煤粉气化炉 CFD 计算分析及优化

L 科技创新与应用l 2013年第19期科技创新煤粉气化炉CFD计算分析及优化王洋王美巧李志军(郑州锅炉股份有限公司,河南郑州450001 )摘要:为 了证实哪种炉型煤粉气化炉更具有合理性,本文利用数值模拟方法,对炉内气化过程进行研究。结果表明,炉型2结构相对于炉型1结构能够使炉内温度场、流场均匀,煤粉气化剂垂直喷入炉内,避免如炉型1冲刷一侧炉壁的情况。炉内温度梯度显著降低,平均温度水平上升,炉膛中心湍流强烈,使得气化强度增强,避免了高溫喷射火舌和局部超高温区的出现,降低了对炉壁材料的要求,有利于水冷壁的保护。因此炉型2是结构设计的首要选择。数值模拟方法为进一步的设计提供了理论依据。关键词:煤粉气化炉;燃烧;数值模拟;温度场;流场引言作为能源领域发展的重要方向和优先主题之一的煤炭气化技术,具有原料消耗低，碳转化率高,热效率高,煤种适应性强等优势,煤粉气化炉就成为煤化工产业的龙头,近年来倍受用户青睐,在工业锅炉行业具有广阔的发展前景。本文主要通过某设计院正在设计 当中的两种模型煤粉气化炉进行温度场和流场的数值模拟结果,来分析气化炉运行状况以及其合理性，为进一步设计和安全生产提供参考。1研究对象及其数值模拟1.1物理模型本文进行数值模拟的物理炉型为两种进行简化处理的煤粉气化炉,两种模型煤粉气化炉结构图如图炉型1和炉型2,高度均为15m,直径5m,将炉膛上端的圆角部分简化为圆柱结构，下端部分则简化为倒图1速度分布图图2温度分布图.置圆台结构,煤粉气化剂通过同-喷嘴喷人炉内,两种炉子的不同之处在于,一-种生成的合成气和液渣向炉子一侧排出 ,而另一种煤粉气化炉生成的合成气和液渣向炉子下方排出。气化剂采用纯氧和水蒸汽。本模型忽略水冷壁蒸发对传热过程的影响。1.2网格划分、边界条件及计算方法采用以结构网格为主的六面体网格对炉体进行网格划分,最终采用约2万网格数目进行计算域网格划分。气化剂入口选用速度入口;出口边界条件选择压力出口。为了避免伪扩散的产生,利用QUICK格式进行方程的离散,并采用SIMPLEC算法求解。采用无滑移壁面,固定外壁温度,计算稳定后根据炉内温度场进行校正。迭代计算中,压力、动量松弛因子取0.3,离散颗粒源相松弛因子取0.6,其余松弛因子取0.85或09,每迭代200步后控制方程进行一次颗粒轨道计算以修正计算结果。图3速度分布图图4温度分布图图5湍动能分布图图6各截面速度分布图图7各截面温度分布图对于炉型2的计算结果,由图3-5可以看出,烟气由炉膛正下方出口引出,火焰形状规则,炉膛四周速度均匀,烟气对炉壁的冲刷很小。温TYH度由中心火焰向周围梯度递减,到达炉壁的温度值最小，能够很好的保护水冷壁,炉膛中心湍动能出现两个高涡旋区日,能够充分的将气流混合,有利于炉膛的化学反应与燃烧。图6,图7能清晰的反映出沿炉膛纵向各个不同高度的速度值和温度值。在y=13.5m(炉膛进口)附近,速度值最大，之后速度值向四周递减。由于炉膛进出口压差的存在，在y2.5m处的速度值明显变大,高于炉壁速度值。炉膛温度在y= 2.5m和y=炉型1炉型22计算结果及讨论4.5m处壁面温度高于其它高度壁面温度是因为炉膛截面的缩小，所以2.1炉型1的计算结果及分析在这-区域应注意水冷壁的保护。对于炉型I的计算结果，由图1和图2可以看出因烟气出口在炉综合比较炉型 !与炉型2,炉型2对于水冷壁的保护优于炉型1,一侧,火焰形状发生偏转,从入口而来的射流偏向一 一侧冲刷炉壁,速 更经济更安全。在设计时应优先选择炉型2。度值达到33/s,火焰两侧因形成漩涡,速度值最小。火焰的中心温度大约本文模拟煤粉气化炉内多相流场和温度场等,模拟结果和实际试3结束语为1799K,冲向炉壁的火焰温度约为1640K,远高于设计的水冷壁壁温验结果基本吻合，验723K,其它区域的火焰温度则逐渐减小。由于烟气长期的高速冲刷加之高温势必造成对- -侧水冷璧管子积灰结渣而形成渣堵,发生爆管事故对两种炉型模中国煤化工进-步证实了炉型2可能性加大,不利于锅炉安全运行。