頂置單噴嘴氣化爐旋流場(chǎng)特征研究

2011年8月大色肥Aug.2011第34卷第4期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.34 No.4頂置單噴嘴氣化爐旋流場(chǎng)特征研究*李偉鋒,曹文廣，許建良,劉海峰(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,上海200237)劉旭軍,黃斌,王儉(神華寧夏煤業(yè)集團煤化工分公司,寧夏銀川750411)摘要:受限旋轉射流流場(chǎng)特征的研究對頂置單噴嘴氣化爐的開(kāi)發(fā)、結構優(yōu)化以及長(cháng)周期穩定運行有重要意義。本文對不同旋流數下頂置單噴嘴氣化爐內的速度場(chǎng)和停留時(shí)間分布進(jìn)行了實(shí)驗研究。結果表明:隨著(zhù)旋流數的增加,切向旋轉速度顯著(zhù)增加,氣化爐內軸向速度衰減加快,回流區減小;氣量-定時(shí),隨著(zhù)旋流數的增加,氣化爐內氣體的最短停留時(shí)間顯著(zhù)增加,停留時(shí)間標準差減小。關(guān)鍵詞:頂置單噴嘴氣化爐旋轉射流 速度場(chǎng)停留時(shí)間分布大型煤氣化技術(shù)是大宗化學(xué)品制備、液體燃對速度場(chǎng)和停留時(shí)間分布的影響。該研究結果對料合成、多聯(lián)產(chǎn)系統、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)揭示頂置單噴嘴旋流氣化爐內流場(chǎng)特征提供了重發(fā)電系統、制氫和燃料電池行業(yè)的核心技術(shù)。在眾要基礎數據，也對單噴嘴粉煤氣化爐和噴嘴的優(yōu)多氣化方式中，氣流床氣化技術(shù)具有較大的煤種化設計和長(cháng)周期穩定運行有指導意義。適應性和優(yōu)良的技術(shù)性能。代表性的有GE(Tex-aco)水煤漿氣化技術(shù)、多噴嘴對置式煤氣化技術(shù)、1實(shí)驗裝置與流程Shell和Siemens(GSP)粉煤氣化技術(shù)。單噴嘴干粉實(shí)驗所用單通道噴嘴出口內直徑ds=94mm,大氣流床煤氣化技術(shù)是目前世界上較先進(jìn)的煤氣化型冷模氣化爐裝置公稱(chēng)直徑為φ980mmx10mm,技術(shù)之一,具有流程簡(jiǎn)潔、投資節省的優(yōu)點(diǎn)。高徑比H/D=2 (H為氣化爐冷模裝置直段高度,D流場(chǎng)結構在很大程度上決定著(zhù)氣流床氣化爐為裝置公稱(chēng)直徑)。噴嘴內置螺旋葉片式旋流器,的性能，對氣化爐的流場(chǎng)和停留時(shí)間分布研究具結構如圖1所示，相關(guān)參數列于表1。旋流器的旋有重要意義。頂置單噴嘴氣流床氣化爐內的流場(chǎng)流強度用旋流數S表示2。是一種受限射流流場(chǎng),于遵宏等叫對德士古氣化爐流場(chǎng)進(jìn)行了詳盡的研究，發(fā)現這種流場(chǎng)不可避免的存在部分物料停留時(shí)間過(guò)短,發(fā)生“短路"現象,R最終導致氣化爐內碳轉化率不夠理想。對單噴嘴粉煤氣化爐而言，氣化爐內水冷壁掛渣是一個(gè)值圖1旋流器示意得關(guān)注的問(wèn)題。如果水冷壁掛渣不均勻,就會(huì )發(fā)生S=G/(G,R,)(R,為噴口半徑)(1)局部超溫,甚至發(fā)生燒蝕。在單噴嘴氣化爐中引人上式中:旋流有助于改善這兩個(gè)問(wèn)題。目前公開(kāi)發(fā)表的關(guān)C= J。(Wr)pU(2mr)dr=常 量(2)于旋流場(chǎng)的相關(guān)研究結果十分有限，因而值得進(jìn)一步深人研究。收稿日期:2| 中國煤化工1-05-06。本文以頂置單噴嘴粉煤氣化爐內流場(chǎng)為研究作者簡(jiǎn)介:教授,2008年華東理工大學(xué)化學(xué):TYHCNMHG.流體力學(xué)。聯(lián)系對象，分別測量了旋流數S=0、S=0.367和S=1.554電話(huà):021- 64251418;-mailiweif@ecust.edu.cn.o三種情況下氣化爐內流場(chǎng)特征，重點(diǎn)考察了旋流*基金項目:國家科技支撐計劃(2007BAA08B01)。.226大氛職2011年第34 卷Ro可推得旋流數的計算式為:G;=。U(ρU)2πrdr+ .p2mrdr=常量(3)s=. [1+(R,/R.)2 l(5)式中U、W和p分別是射流任意一個(gè)截面上2(1-0) tanao的軸向、 切向速度分量和靜壓力。