

新型干煤粉氣流床氣化爐的冷態(tài)數值模擬
- 期刊名字:化學(xué)工程
- 文件大?。?98kb
- 論文作者:鄭夢(mèng)欣,李玉順,王定標,向颯
- 作者單位:鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,熱能系統節能技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,河南心連心化肥有限公司
- 更新時(shí)間:2020-07-13
- 下載次數:次
第43卷第9期化學(xué)工程Vol. 43 No.92015年9月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Sep. 2015新型干煤粉氣流床氣化爐的冷態(tài)數值模擬鄭夢(mèng)欣'2,李玉順’,王定標'”,向颯2(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,河南鄭州450001; 2. 熱能系統節能技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,河南鄭州450001; 3.河南心連心化肥有限公司,河南新鄉453731)摘要:為了考察基于無(wú)焰氧化技術(shù)所提出的新型干煤粉氣流床氣化爐的流場(chǎng)和顆粒停留時(shí)間分布特性,對該氣化爐進(jìn)行三維冷態(tài)數值模擬研究,得到了不同工況下的模擬結果,可知:單噴嘴切向進(jìn)氣工況導致?tīng)t內速度場(chǎng)發(fā)生了偏移;雙噴嘴中心對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況導致?tīng)t內形成外圈速度大、內圈速度小的對稱(chēng)旋轉梯度場(chǎng)。隨著(zhù)進(jìn)口總氣速、顆粒平均直徑和顆粒密度的增大,氣化爐內顆粒停留時(shí)間逐漸減小。顆粒停留時(shí)間隨顆粒平均直徑增大的減幅較隨顆粒密度增大的減幅更大。當顆粒人射角度為正時(shí),隨著(zhù)人射角度的增加,顆粒停留時(shí)間逐漸增大;當人射角度為負時(shí),隨著(zhù)人射角度的增加,顆粒停留時(shí)間逐漸減小。關(guān)鍵詞:氣化爐;無(wú)焰氧化;冷態(tài);數值模擬中圖分類(lèi)號:TQ 54文獻標識碼:A文章編號:1005. 9954(2015 )09-0068-06DOI:10. 3969/j. isn. 1005 9954.2015. 09. 014Cold model numerical simulation of new dry-feedentrained-flow coal gasifierZHENG Meng-xin'2, LI Yu-shun',WANG Ding-biao'2, XIANG Sa?(1. School of Chemical Engineering and Energy , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001,Henan Province,China; 2. Ministry of Education Engineering Research Center of Thermal System Energy Saving Technology andEquipment, Zhengzhou 450001,Henan Province, China; 3. Henan Xinlianxin Chemical Fertilizer Co., Ltd,Xinxiang 453731, Henan Province, China)Abstract:In order to study the flow feld and particle residence time distribution characteristic of a new dry-feedentrained-low coal gasifier which was put forward based on flameless oxidation technology ,three- dimensional coldmodel numerical simulation research on the gasifer was conducted and the simulation results on different workingconditions were achieved. The results show that deviation