如果加高炉膛高度,则浪费材料和结构相对于炉型1MHC N M H G匀.煤粉气化剂垂直喷人炉内,避免如处户内温度梯度显著降加大生产成本,既不经济也不安全。22炉型2的计算结果及分析低,平均温度水平上升,炉膛中心湍流强烈,使得气化强度增强,避免了- 74-科技创新2013年第19期| 科技创新与应用|既有建筑混凝士中氯离子含量的检测方法分析黄艳艳(广西保利环境监测有限公司,广西柳州545006)摘要:在我国一些沿海地区,由于河砂比较缺乏,经常会出现海砂在没有经过相应的处理之后就拌入混凝土的情况，这就对当地钢筋混凝土结构建筑的安全和耐久性造成威胁。对于既有建筑掺入过量氣离子的钢筋混凝土结构,如何尽早发现并进行处理,这是许多人都关心的问题。因此, 我们总结了一些既有建筑混凝土中氯离子含量的检测方法。关键词:混凝土;氯离子;含量检测;方法在混凝:土被广泛应用的今天，有许多的钢筋混凝土结构由于各种浓度 会连续变化,而往往会变化n个数量级,从而引起电位的突跃,在原因,没能达到预期的使用年限期间就提前失效了。而据统计,这其中此方法中 ,被测成分的氯离子含量是通过消耗的硝酸银量来计算的。有大部分是因为混凝土结构的耐久性不够而引起的。据有关资料显示,2.1.3 离子色谱法在我国,混凝体结构耐久性不足的问题非常严重。而对于近海或者是沿对于固体试验样本,采用氢氧化钾溶解,并用硝酸脱样,然后调节海地区来说，混凝土耐久性不足的主要原因是混凝土中氯离子的含量水溶液样品的酸碱度 ,在PH=7的时候,也就是酸碱为中性的时候,进人过高。引起这种现象的原因-方面是海洋中氯离子以海雾和海水的形色谱柱进行分离检测 .进行分离定量。式深入到混凝土中，另- -方面是在拌制混凝土的时候掺人了海砂或者离子色谱法可以同时检测水溶液样品中的多种离子，其操作比较海水。第一种情况主要发生在码头、海港以及位于海边的一些建筑物简便 ,具有高分辨率、高灵敏度和高效率的优点。但采用离子色谱法进上,而第二种情况可有可能出现在较大的地域范围内。我国的建设部对行检测的仪器设 备投入较大,因此要广泛应用还比较困难。此外,离子于用海砂来拌制混凝土的现象也严格的指出，对于沿海城市用海砂拌色谱法 主要适用于对水样品进行检测,而如果要进行固体样品检测,前制混凝土,导致建筑受到氯离子腐蚀,降低了混凝土结构的耐久性,为期还需 要经过比较复杂的处理。建筑带来安全隐患。对此有深刻的例子:某沿海城市的一-所大学有三栋2.2现场的检测方法建于上世纪八十年代末的学生宿舍楼,在使用不到15年就出现了大面22.1 RCT法积的钢筋腐蚀，从而被鉴定为危楼要给子拆除，原因就是因为在施工拌丹麦 Germann公司的RCT法,是-一种对于现场混凝土氯离子进行制混凝士的时候使用了海砂,含量检测的方法。近几年来,这种方法也开始被国内的一些检测单位引根据相关的工程经验,对于既有建筑中已经掺人氣离子的混凝土进使用。 RCT法的检测程序是采取一-定 量混凝土样品,制成粉末后放入结构,对混凝土中氯离子的含量进行测定并对早期建筑进行排查,尽早事 先配制好的酸辛萃取液中,充分摇匀后放置一段时间后 ,将选择性电发现,尽早解决是最好的处理方法。极放入溶液里,然后读取电压毫伏值,再根据标定的电压值一氯离 子1氣离子的腐蚀机理含量曲线,就可以直接算出该混凝土样品中氣离子的含量了。要对混凝士中氣离子的含量进行检测，首先要了解氯离子的对混22.2 氯离子选择性电极测定氯离子含量凝:士结构的腐蚀机理。氯离子具有活性大、半径小和穿透力强的特点，氯离子选择性电极是把硫化银和氯化银的沉淀混合物压成膜片,就算混凝土没有碳化也可以进人结构中并到达钢筋的表面。氯离子吸并将膜片固定在塑料管的- -端，然后用全固态封装工艺将其装配成无附在钢筋表面钝化膜的时候，会产生酸化作用，从而使该处的PH值迅内参比溶液的电极， 由甘汞电极、氣离子选择性电极以及待测定溶液组速下降。据研究表明,氯离子的酸化作用能使钢筋表面的PH值降低到成原电池。