第39卷第4期東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol. 39 No. 42009年7月JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition)July 2009doi: 10.3969/j. issn. 1001 - 0505.2009. 04. 030Texaco氣流床煤氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬劉升'郝英立12('東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)(2東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院,南京210096)摘要:應(yīng)用Eulerian-Lagrangian方法對(duì)國(guó)內(nèi)某工廠實(shí)際運(yùn)行的Texaco氣流床煤氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了模擬.采用Realzable k-e模型計(jì)算爐內(nèi)復(fù)雜氣體湍流運(yùn)動(dòng),應(yīng)用顆粒軌道模型追蹤煤粉顆粒在湍流氣流中的運(yùn)動(dòng)軌跡.通過數(shù)值計(jì)算取得了爐內(nèi)氣相速度矢量、顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒碰撞壁面并沉積于壁面的沉積通量和顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間分布.揭示了該氣化爐的氣固兩相流動(dòng)特性,并分析了運(yùn)行工況對(duì)壁面沉積通量分布的影響規(guī)律.結(jié)果表明:氣化爐內(nèi)的氣體流場(chǎng)存在回流,回流延長(zhǎng)了顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間,顆粒沉積通量最大的位置為簡(jiǎn)體段下部和錐體段上部;絕大部分顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間在5s以內(nèi)，氣體流量降低時(shí)顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間減少.關(guān)鍵詞:氣流床煤氣化爐;顆粒軌跡;沉積率;停留時(shí)間中圖分類號(hào):0359文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào) :1001 -0505(2009 )04 0803-05Numerical simulation of gas-solid two-phase flowin a Texaco entrained-flow coal gasifierLiu Sheng'Hao Yinglil-2(' School of Energy and Environment, Southeast University ,Nanjing 210096 . China)(2 Institute of Space Science and Technology ,Southeast University ,Nanjing 210096 ,China)Abstract :Numerical simulation of gas-solid two-phase flow in a Texaco coal gasifier operated in adomestic factory in China was carried out using the Eulerian-Lagrangian approach. The realizable k-&model was used to describe the turbulence gas flow in an Eulerian frame while the coal particle traj-ectories were calculated by a stochastic tracking model in a Lagrangian frame. The velocity vector ofgas , particle trajectories , particle deposition on inner wall , and particle residence time in the gasifierwere acquired through numerical calculation. The results indicate that back flow exists in the gas flowfield, which increases the particle resistance time in the gasifer. The largest deposition rate appears atthe bottom of cylinder part and the top of pyramid part of the gasifier. Most of the particle has a re-sistance time of less than 5 s in the gasifier , and the resistance time decreases with the reduction ofgas flow rate.Key words :entrained-flow coal gasifier; particle trajectory; deposition rate; residence time煤氣化技術(shù)是煤炭清潔及其高效利用的主要應(yīng)用最多的氣流床煤氣化爐.途徑之一.氣流床煤氣化技術(shù)以其單位體積處理量Texaco氣化爐為耐火磚爐壁結(jié)構(gòu),采用液態(tài)大、氣化強(qiáng)度高碳轉(zhuǎn)化率高合成氣中不含焦油和排渣技術(shù). 爐內(nèi)熔融態(tài)煤灰渣沉積到耐火磚壁面形酚等物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用. Texaco氣流床煤氣化成穩(wěn)定渣層,渣層在向下流動(dòng)過程中對(duì)耐火磚有侵爐是典型的水煤漿氣流床煤氣化爐,也是目前國(guó)內(nèi)蝕作用”中國(guó)煤化主多出現(xiàn)的渣堵、收稿日期2008-1202.