高度处速度分布Fig. 3 Experimentation results of velocity distribution fordiferent height of furnace when H=0. 75 m规律的测量结果和数值模拟计算结果也基本一致.■-h0.15m;●-h=0.30 m;▲-- h=0.45 m;图2b是与气化炉炉侧喷嘴入口位置同一高度-h=0.60 m;◆-h=0.75 m;(一h=0.90 mi处气化炉内速度分布的数值模拟计算结果和实验测-- h=1. 05 m;O一h=1. 20m;★- h=1. 35 m试结果的对比曲线.从图2b可以看出,此时数值模负值,说明未形成折返流区;炉侧喷嘴射流流场周围拟计算结果和实验测试结果吻合良好,大部分情况.靠近气化炉炉壁侧也有回流区形成，但是回流区相下依然是数值模拟计算结果稍稍偏低,与前面的情对较小.沿气化炉中心轴线,流速递减较快,在靠近况相类似.气化炉底部出口附近也出现了速度增加的区域,形图2c和图2d是气化炉炉侧喷嘴人口位置中下成的原因可能和前面所述相同.与H=0.6m时的部气化炉内速度分布的数值模拟计算结果和实验测情况相比,在气化炉中上部中心部位速度较高区域试结果的对比曲线.从图2c和图2d中可以看出,此的宽度明显增加,说明此时炉顶喷嘴射流流场扩展时的数值模拟计算结果和实验测试结果差别相对较角增大,炉顶喷嘴射流不像H=0.6 m时那样集中，大,尤其是在接近气化炉底部出口位置.造成这- -现这也进一步说明了炉顶喷嘴射流流场分布相对更加象的原因可能是,此时气化炉内流速很低,而实验测均匀了,这有利于射流的着火燃烧.在炉侧喷嘴入口试和数值模拟计算在理论上均存在误差，而且利用位置下方气化炉中下部位,气化炉内流速相对较低,三孔探针测量如此小的速度时误差较大,较小的波且速度基本为正值,说明气化炉中下部为管流区,管动可能就会造成较大的数值波动,因此在图2中表流区内流速稳定,湍流混合不剧烈,这有利于气化反现出实验测试结果和数值模拟计算结果差别较大的应在管流区内的进行.现象.虽然在这些位置实验测试结果和数值模拟计同样,为更加清晰地比较实验测试结果和数值模算结果差别相对较大,但是由于其数值较小,不足以拟计算结果,将数值模拟计算结果和实验测试结果按对气化炉内流场分布产生较大影响.距气化炉炉顶不同高度分别同时绘于第31页图4中.H=0.75 m时气化炉内不同高度处速度分布图4a和图4b是H=0.75m时炉侧喷嘴上方的实验测试结果见图3.从图3来看,气化炉内流场:气化炉内中，上部速度分布的数值模拟计算结果和实分布规律和图1中H=0.6m时气化炉内不同高度验测试结果对比.由图4a和图4b可以看出,在气化处速度分布的实验测试结果非常相近,只是在炉侧炉不同高度处,炉内流场分布规律实验测试结果和喷嘴人口位置高度不同，所形成的炉侧喷嘴射流流.数值模拟计算结果基本相同.而且从气化炉上部速场位置不同,且射流所形成的流场大小有差别,H=度分布总体来看,数值模拟计算结果显示气化炉内0.75 m时气化炉炉侧喷嘴射流流场宽度明显大于不同高度处速度最大值偏向气化炉右侧,说明气化H=0.6m时的情况,说明此时炉侧喷嘴射流对炉炉顶部喷嘴射流流场明显有偏心现象(偏向右侧)，顶喷嘴主射流流场的冲击和截流作用明显加强,主而实事中国煤化工(.造成数值模拟射流流场从炉侧喷嘴射流流场中间穿过的空间和可计算.YH.CNMHG:能跟数值模拟计能性越来越小;两种情况下气化炉顶部回流区大算的物理快全的网旧对才有一定的关系,气化炉两小差别不大;整个气化炉中心轴线上速度也未出现侧网格划分如果差别较大可能导致这种现象的发第1期于海龙等喷嘴人口位置对气化炉流场影响的实验研究3生.对比其他位置的数值模拟计算结果和实验测试图4c和图4d是H=0.75m时气化炉炉侧喷结果吻合良好.嘴入口位置下方气化炉内速度分布的数值计算结果12-2--0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3-0.3-0.2-0.10.00.1 0.2 0.3Poaition1 mPorition/ m1.8厂d.51.0F 1.20.9-.o0f富0.6-0.3-).s F0.0--03-0.2-0.1 0.0 0.10.2 0.3Poilin/mPoition/m图4H=0.75m时气化炉内速度分布的数值计算结果和实验测试结果对比Fig.4 Contrast of experimentation results and numerical simulation results when H=0. 75 m-- h=0, 30 m;b- h=0. 60 m;一-h=0.90 m;d一 h=1.35 m-- -Numerical solution;●- Experimental result和实验测试结果的对比曲线.由图4c可以看出,在h=0.9m处靠近气化炉中心部位偏右位置数值模拟计算结果和实验测试结果存在较大差异,数值模拟计算结果明显低于实验测试结果;除此之外,其他位置均吻合非常良好.