occurs in the flow field of the gasifier on single nozzleworking condition ; rotational symmetric velocity gradient field occurs in the gasifier on double centrosymmetricnozzles working condition with larger speed outside and smaller speed inside. Besides, the particle residence timedecreases with the increase of the total inlet gas velocity, particle mean diameter and particle density, and theparticle residence time experiences a more significant decrease with the increase of the particle mean diameter thanthat of the particle density. In addition, the particle residence time increases with the increase of the positiveparticle jet angle; the particle residence time decreases with the increase of the negative particle jet angle.Key words:gasifier; flameless oxidation; cold model; numerical simulation無(wú)焰氧化技術(shù)基于Weinberg提出的“超焓燃氧化反應強度。20 世紀90年代以來(lái),無(wú)焰氧化技燒”思想),在不借助外部熱源的條件下,將燃燒產(chǎn)術(shù)迅速發(fā)展,主要有美國的“低氮氧化物引射”,日生的熱能回收預熱反應物,實(shí)現燃燒反應空間化,使本的“高溫空氣燃燒”,意大利的“低氧稀釋”和中國得反應溫度分布均勻,平均溫度水平顯著(zhù)提高,增大的“常溫空氣燃燒”2]。收稿日期: 201505-06基金項目:河南省科技創(chuàng )新杰出青年人才計劃資助項目(124100510020) ;河南省教育民共票月12114804 )作者簡(jiǎn)介:鄭夢(mèng)欣( 1989- -) ,男,碩士研究生,研究方向為過(guò)程設備強化與控制.E-mai中國煤化工7-) ,通信聯(lián)系人,男,教授,博士生導師,主要從事過(guò)程工程節能技術(shù)及高效裝備研究等工作iYCNMH G ..鄭夢(mèng)欣等新型干煤粉氣流床 氣化爐的冷態(tài)數值模擬,69●目前,高灰熔點(diǎn)煤的煤氣化技術(shù)遇到了較大的(3)噴嘴結構對流場(chǎng)和顆粒停留時(shí)間的分布特困難[3。唐志國等(4]提出了一種基于無(wú)焰氧化技性沒(méi)有影響;術(shù)的新型干煤粉氣流床氣化爐,并進(jìn)行了實(shí)驗和模(4)忽略顆粒之間的相互影響及大顆粒的擬研究,獲得了較好的效果;陳文衛等[f)在上述氣破碎;化爐單層雙噴嘴中心對稱(chēng)切向進(jìn)氣、雙層四噴嘴中(5)忽略顆粒在壁面上的沉積、磨蝕作用。心對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況的基礎上,對三層六噴嘴中心2.2數學(xué)模型對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況進(jìn)行了實(shí)驗研究。在這些研究將空氣設為連續相,高熱值煤設為離散相,惰中,并未對爐內流場(chǎng)和顆粒停留時(shí)間進(jìn)行冷態(tài)模擬。性顆粒??紤]氣化爐內為圓柱型受限空間(9],氣根據Stokes數的定義,氣化爐內流場(chǎng)對顆粒停留時(shí)體高速?lài)娚鋾?huì )引起旋流、回流等特征,故采用間存在影響。一般而言,顆粒停留時(shí)間越大,越有利Realizable的k-ε雙方程模型模擬氣相湍流流于碳轉化率的提高。鑒于此,本文針對該氣化爐進(jìn)動(dòng)[10]。由于顆粒體積分數很低,故離散相模型采用行冷態(tài)模擬,分析不同工況對爐內流場(chǎng)和顆粒停留Euler-Lagrange方法,采用隨機軌道模型追蹤顆粒的時(shí)間分布特性的影響。