已有的研究結果式中為考慮葉片厚度為有限值時(shí)的阻塞系表明3),葉片傾角a按下式隨半徑增大:數,定義為:tana=(r/R,)tanco(4)nb(6)2πR, COSCo表1 旋流器結構尺寸序號葉片個(gè)數n葉片厚度b/mm葉片角度 Qo旋流器半徑 R/mm旋流器軸樞半徑R/mm阻塞系數φ旋流數S旋流器1103049140.150.367旋流器220.351.554實(shí)驗流程如圖2所示:以空氣為介質(zhì),通過(guò)羅的40%左右,距離噴嘴6.5倍直徑處衰減到噴嘴出茨鼓風(fēng)機、轉子流量計計量后經(jīng)噴嘴進(jìn)入氣化爐口速度的10%左右。這是由于旋流提高了耗散率,模型。使射流衰減加快[4。電登閥0.8一s=0號o.4士s=0.367網(wǎng)瓶緩沖罐-00.0.4.。0.6.8 1.0 .(a) x=2.3d計算機.o取樣探1.2 r鼓風(fēng)機氣相色譜儀+ s=0圖2實(shí)驗流程號0.4+ . s-0.3671)氣化爐流場(chǎng)測量:實(shí)驗采用畢托管測定流場(chǎng)速度,以噴嘴出口為零點(diǎn),沿氣化爐軸線(xiàn)向下方向為正方向。x表示距零點(diǎn)的軸向距離,以u、分別0 0.2 0.4R 0.60.8 1.0表示各測量點(diǎn)的軸向速度和切向速度。b) x=4.4d2)停留時(shí)間分布測量:采用脈沖進(jìn)樣,當設備內的流體達到穩定以后，在一個(gè)極短的時(shí)間內將多o.4士S=0.367示蹤介質(zhì)H2注人進(jìn)料中,然后分析進(jìn)口流體中H2濃度隨時(shí)間的變化。實(shí)驗中采用繼電器控制精密電磁閥來(lái)控制進(jìn)樣時(shí)間，模型爐出口示蹤介質(zhì)H20 0.2 0.4mR0.的濃度由氣相色譜測定，為了提高響應的靈敏性(c) x=6.5d和操作的連續性,將色譜柱固定相移除,用數據采圖3不同截面上無(wú)因次軸向速度分布集卡采集經(jīng)電腦處理后輸出。(x=2.3d ,4.4d,6.5d)0.100.05喇2流場(chǎng)測量結果與討論噴嘴出口平均氣速U=60 m/s,旋流數S=0.367+x=14.1d一-x=20.5d-0.05時(shí),距離噴嘴分別為x=215、415和615mm的測量- +x-16.2d- _x-22.6d平面上無(wú)因次軸向速度沿徑向分布如圖3,并與中國煤化工0.91.2s=0同平面的軸向速度進(jìn)行對比。由圖3可以看DHCN MH G速度分布(s0367)出,加入旋流器后,軸線(xiàn)位置附近軸向速度衰減加IJJ.M出品面軸向速度分布如圖.快,在距離噴嘴4.4倍直徑處衰減為噴嘴出口速度4所示,可見(jiàn)軸向和切向速度分布比較均勻,呈現.第4期李偉鋒等.頂置單噴嘴氣化爐旋流場(chǎng)特征研究227相似性,這與Chigier等[5)的實(shí)驗結果一致。 無(wú)論是根據測試結果,S=0.367時(shí)爐內流場(chǎng)分區于圖受限旋轉射流還是自由旋轉射流，在距離噴嘴106(b)所示,與S=0相比,旋流的引人使得回流區范倍直徑后旋流的影響變小，剖面速度分布呈現相圍很大程度縮小，渦眼位置上移;在距噴嘴10倍似性。直徑距離內軸向速度衰減很快，逐漸轉化為徑向隨著(zhù)旋流數增加，切向旋轉速度逐漸變得顯動(dòng)量,達到充分發(fā)展區后速度沿爐高呈現相似性。著(zhù)。實(shí)驗中噴嘴出口氣速U=36m/s, 旋流數S=S=1.554時(shí)(圖6(c)),出噴嘴后的流體在強旋流作1.554。圖5顯示了各測量截面上沿徑向的無(wú)因次用下,迅速旋流擴張,由于旋轉射流卷吸產(chǎn)生負壓.切向速度分布。從圖5可以看出,切向速度由中心作用，在噴嘴中心旋流器鈍體下游形成--中心旋區域逐漸向壁面衰減;從距離噴嘴2.3倍直徑起切渦內回流區，而在旋轉射流外邊界區內，由于碰向速度在氣化爐不同高度上具有相似性，在下半壁、卷吸等作用產(chǎn)生了外回流區。部分更加明顯。0.163停留時(shí)間分布的測量結果與分析0.12圖7、圖8分別為U=36m/s、S=0時(shí)停留時(shí)間t0.08的分布密度E(t)與分布函數F(t),圖中1~4分別0.04+ -x=2.3d代表4次平行實(shí)驗。