而且由图4c和图4d可以看出,在炉侧喷嘴人口下方靠近炉壁- -侧有对称的两1s-个回流区形成,这是炉侧喷嘴射流流场形成的，回流-03-02-010001020304区宽度约0.1 m,高度约0.3 m.当H=0.75m时,数值模拟计算结果和实验测图5 H=0.9 m时气化炉内不同高度处试结果均表明在气化炉炉侧喷嘴入口同一高度处未速度分布的实验测试结果能形成折返流区,整个气化炉轴线位置附近速度均Fig.5 Experimentation results of velocity distribution for为正值.different height of furnace when H=0. 9 m■- h≈0.15 m;●-h=0. 30 m▲-h=0.45 m;图5是H=0.9m时气化炉内不同高度处速度▼一h=0.60mu◆一 -h=0.75m;<- h=0. 90 m;分布的实验测试结果.由图5可以明显看出,H=)-h=1.05 m;O--- -h=1. 20 m;★--h=1.35 m0.9 m时气化炉中心轴线附近速度分布与H=0.6 m .合程度,这对热态情况下撞击区内的着火和燃烧是有明显不同,在距气化炉顶部0.75 m位置处,速度十分有利的.同时也可以看出,在气化炉炉侧喷嘴人开始出现负值,说明此时在气化炉炉侧喷嘴入口高口位置附近也形成了相对较小的回流区,炉侧喷嘴度位置气化炉中心轴线附近出现了明显的折返流射流中国煤化工高温气体起到非区,且折返流区的高度约0.5 m,宽度约0.25 m,这常重iYHC N M H G成是热态情况下一区域是炉侧喷嘴人口位置处于H=0.9 m时所特射流能够稳足看火燃烧的有刀保证.从气化炉整体有的，湍流折返区的形成加剧了撞击区内的湍流混速度分布米看,炉顶喷嘴射流流场扩散角度适宜,且32煤炭转化2009 年没有冲刷炉壁的现象发生,炉顶喷嘴射流沿气化炉流场分布实验测试的整体状况,H=0.9 m是比较中心轴线方向上速度衰减较快,这有利于热态情况理想的炉侧喷嘴入口位置,这与数值模拟计算得到下缩短燃烧火焰.的结论相吻合(见图6),进一步验证了数值模拟计因此,对比炉侧喷嘴人口不同位置时气化炉内算的准确性和灵活方便性.21r=l2厂b-0.3-0.2 -0.1 0.0.1 0.2 0.30.3-0.2-0.1 0.00.1 0.2 0.3Poition/mPositioo/m人-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3-0.3 -0.2-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3Position/ mPosition/msp14. -10--120--0.3-0.2-0.10.00.10.2 0.3-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3Peition/mPonition/m3.0rh2:E 1.5-1010.-03202-0.10.0 01 -0.2 03-03-0.2 -0.1 0Povition1 m图6H=0.9m时气化炉内速度分布的数值计算结果和实验测试结果对比Fig. 6 Contrast of experimentation results and numerical simulation results when H=0.9 ma-- h=0.15 m,b- h=0.30 m;c-- -h=0.45 m;d- -h=0. 60 m;e-- -h≈0, 75 m;f-- -h=0. 90 m;g-- -h=1.05 m;h- -h=1. 35 m-- Numerical solution; 1中国煤化工图6a~图6e是H=0.9 m时气化炉炉侧喷嘴和实TYHCNMHG图6e可以看出，上方气化炉内中上部速度分布的数值模拟计算结果数值模拟计算结果和实验测试结果吻合非常好,虽第1期于海龙等喷嘴入口 位置对气化炉流场影响的实验研究33然仍然存在局部实验测试结果高于数值模拟计算结3结论果的现象,但是两者的差别很小。从数值模拟和实验测试的结果来看,气化炉内炉顶喷嘴射流未发生火通过对新型气化炉冷态流场分布的实验测试研焰偏心现象,炉顶喷嘴射流流场从宽度和长度上看究,得到了不同炉侧喷嘴入口位置时气化炉内不同都比较理想.图6f是H=0.9 m时与炉侧喷嘴同一高度位置的流场分布规律,通过对各种工况下流场高度处速度分布的数值模拟计算结果和实验测试结分布的状态确定了合适的炉侧喷嘴入口位置.并将果的对比曲线.由图6f可以看出,此处数值模拟计不同炉侧喷嘴入口位置情况下的实验测试结果和数算结果和实验测试结果也吻合得很好,在气化炉中值模拟计算的结果进行了对比,结果发现,实验测试心轴线上速度为负值,说明此处是折返流区,宽度约结果和数值模拟计算结果在绝大多数情况下吻合良0.25m,数值模拟结果和实验测试结果均反映出了好,只在局部极少数情况下有误差较大的现象发生,这一区域的形成.