與熱態(tài)模擬相比,冷態(tài)工況運動(dòng)軌跡[10]。進(jìn)、出口選擇速度進(jìn)口和壓力出口,下,顆粒數不會(huì )因化學(xué)反應而減少,能夠更為直觀(guān)地并指定相應的湍流強度和水力直徑。壁面采用無(wú)滑顯示爐內顆粒停留時(shí)間分布特性。移壁面,與離散相的關(guān)系設為rflct。操作條件設為常壓。速度壓力耦合基于Simple算法,壓力離散1物理模型 ,格式采用Standard,其余選擇QUICK格式進(jìn)行氣化爐的物理模型如圖1所示[61。爐體內徑離散(川。0.32 m,爐高0.65 m,煤粉和氣化劑由位于距爐頂2.3網(wǎng)格劃分及考核0.06m同一高度水平面的不同噴嘴以不同方式噴基于上述模型,以整個(gè)爐膛為計算域,針對網(wǎng)格人爐內。煤粉由對置噴嘴a,c徑向噴入爐內。單噴數量約為16萬(wàn)、20萬(wàn)、24萬(wàn)進(jìn)行網(wǎng)格獨立性考察,嘴切向進(jìn)氣工況下,氣化劑由平行于煤粉噴嘴的噴最終確定采用約20萬(wàn)的網(wǎng)格數量進(jìn)行網(wǎng)格劃分。嘴d切向噴人爐內;雙噴嘴中心對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況下,氣化劑由平行于煤粉噴嘴呈中心對稱(chēng)的噴嘴b,3模擬結果與分析d切向噴入爐內。噴人的氣化劑在爐內形成旋轉氣3.1爐內 流場(chǎng)分布特性分析流,通過(guò)卷吸煤氣化反應產(chǎn)生的高溫合成氣,迅速提進(jìn)口總速度u,取12.738 m/s,測量點(diǎn)(X,Y,Z)升氣化劑溫度,同時(shí)降低氧氣濃度,實(shí)現了無(wú)焰氧化取( -0.12,0,0), ( -0.08,0,0), ( -0.04,0,0),高溫、低氧的反應條件[7]。(0,0,0), (0.04,0,0), (0.08 ,0,0), (0.12,0,0),2種工況下各點(diǎn)速度。分布如圖2所示。從圖2可以看出:①2種工況的同一水平面上,越靠近爐體中心速度越小。原因是空氣沿壁面高速旋流,帶動(dòng)b其內側氣流旋轉,形成了徑向上的速度梯度。②單-X噴嘴切向進(jìn)氣工況下?tīng)t體中心處存在速度,方向與進(jìn)氣方向相同;雙噴嘴中心對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況下?tīng)tYc內各點(diǎn)速度呈對稱(chēng)結構,爐體中心處速度為0。原因是單噴嘴切向進(jìn)氣導致?tīng)t內速度場(chǎng)發(fā)生了偏移。③雙噴嘴工況的爐內速度與單噴嘴相比整體偏低。原因是雙噴嘴工況單個(gè)噴嘴的進(jìn)氣速度為單噴嘴圈1氣化爐的物理模型ig 1 Physical model of gasifer的一半。圖3為2種工況下Z=0平面的速度分布。從2數學(xué)模型圖3可以看出:①2種工況下,隨著(zhù)爐內空氣向下旋2.1主要 假設[*]流,不同水平面的徑向速度梯度逐漸減小,不同水平(1)穩態(tài)工況;面靠近爐體中心相同半徑外的速度逐漸增大。原因(2)顆粒形狀均為球形;是沿壁面的中國煤化工的影響逐漸降YHCNMHG投稿平臺Http://imiy. cbpt. enki. net.●70.化學(xué)工程2015 年第43卷第9期低,而等半徑上方旋流的影響逐漸增強。②隨著(zhù)爐.內空氣向下旋流,不同水平面的平均速度逐漸降低。原因是存在流動(dòng)阻力。.0p。1.5-1.0L50.5--0.16-0.12-0.08-200 0.04 0.08 0.12 0.16(a)單噴嘴T況(b)雙噴嘴工況X/m圖4 Y=0 平面速度分布-1.0-Fig4 Veloity distribution on r =0 plane-1.5--2.0L單噴嘴切向進(jìn)氣工況008雙噴嘴中心對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況圖2 2種工況下各測量點(diǎn)的速度分布Fig2 Velocily distribution of all measure pointsin two working conditions0.120.2350.216-0.18(a)單噴嘴工況圖5 Y=0 平面湍流強度分布0.3Figs TTurbulence intensity distribution on Y =0 plane當園3.2爐內 顆粒停留時(shí)間分布特性分析顆粒停留時(shí)間反映了顆粒參與回流的程度,是影響碳轉化率的重要指標,--般由顆粒平均停留時(shí)間2和顆粒最短停留時(shí)間T進(jìn)行表征。