單噴嘴氣化爐內稠密氣-固兩相旋流濃度場(chǎng)研究

煤炭燃燒單噴嘴氣化爐內稠密氣-固兩相旋流濃度場(chǎng)研究姚敏' ,劉萬(wàn)洲',王儉',雍曉靜'，馬銀劍' ,張建壽' ,羅春桃' ,李偉鋒2 ,劉海峰(1.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司,寧夏靈武750411;2.華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200237)摘要;旋轉射流在實(shí)際工程中應用廣泛,利用PV6D顆粒測速儀測量了旋轉射流氣化爐內顆粒的濃度場(chǎng)特性。結果表明:加旋情況下,噴嘴軸線(xiàn)處的顆粒濃度較不加旋時(shí)衰減快,在氣.化爐上部的測量截面上,顆粒濃度的徑向呈“駝峰”分布,而在氣化爐下部則分布較均勻;隨著(zhù)固氣質(zhì)量比和顆粒粒徑的減小，顆粒軸線(xiàn)的相對濃度衰減加快。關(guān)鍵詞:旋轉射流;顆粒濃度分布;氣固兩相流;PV6D顆粒測速儀中圖分類(lèi)號:TD94 ;TQ547文獻標識碼:A文章編號:1006 -6772(2011)01 -0046 -05氣固兩相射流廣泛應用于能源、化工、航空等勻。 Pan'"用Fluent對中間環(huán)隙通氣固混合物的三領(lǐng)域,對氣固兩相射流的研究,可大體分為2類(lèi)":通道噴嘴進(jìn)行了模擬,并將模擬結果與實(shí)驗結果進(jìn)研究顆粒在流體中的彌散以及顆粒對流動(dòng)的影響。行了對比,發(fā)現顆粒濃度分布受?chē)娮煨螤詈蜌怏w運顆粒的彌散直接影響著(zhù)顆粒在流場(chǎng)中的濃度分布，動(dòng)參數影響非常大。 許建良|12] 使用PV4A對相應許多研究者對氣固射流中顆粒的彌散進(jìn)行了深人工況下噴嘴軸線(xiàn)上的顆粒速度和濃度進(jìn)行測量,發(fā)的研究(2-5)?，F顆粒的相對濃度隨氣速、顆粒流量和顆粒直徑的氣固射流中的氣固同軸射流在煤氣化中應用變化規律與速度的變化規律相反。隨噴嘴交匯角較廣,如各種氣流床粉煤氣化爐都以氣固同軸射流增大,顆粒的相對濃度減小,顆粒彌散性能提高。進(jìn)料。Mostafafl用實(shí)驗和數值模擬方法對氣固同Gui(1}對中心通氣固混合物環(huán)隙通加旋氣流的同軸軸射流的開(kāi)始區和過(guò)渡區進(jìn)行了研究,認為顆粒的射流進(jìn)行了直接數值模擬,模擬發(fā)現滑移旋轉力對加入降低了氣體的湍動(dòng)程度,同時(shí)也增進(jìn)了氣體流大顆粒影響大,而滑移剪切力則對小顆粒影響大，動(dòng)的各向異性。Fan(7-8 對中心通道通固體,環(huán)隙通大顆粒在主流方向出現了所謂的“噎塞"現象,顆粒氣體的氣固同軸射流進(jìn)行研究,認為射流充分發(fā)展的運動(dòng)和脈動(dòng)以及剪應力特性強烈依賴(lài)于流體的區顆粒濃度分布和兩相的平均速度都表現出相似湍動(dòng),小顆粒進(jìn)行強螺旋運動(dòng)而大顆粒則進(jìn)行弱螺性;兩相射流的擴散比單相射流慢;外通道氣速的旋運動(dòng)甚至徑向運動(dòng)。增大強化了顆粒的彌散等。Wicker'9-10] 研究了外目前氣固射流的研究多集中在固體顆粒濃度環(huán)加旋,中心通固體的氣固兩相射流,由于外環(huán)旋較低的射流,對稠密氣固同軸射流和加旋稠密氣固流器的加入，顆粒的徑向彌散被擾亂,旋流的加入同軸射流的研究較少。 在實(shí)際的工程中，加旋稠密對顆粒的徑向彌散沒(méi)有明顯的影響,但使射流中心氣固射流的現象常有發(fā)生,特別是在粉煤氣化過(guò)程線(xiàn)附近的顆粒彌散得更好,顆粒的濃度分布更均中,粉煤從噴嘴進(jìn)人氣化爐的同軸射流的固體濃度中國煤化工收稿日期:2010- 10-09基金項目:國家科技支撐計劃項(20078AA08B01)MHCNMHG作者簡(jiǎn)介:姚敏(1965-) ,男,寧夏靈武人,高級工程師,碩士研究生,現從事煤化工工程方面工作。通訊作者:馬銀劍?！稘崈裘杭夹g(shù))2011年第17卷第1期煤炭燃燒. 中國科技核心期刊全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊J非常高,將影響到氣化的效率,氣化爐的設計等,因為81,125,159 pum。實(shí)驗中取噴嘴外通道外徑D。此對稠密氣固同軸射流的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)為流場(chǎng)特征長(cháng)度,內通道氣體射流速度u。為特征速值和應用價(jià)值。度計算Stokes數,則3種平均粒徑分別對應的Stokes數為99.3 ,236.4 ,382.5。