-卜x=4.4d 一-x=10.8d0.32士x=6.5d + -x=8.7d0..9 1.20.24(a) x=2.3d -10.8d0.200.18三0.16 t0.06 t +x=14.1d+x=16.21電X= 22.6d048121620.242832士x=18.4d+ -x=20.5d圖7U=36m/s.S=0時(shí)停留時(shí)間t的分布密度E(1)0.39版(b) =14.1d -22.6d圖5不同截面上無(wú)因次切向速度分布(S=1.554)基于流場(chǎng)測試結果,借鑒于遵宏等對水煤漿_0.--- 3--- 4氣化爐氣化過(guò)程三區模型的劃分方法，連接各測畝04量截面上速度為零的點(diǎn),則獲得回流邊界線(xiàn)。S=0時(shí),由于氣化爐高徑比較小,管流區不明顯,只存在射流區和回流區,如圖6(a)所示,回流區渦眼位25 303540于爐體中下部。圖8 U=36m/s .S=0時(shí)停留時(shí)間t的分布函數F(t)圖9、圖10分別為U=36m/s,加入旋流數S=1.554的旋流器時(shí)停留時(shí)間t的分布密度E (t)與分布函數F (t),圖中1~4分別代表4次平行實(shí)驗。中變快速衰減區內干Fi充分發(fā)展區射流區重返發(fā)展區人0.10中國煤化工MHN0.05YHCNMHG(a)(b(0)130圖6 S=0,0.367 和1.554時(shí)爐內流場(chǎng)分區示意圖9 U=36 m/s .S=1.554時(shí)停留時(shí)間t的分布密度E().228大氨昭2011年第34卷.0 「量,使得此部分氣體出氣化爐的時(shí)間大大延長(cháng)。.8 t90.64結論0.4 t對頂置單噴嘴氣化爐旋流場(chǎng)和停留時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗研究，考察了旋流對氣化爐內的流場(chǎng)特征的影響以及旋流數對氣化爐停留時(shí)間的影響。研510152025圖10 U=36m/s,S=1 .554時(shí)停留時(shí)間t的分布函數F(t)究結果表明:旋流氣化爐內的流體呈三維運動(dòng),即軸向速度、切向旋轉速度和法向速度,其中法向速度相對切向速度和軸向速度來(lái)說(shuō)要低一個(gè)數量1.0-20.級,可以忽略不計。隨著(zhù)旋流數的增大，軸向速度+ U=24 m/s衰減加快,軸向動(dòng)量逐漸變化為切向旋轉速度;旋.- +U=36 m/s0.42-←U=60 m/s流的引人使得回流區范圍較大程度縮小，渦眼位.2 t置上移;隨著(zhù)旋流數的增加,氣化爐內氣體的最短0.5s°1.停留時(shí)間增加,停留時(shí)間標準差均減小，無(wú)因次停圖11不同旋流數的最短停留時(shí)間tham0.95 r留時(shí)間標準差減小。本文研究結果對工業(yè)裝置的0.905- + U=24 m/s指導意義為:隨著(zhù)噴嘴旋流數的增加,氣化爐內短0.85- -U-36m/s0.80 t-★U=60 m/s路物料將會(huì )明顯減少,碳轉化率將會(huì )有所增加,也。 0.75 t0.70有利于水冷壁氣化爐壁面掛渣。當然,過(guò)大的旋流0.65 t0.60 5一方面阻力增加,另一方面容易在渣口堵渣,實(shí)際0.55應用中要通過(guò)具體分析來(lái)加以確定。0.500.52.0參考文獻圖12不同旋流 數的無(wú)因次停留時(shí)間標準差σ[1] 于遵宏 ,沈才大,王輔臣,等.水煤漿氣化爐氣化過(guò)程的三區最短停留時(shí)間(n)是指物料從進(jìn)人氣化爐到模型[J].燃料化學(xué)學(xué)報.1993, 21(1): 90-95.最早檢測到物料出氣化爐的時(shí)間，是衡量爐內停2] BeerJM, ChigierN A.燃燒空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出.版社, 1979: 105-120.留時(shí)間分布的一個(gè)重要參數,無(wú)因次停留時(shí)間標[3] Mathur M L, Maccallumn N R L. Swirling air jets ising from準差(σ)是指停留時(shí)間分布的標準差與平均值的vane swirlers. Part 1: Free jets[J]. Journal of the Institute of比值，其大小直接反應了爐內氣體的混合程度。旋Fuel. 1967, 40: 214- -225.流對最短停留時(shí)間及無(wú)因次停留時(shí)間標準差的影[4] SoRMC, Ahmed s A, Mongia H C. Jet characteristics in響如圖11和圖12所示?？