Im 指所有人射顆粒在氣化爐內停留時(shí)間的平均值,τ指所圈3 z=0平面速度分布有人射顆粒從進(jìn)入氣化爐到開(kāi)始有顆粒離開(kāi)氣化爐Fig 3 Velocity distribution on z =0 plane的時(shí)間。圖4為2種工況下Y=0平面的速度分布。從Stokes數!反映了多相流中顆粒對流場(chǎng)的響應圖4可以看出:①2種工況下,空氣經(jīng)噴嘴入射后,程度,是顆粒馳豫時(shí)間和流場(chǎng)流動(dòng)特征時(shí)間的比值。速度迅速降低。原因是存在流動(dòng)阻力。②雙噴嘴工(1)況整個(gè)爐內氣流發(fā)生同向旋轉,形成了外圈速度大、s號(發(fā))/告內圈速度小的對稱(chēng)旋轉梯度場(chǎng)。式中:St為Stokes數;tp為顆粒弛豫時(shí)間;Tg為流場(chǎng)圖5為2種工況下Y=0平面的湍流強度分流動(dòng)特征時(shí)間;pp為顆粒密度;d,為顆粒平均直徑;布。從圖5可以看出:2種工況下,由進(jìn)口到出口,μ。為流體黏度;L為流場(chǎng)流動(dòng)特征長(cháng)度;u。為進(jìn)口湍流強度由強變弱,而后又逐漸增強。原因是隨總速度。著(zhù)爐內空氣的向下旋流,不同水平面的平均速度3.2.1不同工況對顆粒停 留時(shí)間分布的影響逐漸降低,旋流強度逐漸降低,湍流強度由強變.2種工況下,u。取6.370,8. 492, 10. 616,弱;出口處半徑逐漸減小,擾流增強,湍流強度又12.738, 14“中國煤化工s,不同u。下顆逐漸增強。粒停留時(shí)"YHCNMHG圖6可以看出:投稿平臺Http://imiy. cbpt. cnki. net鄭夢(mèng)欣等新型干煤粉氣流床氣化爐的冷 態(tài)數值模擬●71●①其他條件不變,雙噴嘴工況的t.和τ均大于單噴3.2.3顆粒密度對顆粒停留時(shí)間分布的影響嘴工況。②2種工況下,其他條件不變,隨著(zhù)u。的雙噴嘴工況下,u。取12.738 m/s,d,取10 μm,增加,m和τ逐漸降低。P,取1 200,1 300,1 400,1 500,1 600 kg/m' ,不同ρp22 r下顆粒停留時(shí)間分布如圖8所示。從圖8可以看- 單噴嘴切向進(jìn)氣工況出:其他條件不變,隨著(zhù)ρp的增加,m和τ逐漸降雙噴嘴中心對稱(chēng)切向進(jìn)氣工況8-低,與隨d,相比降幅較小。14-95.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0ug(m.s~")(a)平均停留時(shí)間6.0p一-單噴嘴切向進(jìn)氣工況 .1100 1200 1300 1400 1500 1600 1 7005.0P,/(kg.m).0圖8顆粒停留時(shí)間隨顆粒密度的變化Fig8 Efects of particle density on paricle residence time只3.0f2.03.2.4顆粒人射角度對顆粒停留時(shí)間分布的影響雙噴嘴工況下,4。取12.738 m/s,d,取10 μm,Pp取1400 kg/m' ,顆粒人射角度a取-60°, -450,u/(m.s~)-30° ,0° ,30° ,459 ,60° ,不同a下顆粒停留時(shí)間分(b)最短停留時(shí)間布如圖9所示。從圖9可以看出:其他條件不變,當圖62種工況下顆粒停留時(shí)間隨進(jìn)口總速度的變化a為正時(shí),隨著(zhù)a的增加,tm和τ逐漸增大;當a為Fig6 Efects of total inlet gas velocity on particle residence負時(shí),隨著(zhù)a的增加,tm和τ逐漸降低。time in two working conditions3.2.2顆粒平均直徑對顆粒停留時(shí)間分布的影響雙噴嘴工況下,u。取12.738 m/s,d,取10,30,50,70,90μm,不同d,下顆粒停留時(shí)間分布如圖7所示。從圖7可以看出:其他條件不變,隨著(zhù)d,的增加,tm和τ逐漸降低。-60-40-2002040 60 80圈9顆粒停 留時(shí)間隨入射角度的變化Fig.9 Efects of jet angle on particle residence time3.2.5顆粒停 留時(shí)間分布特性分析-般而言,當St
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