1實(shí)驗裝置與方法1.1 實(shí)驗裝置空氣實(shí)驗裝置的主體部分是按比例對工業(yè)氣化爐進(jìn)行縮小的氣化爐模型,爐體由有機玻璃制成,高800mm,直徑φ280mmx10mm。實(shí)驗流程如圖1所示,鼓風(fēng)機產(chǎn)生的空氣經(jīng)流量計計量后從噴嘴內通道噴出。2臺由調速電機驅動(dòng)的螺旋加料機同時(shí)將玻璃微珠送人帶傾角的通道,在環(huán)隙堆積- -定高度后從噴嘴外通道均勻穩定流出。圖2實(shí)驗噴嘴結構2實(shí)驗結果與討論2.1旋流數對濃度場(chǎng)分 布的影響28實(shí)驗條件:顆粒流量m,0. 032 kg/s;氣量Q,60 m'/h;固氣質(zhì)量比m./m。為1.5;顆粒平均粒徑回豆d,81 μm。 .圍1氣固兩相流實(shí)驗流程2.1.1相對濃度軸線(xiàn)分布1-空氣壓縮機:2-閥;3- 流獻計;4-給料機;5- _噴嘴;為了研究旋流數對爐內濃度分布的影響,在其6-氣化爐;7一探針;8- -PV6D;9- -計算機它條件相同時(shí),分別對不加旋流器(S=0),加旋流實(shí)驗用中科院過(guò)程工程研究所研制的PV6D顆器1(S=0.386),加旋流器2(S=0.511)對爐內的粒測速儀測量顆粒濃度場(chǎng)。氣固兩相經(jīng)噴嘴噴出濃度進(jìn)行測量,相對濃度沿軸線(xiàn)分布結果見(jiàn)圖3。進(jìn)入爐體,連接PV6D顆粒測速儀的探針伸人爐體2+S=0.內進(jìn)行測量,測量信號經(jīng)計算機處理后輸出。以坐+5-0.386- + S-0.511 .標r表示探針測點(diǎn)距所在平面中心的距離,取中心為零點(diǎn);坐標x為測量平面距離噴嘴出口平面的距離,取噴嘴出口為零點(diǎn)。由PV6D顆粒測速儀可以0.3-得到2個(gè)不同測量點(diǎn)之間的濃度值相對大小，從而03得到顆粒濃度的相對空間分布。x/D..1.2實(shí)驗方法圈3不同旋流數下顆粒相對濃度軸線(xiàn)分布采用不同的旋流導流葉片來(lái)獲取噴嘴出口的圖3中的濃度數據均是相對濃度值:軸線(xiàn)上的旋流。實(shí)驗所用噴嘴與工業(yè)化噴嘴相似,圖2為實(shí)濃度值(C, )為各個(gè)測量點(diǎn)和距噴嘴平面9.5 cm的驗噴嘴結構,其中內通道直徑d,20 mm;外通道內徑平面中心濃度值相除所得結果;每個(gè)平面徑向上的D,24 mm;外通道外徑D.,27 mm; 環(huán)隙尺寸a,濃度值(C,)為各個(gè)測量點(diǎn)和所在平面中心的濃度1.5 mm;噴嘴交匯角ax=30° ,β=70°。實(shí)驗中用到值相除所得結果?？梢钥闯?加旋流器時(shí)的顆粒相的2種旋流器的旋流數分別為0.386和0.511,置于對河|中國煤化，工時(shí)快。但這種衰減圖2虛線(xiàn)所示位置。所用3種固體顆粒均為玻璃微MHCNMHG=0.511 比旋流數s珠,密度為2490 kg/m' ,用MASTER SIZER 2000馬=0. 580時(shí)軸線(xiàn)相對限度裝域便,這可能是由于旋流爾文激光測粒儀測量得顆粒的表面積平均粒徑D32數增大, 內回流強度增強而引起的。姚敏等:單噴嘴氣化爐內 襇密氣-固兩相旋流濃度場(chǎng)研究47煤炭燃燒2.1.2相對濃度徑向分布2.2.2相對濃度徑向分布加入旋流器后,射流中心線(xiàn)附近的顆粒彌散得不同固氣質(zhì)量比顆粒相對濃度徑向分布,如圖更好，爐內大部分區域顆粒濃度分布變得均6所示，在中心通道有旋時(shí),3種固氣質(zhì)量比下的顆勻14-15]。中心通道由直射流改為旋轉射流后,顆粒粒濃度都存在明顯的駝峰形分布,但不同的爐內表的橫向混合1能力增強,圖4為不同旋流數下顆粒相觀(guān)氣速使得這種駝峰形分布持續的軸向距離長(cháng)短對濃度徑向分布。從圖4可知，由于旋流的作用,更不一。氣固兩相射流中,氣流是固體顆粒動(dòng)量的主多的顆粒向徑向運動(dòng),增加了顆粒在爐內的停留時(shí)要來(lái)源,表觀(guān)氣速對顆粒彌散起著(zhù)相當重要的作間,加旋后壁面的相對濃度明顯高于軸線(xiàn)濃度,這用,太小的表觀(guān)氣速使-部分顆粒不能獲得足夠的樣也有利于氣化爐水冷壁的掛渣,S =0.511的旋流動(dòng)量,所以大的固氣質(zhì)量比條件下,顆粒在爐體下器對爐內濃度場(chǎng)的影響比s =0.386更明顯,在爐體部不能獲得足夠的動(dòng)量跟隨氣流旋轉運動(dòng),而小固下部壁面濃度可達到同平面中心濃度的20倍。S=氣質(zhì)量比條件下的顆粒在各截面的濃度分布更早0.386時(shí)在較短軸向距離內駝峰形分布即消失,在遠地趨于均勻。離噴嘴的地方因旋轉速度變小,射流已基本不旋◆mp/mg=1.5轉,與S=0時(shí)濃度分布相似。