作者簡(jiǎn)介 :劉升(1982- -) ,男,博士生;郝英立(聯(lián)系人),TYHCNMHG.ecdu.cm.基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)(2004CB217703).引文格式:劉升郝英立Texaco氣流床煤氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版209 ,39(4) :803 - 807. [doi:10. 3969/j. is.100 -0505. 2009.04.030]804東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第39卷耐火磚壽命縮短、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題暴露出對(duì)其中與氧氣流混合后高速噴人爐膛.在爐內(nèi)高溫環(huán)境下氣固兩相流、熱質(zhì)傳遞、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的掌煤漿液滴的水分瞬間汽化,進(jìn)而經(jīng)歷揮發(fā)分揮發(fā)、握還不充分.燃燒、氣化等一系列過程,最終形成合成氣.所以，研究氣流床氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)和分析壁進(jìn)入爐膛的水煤漿和氧氣混合物可近似看作高速面上灰渣顆粒沉積規(guī)律,對(duì)于研究影響氣化爐安全噴入爐膛的氣固兩相流.爐內(nèi)煤/灰渣顆粒體積濃穩(wěn)定運(yùn)行的壁面渣層形成、流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及相變度低于10% ,屬稀相氣固兩相流,可用Eulerian-La-等運(yùn)動(dòng)具有重要意義. Choi等"對(duì)一個(gè)1 Vd實(shí)驗(yàn)grangian方法描述.規(guī)模Texaco氣化爐內(nèi)的氣體流動(dòng)進(jìn)行了分析,研Texaco氣化爐內(nèi)的氣體流動(dòng)是伴有射流、回究了氧氣人口角、氧氣流量以及噴嘴位置對(duì)氣化爐流和旋轉(zhuǎn)的劇烈湍流.Realizablek-e模型在湍動(dòng)內(nèi)氣體流場(chǎng)的影響. Chen等[2) 對(duì)兩段式空氣氣流黏度計(jì)算公式中引入了與旋流和曲率有關(guān)的內(nèi)容,床煤氣化爐進(jìn)行了模擬,研究了化學(xué)反應(yīng)、氣體流改善了湍動(dòng)黏度的計(jì)算方法,建立了一個(gè)新的可變動(dòng)和顆粒運(yùn)動(dòng)等問題,著重研究了喉部直徑對(duì)顆粒渦黏性公式;同時(shí)修正了耗散率方程中的產(chǎn)生項(xiàng).運(yùn)動(dòng)軌跡的影響.龔欣等i3]通過實(shí)驗(yàn)研究了實(shí)驗(yàn)已有的研究表明,采用Realizablek-e模型對(duì)氣流室規(guī)模Texaco氣化爐的顆粒停留時(shí)間分布.郝英床氣化爐內(nèi)的氣體流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果較其立等|4]對(duì)多噴嘴對(duì)置式氣化爐內(nèi)氣固兩相流和壁他湍流模型得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更加吻合[.].故面沉積率進(jìn)行了模擬,得到了爐內(nèi)氣體流場(chǎng)、顆粒本文采用帶旋流修正的Ralizablek-&湍流模型[8])流場(chǎng)顆粒分布、顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡以及壁面顆粒沉積計(jì)算氣相運(yùn)動(dòng):通量分布,并分析了氣體速度和爐體上部高度對(duì)壁e +號(hào)(pun) =0(1)面顆粒沉積通量的影響.梁萬才等[5]對(duì)西安熱工at ax研究院兩段式千粉氣流床煤氣化爐內(nèi)氣固兩相流最(ou) +(omun) =-0 +號(hào)[(u +u)憋]+動(dòng)進(jìn)行了模擬,研究了爐體喉口直徑和兩段氣固進(jìn)an'axaxx,」料量變化對(duì)氣固兩相流動(dòng)和顆粒分布的影響.許建a,[(u+m)) ui| +S;+ 2P.n(4, - u.n)良等回采用示蹤法研究了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模多噴嘴對(duì)置式氣化爐和Texaco氣化爐內(nèi)顆粒停留時(shí)間分布.(2)本文對(duì)國(guó)內(nèi)某工廠運(yùn)行的Texaco氣化爐內(nèi)氣式中,S,為流體自身源項(xiàng).等式右邊最后一項(xiàng)為氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,為進(jìn)-步研究氣化爐體與顆粒相互作用引起的源項(xiàng),其中ρp.n為第n個(gè)內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率和壁面渣層的形成奠定基礎(chǔ).顆粒的密度,4p.r.n為第n個(gè)顆粒在i方向的速度,T .為流體和顆粒間動(dòng)量傳遞的弛豫時(shí)間.1研究對(duì)象及 數(shù)學(xué)模型(pk) +(oku) =x[(u+臺(tái))x]+G, -peat P所研究的Texaco 氣化爐分為拱頂筒體和錐體三部分,如圖1所示.水煤漿經(jīng)置于爐頂?shù)娜?3)道噴嘴的內(nèi)環(huán)通道流人，由經(jīng)中心通道和外環(huán)通道是(e) +是(pku,) =2[(u+出)]+高速流入的純氧氣體霧化成幾十微米的煤漿液滴,aσ)xCipSe -Cxppivx(4)式中,系數(shù)0k,oc,C,C;的值以及產(chǎn)生項(xiàng)G,和時(shí)均應(yīng)變率S的形式見文獻(xiàn)[8]. .