4以下。氯离子首先会破坏钢筋表面局部的钝化膜,时露出的铁基体成当水样中的总离子强度是一个定值的时候, 溶液中氯离子浓度和为小阳极,而钢筋表面大部分钝化膜仍然完好,成为大阴极。腐蚀电池电池的电动势之间的关系符 合能斯特定律:作用导致钢筋表面局部被腐蚀,我们称之为坑腐蚀或者点腐蚀,被腐蚀o_ R点对于应力高、断面小而且比较脆的预应力筋具有较大危害。而如果混E=E°-下Ina泥土的保护层比较薄，氯离子的含量较多而且分布均匀的话,就会导致其中E为平衡电池电位(mV),E,为标准电位(mV),R为气体常数,钢筋表面产生大量氯离子去钝化作用,从而使点腐蚀面积扩大合并,最F 为法拉第常数,T为热力学温度,n为电极反应式中参与反应的电子数终形成大面积的钢筋锈蚀。目,a为溶液中氯离子的活度。2混凝土中氯离子含量的检测方法根据此原理,原电池中电动势E和logch星线性关系,所以只要测2.1试验室的检测方法定原电池的电动势E,再根据回归分析公式,就可以算出待测样品中氯2.1.1铬酸钾指示硝酸银滴定法离子的浓度。采用铬酸钾指示硝酸银滴定法进行混凝土氯离子含量检测，首先3结束语要将混凝土样品溶解于- -定 量的水中,并用硝酸滴定,待溶液PH值由混凝土中氣离子含量过高的问题主要出现在近海和沿海地区,而碱性变中性之后,再用硝酸银标准溶液滴定,以二级微商法来确定所用由 于我国海岸线比较漫长,因此就导致了这个问题比较普遍而且严重。的硝酸银标准溶液体积,最后再结合空白实验,就可以算出混凝土样品对既有建 筑氯离子含量进行检测,并对“海砂楼”进行排查,是沿海城市总氣离子的重量。铬酸钾指示硝酸银滴定法是试验室进行混凝土氯离建设 主管部门]需要努力完成的工作。子检测的标准方法，这种方法检测出的氯离子是混凝土样品中的游离参考文献态氯离子，检出量为样品氯离子总含量的50%左右,而如果将样品溶液[]金伟良 ,赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[].浙江大学学煮沸的话,检出量可以达到样品氯离子总含量的80%左右。报(工学版),2002,36(4):371-380.2.1.2电位滴定法[2]吴胜兴钢筋混凝土结构锈裂损伤研究综述[].工程力学,2002.电位滴定法一种是通过对滴定过程中电池电势的变化进行测量，[3]洪乃丰. 中国沿海地区滥用海砂情况与部分“海砂屋”事例412004最后确定滴定终点的滴定方法。这种方法的滴定的终点的确定是依靠[4孙凌云 ,王磊.混凝土中氯离子含量的三种检测方法[D.中国新技术新电极电位的突跃来指示的，在滴定到达终点的前后,滴液中的待测离子产 品,2009(4).高温喷射火舌和局部超高温区的出现,降低了对炉壁材料的要求,有利slurry gasification process []. JouralofChinaCoalSociety ,2004,29 (5):于水冷壁的保护。因此炉型2是结构设计的首要选择。基于此,这为进606- 610.一步的研究积累 了经验,为煤气化炉的结构设计、优化和运行提供有益[2]吴 玉新张建胜,岳光溪,等用于Texaco气化炉同轴射流计算的不同的参考。湍流模型的比较中国煤化工43.WuY uxin,ZhangJiansheng, YueGuangEnt turbulencemod -[]于海龙,赵翔，周志军,等氧煤比对水煤浆气化影响的数值模拟①]煤elsin computationolei YHC NM H Gier D Journal of炭学报,2004,29 (5):606-610.YuHailong,ZhaoXiang,Zhou Zhijun,et a Chemical Industry and Engineering,20U7/ ,5(5)557-543.INumericalsimulation of efct of oxygen-coal mole ratio on coal water-75-