8甘mp/mg=!士mp/mg* 2.210+S=0一S-0.386+S=0.5I10.30.609 T:2圖6 不同固氣質(zhì)比時(shí)顆粒相對濃度徑向分布0.2.3顆粒粒徑對濃 度場(chǎng)分布的影響實(shí)驗條件:采用S為0.386旋流器,顆粒流量圖4不同旋流數下顆粒相對濃度徑向分布2.2 固氣質(zhì)量t比對濃度場(chǎng)分布的影響m, ,0.032 kg/s;氣量Q ,60 m'/h;固氣質(zhì)量比m./m,實(shí)驗條件:采用s=0.386的旋流器1,顆粒流2.3.1相對濃度軸線(xiàn)分布=1.5。量m,0.032 kg/s,顆粒平均粒徑d, ,81 pum。 .在上述實(shí)驗條件下,對顆粒平均粒徑d,分別為2.2.1相對濃度軸線(xiàn)分布在顆粒質(zhì)量流量不變的情況下，調節氣量Q=81,125,159μm時(shí)爐內的相對濃度進(jìn)行測量,相對60,50,40 m'/h,相對應固氣質(zhì)量比m./m, =1.5,濃度沿軸線(xiàn)分布如圖7所示。對于顆粒加在環(huán)形通1.8和2.2,在這3種情況下，對爐內的相對濃度進(jìn)道、中心為旋轉射流的氣固兩相同軸射流, St =99.3行測量,相對濃度沿軸線(xiàn)分布結果如圖5所示。從(d。=81 μm)的顆粒比St =236.4(d,=125 μm)和圖5中可以看出,固氣質(zhì)量比較小時(shí)顆粒的軸線(xiàn)濃St =382.5(d, = 159 μm)的軸線(xiàn)濃度衰減都快,在x度衰減較快,在固體質(zhì)量流量不變的條件下，固氣=5.7D。時(shí),d, =81 μm的顆粒濃度已衰減到x=質(zhì)量比越小,氣體出口速度越大,氣固間動(dòng)量交換3.5D時(shí)的20%,小顆粒由于較好的跟隨性,在近噴嘴區域旋轉氣流的攜帶作用下,濃度急劇衰減;而更大,彌散更快更好。1.2p1.2+d-81μmmp/m=-l.50.9甘d=l25μm，m/m-22士d=l59um0.3}中國煤化空0x/D。30MYHCNMHG圖5不同固氣質(zhì)比時(shí)顆粒相對濃度軸線(xiàn)分布圈7不同顆粒粒徑時(shí)顆粒相對濃 度軸線(xiàn)分布48《潔凈煤技術(shù))2011年第17卷第1期煤炭燃燒. 中國科技核心期刊全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊J大顆粒由于慣性大，馳豫時(shí)間長(cháng),不容易受到氣流參考文獻:的影響,離開(kāi)噴嘴后更能保持人口射流的方向,故軸線(xiàn)濃度衰減緩慢。[1] Reza Sadr ,Josejoh C. klewicki. Flow field characteristics in2.3.2相對濃度徑向分布the near field region of particle-laden coaxial jets[J]. Ex-圖8為不同顆粒粒徑時(shí)顆粒相對濃度徑向分periments in Fluids, 2005 ,39(5): 885 - 894.布。由圖8可知,3種粒徑的駝峰形分布峰值基本[2] E. K. Longmire, J. K. Eaton. Structure of a particle-laden處于同一徑向位置,但d, =81 μm的顆粒在此平面round jet [J]. Journal of Fluid Mechanics, 1992 , 236濃度分布與另2個(gè)粒徑相比顯得十分均勻,這是因(0022 -1120): 217-257.為d, =81 μm的顆粒隨氣相擴散速度比其它2種顆[3] CT. Crowe, T R. Troutt, J N Chung. Numerical Models?？?在到達x =3.5D。時(shí)顆粒的擴散混合已基本完for Two-Phase Turbulent Flows[J]. Annual Review of Flu-id Mechanics, 1996, 28(1):11 -43.成,隨后顆粒濃度不再出現明顯變化。在遠離噴嘴[4]范全林,張會(huì )強.寬粒徑分布氣粒兩相圓湍射流特性研的區域,顆粒和氣流基本處于自由旋轉狀態(tài),慣性離心力起明顯作用,顆粒被甩向壁面,在壁面附近究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，1999, 5(4): 435 -440.形成高濃度區。d, = 125 μm的顆粒由于受更強的[5] Tamburello D. A., M. Amitay. Active manipulation of aparticle-laden jet [ J ]. Intermational Journal of Multiphase離心作用和近壁回流區的卷吸作用,顆粒在壁面富Flow, 2008, 34(9): 829 -851.