梢钥闯?隨著(zhù)旋流數的confined swirling flow[J]. Experiments in Fluids. 1985, 3(4):221- 230.增加，最短停留時(shí)間明顯增加，無(wú)因次標準差減[5] Chigier N A, Beer J M. Velocity and Static-Pressure Distribu-小,氣化爐內流場(chǎng)逐漸趨于平推流,有利于爐內化tions in Swirling Air Jets Issuing from Annular and Divergent學(xué)反應的充分進(jìn)行。造成此差別的原因是由于加Nozzles[J]. Journal of Basic Engineering. Trans. ASME, 1964,旋時(shí)軸向速度衰減很快，軸向動(dòng)量轉化為切向動(dòng)86: 788-798.STUDY ON FEATURES OF SWIRLING- FLOW FIELD IN GASIFIERWITH TOP- INSTALLED SINGLE NOZZLELi Weifeng, Cao Wenguang, Xu Jianliang, Liu Haifeng(Key Laboratory of Coal Gasification Education Dept of East China University of Science and Technology,Shanghai 200237)Liu Xujun, huangbin,中國煤化工(Shenhua Ningxia Coal Industry Group Coal-ChetMYHCNMHG50411)(下轉第233頁(yè))第4期郭文元等.氣化爐拱頂耐火隔熱襯里層傳熱關(guān)鍵影響因素分析233參考文獻研究[J].化工設計,2001, 11(2):22-23,41. .1] Christopher H, Marrten B. Gasification [M]. USA: Gulf Pro-[6]尹斌華, 馬紅安，宿太超，等.高溫高壓下珍珠巖保溫性能fessional Publishing, 2003.的研究[J].超硬材料工程,2007, 19(1):10-12.[2]楊世銘,陶文銓. 傳熱學(xué)[M].北京:商等教育出版社, 1998.7] Xi-Ren Cao. Stochastic Learming and Optimization - A Sensi-3] 鄭錚，劉強.水煤漿氣化爐拱頂超溫原因探析及預防措tivity-Based Approach[M].Springer, New York, 2007.施[J]煤化工,2001,(2).55-57.[8] Gallucei, FChiaravalloti ,STosti. The ffect of mixture gas on hy-[4] 耐火材料標準匯編組.中國標準出版社第二編輯室編.耐火drogen permeation through a palladium membrane : Experimen-材料標準匯編| [M].北京:中國標準出版社,2003.tal study and theoretical approach[J].Intemational Jourmal Hy-5] 程遠貴，董岱蜂，周勇，等.耐火纖維氈的高溫導熱系數drogen Energy ,2007 ,32(12):1837-1845.ANALYSIS OF KEY INFLUENCING FACTORS ON HEAT TRANSFER OFREFRACTORY HEAT INSULATION LINING ON GASIFIER DOMEGuo Wenyuan , Wang Fuchen( East- China Universiry of Science and Technology, Shanghai 200237)Guo Wenyuan , Fei Mingian(SINOPEC Ningbo Research Institute of Technologies , Ningbo 315103)Abstract :This article , taking the actually -measured data during a typical commercialized running ofthe natural gas gasifier of a chemical fertilizer plant as