在爐內(nèi)高溫條件下顆粒處于熔融狀態(tài),由于表是面張力的作用顆粒收縮為光滑球形.采用隨機(jī)軌道模型對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤,Lagrange坐標(biāo)系下顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為中國(guó)煤化工二g+P (5)式.MYHCNMH G'(a) 氣化爐(單位:m)(b)噴嘴18u CpRep圖上Texaco 氣化爐和噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fp =Pp 24(6).第4期劉升,等:Texaco氣流床煤氣化爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬805曳力系數(shù)為量mp.和沉積面的面積A計(jì)算,即Co=a+Re,+R(7)qm=-Empn(10)式中,a,a和as是根據(jù)光滑球形顆粒在不同Re,式中,N為沉積到沉積面上的顆粒數(shù).數(shù)條件下的運(yùn)動(dòng)情況確定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[9].顆粒Rep2模擬對(duì)象及模擬工況數(shù)定義為Re, =pdp|u -up |/m.式(5)右邊第2項(xiàng)為重力和浮力的合力,第3本文應(yīng)用CFD軟件FLUENT求解上述控制項(xiàng)為顆粒所受其他力的合力煤粉顆粒流過噴嘴時(shí)方程.網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格,并對(duì)噴嘴區(qū)和下部錐加速.需要考慮顆粒受到的虛擬質(zhì)量力(F,);爐內(nèi)體段的網(wǎng)格進(jìn)行加密.分別對(duì)網(wǎng)格數(shù)為16x 10*,是伴有射流、回流的復(fù)雜流場(chǎng)，顆粒受到的22 x10* ,30 x10*和60x10*的4種網(wǎng)格進(jìn)行了計(jì)Saffman力(F2)不能忽略.算,模擬發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)大于22 x 10*的網(wǎng)格得到的計(jì)算結(jié)果幾乎-致,考慮到計(jì)算代價(jià),選擇網(wǎng)格數(shù)為F, =⊥e d(u-u,)(8)2 P,d22 x 10*的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算.F2 =2Kv*pdy|u-u,|sgn(m) (9)將簡(jiǎn)體段和錐體段兩部分從上至下分成16個(gè)單元(見圖1),并根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行參數(shù),確定了模pod,(dnd)+式中,Saffman力系數(shù)K = 2.594;d;為形變張量.擬工況,列于表1.該煤氣化爐采用水煤漿為原料,壁面顆粒沉積通量qm由沉積到壁面的顆粒質(zhì)煤粉顆粒的平均粒徑為50 μm.表1模擬工況條件氧流址/(10'm’.h-1工煤粉流量/(t.h-")壓力/MPa人口溫度/K中心3.50023.00053. 400.2083. 67524. 15056. 073. 85025. 30058.7403083.32521. 85050.7303. 15020. 70048. 060的;小回流是由于下部錐體段流動(dòng)面積減少、氣體3結(jié)果與分析加速和流向改變引起的.爐下部中心氣流向- -邊略3.1氣體流動(dòng) .有偏轉(zhuǎn),且方向不斷變化氣體擾動(dòng)有利于煤粉顆圖2給出了工況1中氣化爐中心截面上的氣粒和氣體充分接觸,氣體回流能延長(zhǎng)煤粉顆粒在爐體流場(chǎng).氣體流場(chǎng)主要分為3個(gè)部分:①中心區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間，有助于充分反應(yīng).的射流;②筒體段中上部以一-定角度向爐膛周圍分3.2顆粒運(yùn)動(dòng)散的氣流;③筒體段及錐體段近壁面區(qū)域的回流.計(jì)算中對(duì)108x10'個(gè)顆粒進(jìn)行了追蹤,為清回流主要有貫穿整個(gè)筒體段的大回流(見圖2晰顯示,圖3僅繪出了108個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡.(b) )和下部錐體段的局部小回流(見圖2(c)).大回流是由于氣體進(jìn)人爐內(nèi)流動(dòng)面積突然增大引起35.9(b10:88.98中國(guó)煤化工MHCNMHG(a)爐腥內(nèi)整體侃場(chǎng)(b) 上部同藐(e) 下都局部回面圖2氣化爐爐膛內(nèi)氣體速度矢 分布圖3顆粒軌跡與停 留時(shí)間806東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第39卷進(jìn)入氣化爐的顆粒約30%直接沉積到壁面，0~ 1.3 m段沉積通量隨高度的增加而增加.在10%左右直接流出氣化爐，這2部分顆粒在爐內(nèi)的1.3m左右沉積通量達(dá)到最大值,其值是其他區(qū)域停留時(shí)間較短.其余顆粒隨氣體在爐內(nèi)作回流,進(jìn).的3倍左右.5個(gè)工況中工況3的值最大,達(dá)7.5而沉積到壁面,從而使壁面顆粒沉積量沿高度的差kg/(m2●s).在1.4m左右處壁面沉積通量已經(jīng)異減小同時(shí)顆粒的回流方向受到氣體回流方向影下降到1kg/(m2●s)左右;1.4m以上區(qū)域，壁面響,并隨氣體流向變化.沉積通量隨高度的增加而逐漸降低.5個(gè)工況中壁3.3顆粒在氣化爐壁 面沉積通量面沉積通量分布特征差異不大.但當(dāng)氣化爐的負(fù)荷圖4繪出了壁面顆粒沉積質(zhì)量通量分布.錐體減少超過40%時(shí),沉積通量的最大值將會(huì)向上移段和簡(jiǎn)體段下部的沉積通量較其他區(qū)域要大得多.動(dòng)只208123細(xì)4310專3:/四(a)工況1(b)工I配2(e)工況3q//