集致使壁面濃度較高,越是向下,顆粒在壁面的濃[6] Mostafa A . A. ,Mongia HC. ,MeDonell V.C. ,et al. Evo-度富集現象越明顯。因此出現了d, =125 μm的顆lution of particle-laden jet flows-A theretical and experi-粒在氣化爐模型內壁面最高濃度達到同平面中心mental study[J]. AIAA Joumal, 1989, 27(2): 167-183.濃度30倍的現象。對于d, = 159 μm的大顆粒因其[7] J. Fan, H. Zhao, K .Cen. An experimental study of two-慣性作用較強,幾乎不能“感受"氣相湍流脈動(dòng)phase tubulent coaxial jets[J]. Experiments in Fluids,作用。1992, 13(4): 279 -287.+ d;=81μm[8] FanJ, H Zhao, J Jin. Two-phase velocity measurements in母do= 125μm6particle-laden coaxial jets[J]. The Chemical Engineering士d=159umJoumal and the Biochemnical Engineering Journal, 1996，63(1): 11-17.25/[9] Ryan B. Wicker, John K Eaton. Efeet of injected longiu-09 T2dinal vorticity on particle dispersion in a swirling, coaxialjet[J]. Jourmal of Fluids Engineering Transactions of theAsme, 1999 ,121(4): 766 -773.圖8不同顆粒粒徑時(shí)顆粒相對濃度徑向分布[10] RB Wicker, J K Eaton. Stucture of a swirling, reircu-3結論ating coaxial free jet and its efect on particle motion[J].Intemational Joumal of Muliphase Flow, 2001 ,27(6):(1)環(huán)形通道通顆粒中心氣體為直射流的同軸949 -970.射流,比單通道氣固兩相流的顆粒濃度沿軸線(xiàn)衰減快;近噴嘴的平面顆粒濃度分布較均勻;離開(kāi)初始[11] Pan H,Todd 8, Yoqesh D. T,et al. The Investigaion ofGravity-Driven Metal Powder Flow in Coaxial Nozzle for段后,顆粒在各種力的綜合作用下,逐漸偏向壁面。Laser- Aided Direct Metal Deposition Process[J]. Joumal(2)在氣化爐模型上部空間的測量截面呈現駝of Manufacturing Science and Engineering, 2006, 128峰形分布;而在氣化爐下部,各截面在距中心大部(2): 541 -553.分區域內濃度比較均勻,只在近壁面處濃度變大。[12]許建良.氣流床氣化爐內多相湍流反應流動(dòng)的實(shí)驗研(3)加旋流器時(shí)的顆粒濃度軸線(xiàn)衰減比不加旋中國煤化工理工大學(xué)，2009流器快,固氣質(zhì)量比的減小和顆粒粒徑的減小都使statistics in a gas-golid顆粒的軸線(xiàn)濃度衰減變快。CNMH GJjirect numerical simula-YHtion[ J]. Intemational Journal of Mutiphase Flow, 2010,姚敏等:單噴嘴氣化爐內稠密氣 -固兩相旋流依度場(chǎng)研究煤炭燃燒36(3): 234 -243.[1S]于遵宏，于建國,沈才大,等.德士古氣化爐氣化過(guò)程[14]陳永斌,徐益謙.氣固受限同軸射流顆粒彌散的實(shí)驗剖析I:冷態(tài)速度分布測試[J].大氮肥.1994,17(1):研究[J].工程熱物理學(xué)報, 1993, 14(1): 102 - 105.46 -49.Study on two-dimensional dense gas -solid flow swirlingparticle concentration field in gasifier with single nozzleYAO Min' , LU Wan-zhou' ，WANG Jjian' ,YONG Xiao-jing' ,MA Yn-jian' ,ZHANG Jjian-shou' , LUO Chun-tao' ,LI Wei-feng2 , LU Hai-feng2(1. Shenghua Ningxia Coal Group Cool Chemistry Industry Co. ,Led. , Lngu 750411 ,China;2. Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education ,East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)Abstract :Swirling jets is widely used in engineering, the characteristics of particle concentration field in swirlingjets gasifier is investigated by PV6D. The results show that the particle concentration in jet axis decays faster inswirling jet than in normal jet, and the particle concentration distribution is a hump shape in the upper part of gasi-fier, while particle distribute homogeneously in the opposite position. With the decrease of solid-gas ratio and parti-cle diameter, the decay speed of the axial distribution of particle concentration accelerates.Key words: swirling jet; particle concentration dstribution; gas-solid two-phase flow; PV6D particle velocity ana-lyzer(上接第40頁(yè))Study on characteristics of complex alkali humic acid as a binder of coal briquetteZHANG Zhao, ZHOU Xia-ping, WANG Jie(School of Resouree and Encironnental Enginering, East China Uniersity of Science and Technology, Shanghai 200237 ,China)Abstract: Humic acid was extracted from Yunnan lignite, which is widely used as a binder of coal briquette. Thestudy is focused on the influence of mass ratio of coal to alkali and different alkali additives such as NaOH,Na,P2O,Na2CO3 and K2CO3 on the extraction rate of humic acid. The results show that only using Na0H as an al-kali, the humic acid binder could be prepared fficienly under the condition that the coal NaOH ratios are from10: 1 tol2: 1. Compared with only using NaOH, the use of Na,P20, and Na2CO3 which partly replaced NaOH couldenhance the extraction rate of humie acid by 18. 4% and viscosity of binder by 30% , and save the cost by 2. 6% .The gasifcation performance of humic potassium briquette is greater than humic sodium briquette ，fall strength ofwhich are almost same.Key words: briquette; humic acid binder; lignite; gasification中國煤化工ngthYHCNMHG50《潔凈煤技術(shù))2011年第17卷第1期