a basis, has proceeded a verification of theoretical heattransfer computation for the outer wall temperature on gasifier dome by employing a heat transfer theory insteady state ,and with the sensitivity analysis of key factors in the heat transfer of dome refractory heatinsulation lining the article has indicated that the effect of Mullite bricks on the temperature of dome outerwall is the biggest and this has theoretically proved that the essential physical parameter controlling the heattransfer of refractory heat insulation lining on dome is the thermal conductivity of bricks; hence, to select anappropriate thermal conductivity of heat insulation layer in the heat transfer computation and setting -updesign of dome refractory heat insulation lining is the key in preventing the excess temperature presented ondome outer wall and thus ,a theoretical support basis has been provided for both the setting -up design andheat transfer computation of heat insulation lining on gasifier dome.Key words :gasifier ;efractory heat insulation lining;heat transfer ;thermal conductivity ;sensitivityanalysis(上接第228頁(yè))Abstract :The study on the features of a confined swirling jet flow field attaches a great importance tothe development and the structure optimization as well as a long-term stable operation of gasifier with top-installed single nozzle.An experimental study on both the speed field and residence time distribution in thegasifier at various different swirling numbers are carried out.The results show that with the increase of swirlingnumber , the tangential rotation speed increases whereas the axial speed attenuation accelerates and therecalculating zone reduces inside the gasifier. With a given gas quantity , as the increase of swirling number theshortest residence time of gas inside the gasifier increases significantly and the standard difference ofresidence time decreases.Key wordsgasifier with tpintalled single noze;swirling jet” 中國煤化re dstribution“TYHCNMH G .