图6g和图6h是H=0.9 m时炉这可能是实验测试误差和数值模拟计算误差同时导侧喷嘴下方速度分布的数值计算结果和实验测试结致的结果,但这对气化炉内的整体速度分布状况并果的对比曲线,可以看出,实验测试结果和数值模拟无太大的影响.实验测试和数值模拟计算结果均表计算结果也吻合较好,除在靠近气化炉壁面附近两明,当炉侧喷嘴入口位置距气化炉顶部0.9 m时气者吻合稍差外,其他位置均表现出良好的吻合效果.化炉内的流场分布最合理,最有利于燃烧和气化反在气化炉中下部中心轴线附近.除靠近气化炉出口应的进行,此时气化炉内有明显的折返流区形成,折附近外速度均为负值,说明此处也为折返流区,折返返流区的形成大大增加了撞击区内的湍流混合程.流区的高度约0.5 m. .度,并且有效地抑制了“短路”现象的发生，同时增加了颗粒在炉内的平均停留时间,热态情况下可以增2.2气化炉 颗粒浓度分布的影响加气化炉的整体碳转化率,并且折返流区可以将大对于各种工况下气化炉内颗粒浓度分布,笔者量的高温烟气携带进撞击区,成为撞击区内着火燃利用高速摄影进行了跟踪拍摄,从跟踪拍摄的实验烧和气化反应进行的稳定着火热源.折返流区的形效果来看还算理想,但由于未能找到更加理想的示成是新型水煤浆气化炉与常规水煤浆气化炉的最大踪颗粒和合适的背景光,拍摄出来的照片不是十分区别所在,也是新型水煤浆气化炉在流场分布上所清晰,但是从总体效果上来看,实验测试中各种工况具有的最大优势.新型水煤浆气化炉有效地克服了下的气化炉内颗粒浓度分布规律与数值模拟计算结常规水煤浆气化炉所存在的大部分缺点,其所具有的果还是非常接近的.优点必将使其成为今后水煤浆气化炉发展的热点.参考文献[1] 原鲲.陈丽芳,昊承康.水煤浆多级喷嘴的雾化和流动特性[J].燃烧科学与技术,2003,9(1) ;77-80.[2] 原鲲,陈丽芳 ,吴承康.水煤浆多皱气动唢嘴的喷雾特性研究[J].工程热物理学报,2002 ,23(增刊) :209-212.[3] 黄振宇,周志军,曹欣玉等. 撞击式多级雾化水煤浆喷嘴的试验研究[].热力发电，2001(3) :40-42.[4] 黄振宇 ,张传名,李臣等.6 t/h撞击式水煤浆喷嘴雾化特性试验研究[J].中国电机工程学报,2004,24(6) :201-204.[5]李平,任建兴,黄振字. 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All above is very meaningful to hydroliquefraction craft.KEY WORDS liquified coal aqueous medium,NMR,exchange by D2O(上接第33页)EXPERIMENTATION STUDY ON NEW TYPE CWSGASIFIER AT COLD STATEYu Hailong Dong Xiangyuan Liu Jianzhong° Guo Shuqing Gao Hongliang and Li Xiaomin(School of Energy and Environment , Zhongyuan University of Technology , 450007 Zhengzhou;* Clean Energy and Environment Engineering Key Lab of China ,Zhejiang University ,310027 Hangzhou)ABSTRACT In order to examine the effect of different height of furnace side nozzle upon thedistribution of flow field, particle concentration, the 3-D flow field in a new type CWS gasifier atcold state was analyzed using experimentation method, and contrasted this results with numericalsimulation results. The optimization distribution was observed with the height 0.9 m far from thefurnace top. Experimentation study results and numerical simulation results is very near, attestto the numerical simulation is exact, which can be seen;中国煤化工- nd operatingof this type gasifier..M出CNMHGKEY WORDS coal water slurry , gasifiter ,jet noz......... ..uuy