旋流在氣流床氣化爐中的應用

第43卷第4期化學(xué)工程Vol. 43 No.42015 年4月CHEMICAL ENCINEERING( CHINA)Apr. 2015旋流在氣流床氣化爐中的應用畢大鵬，管清亮，玄偉偉，張建勝(清華大學(xué)熱能工程系熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100084)摘要:在氣流床氣化爐內高溫高壓的環(huán)境下,氣固混合是影響氣化爐效率的重要因素,而旋流在強化氣固混合方面已在燃燒中得到廣泛使用，文中綜述了旋流在氣流床氣化爐中的應用。首先介紹了旋流的數學(xué)描述,包括旋流的概念,旋流N-S方程的表示方法以及其解析解,旋流的解析解均是在一定假設前提下得到的，具有一定的局限性;其次,介紹了旋流的特性和生成方式，主要通過(guò)切向人口旋流葉片和機械旋轉引入旋流;然后介紹了旋流在氣化爐中的應用,包括噴嘴旋流和爐膛旋流2種,并結合具體結構展示了旋流的作用，主要有增強混合和便于排渣;最后對旋流在氣化爐中的應用進(jìn)行了總結和展望。關(guān)鍵詞:旋流;氣流床氣化爐;煤氣化;噴嘴;爐膛中圖分類(lèi)號:TQ 54文獻標識碼:A文章編號1005-954(2015)04-004506DOI: 10.3969/j issn. 1005-9954. 2015. 04. 010Swirling flow and its application in entrained flow gasifierBI Da-peng, GUAN Qing-liang, XUAN Wei-wei, ZHANG Jian-sheng( Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Department ofThermal Engineering ,Tsinghua University , Beijing 100084 , China)Abstract:The gas-solid mixing is crucial to improving the efficiency of the gasifier in an atmosphere of highpressure and temperature. This paper reviewed the swirling flow and its application in entrained flow coal gasifier.First, the mathematical description of swirling flow was introduced ，including the conception of swirling flow, theexpression of N-S equations of swirling flow and its analytical solutions. Most of the theoretical solutions are basedon some simplification and assumptions, so they can only reflect some aspects of the swirling flow. Secondly, thecharacteristics and form of generating the swirling flow were shown. The swirling flow can be divided into differentpatterns according to its swirling number. Generally ，tangential inlet, swirler and mechanical rotator are used toproduce swirling flow. Then, the applications of swirling flow on gasifer were demonstrated by actual structure,including the nozzle with swirling effect and the gasifier chamber with swirling flow. In the industrial application,the swirling flow can enhance gas-solid mixing and be beneficial to slagging on the wall. Finally , some problems inthe current design , range of application and the development trends were proposed.Key words:swirling flow ; entrained flow gasifier; coal gasification; nozzle; chamber旋流是自然界普遍存在的運動(dòng)",也在工業(yè)燃前景,近年來(lái)得到較快發(fā)展。氣流床氣化技術(shù)的關(guān)燒器中廣泛應用,目的是增強燃料和氧化劑混合、鍵在于燃料與氧化劑的快速混合,為反應提供良好提高燃燒效率、降低污染排放等。氣流床氣化技術(shù)的條件。為了達到這一目的,不同的氣化技術(shù)采用廣泛應用于合成氨、甲醇等大宗化學(xué)品的制備,并不同的方案。GE采用三通道、單噴嘴高速受限同在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電領(lǐng)域展現良好的應用軸射流,利用氣流與水煤漿的高速剪切使水煤漿快收稿日期: 2014-09-23基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助課題(2011AA05A201)作者簡(jiǎn)介:畢大鵬(1986-), 男，博士研究生,研究方向為煤氣化數值模擬，E-mail: bdpl0@ mails. tsinghua. edu. cn;張建勝,通信聯(lián)系人，E-mail: zhang-jsh@ tsinghua. edu. cn?！?6●化學(xué)工程2015 年第43卷第4期速霧化;多噴嘴氣化爐采用撞擊流強化氣-固間的傳提供一定的指導。熱傳質(zhì);而MHI和航天爐則采用旋流的方式強化氣1旋流的數學(xué)描述固混合。不論在各種燃燒器或氣化爐中,其反應腔1.1旋流流動(dòng)的 N-S方程內溫度均較高,因此充分的混合是反應完全的前為了對旋流流動(dòng)建立完整的數學(xué)描述,必須根提。鑒于旋流在燃燒中的廣泛應用,旋流在氣流床據旋流的特點(diǎn)在N-S方程的基礎上進(jìn)行一定的假氣化爐中也能找到廣闊的市場(chǎng)。本文力圖對于目設 ,通常假設旋流流動(dòng)是軸對稱(chēng)的?；谝陨系目记靶髟跉饣癄t中的應用進(jìn)行概述,并提出旋流式慮, 柱坐標(r,0,z)下的動(dòng)量方程、連續性方程和熱氣化爐設計的主要原則,為旋流在氣化爐中的應用傳導方程為au,+u山+ au._ "1 p,atar2a2)(1)dug,,dueaue + u,ug18ug. 1 dug_ u。。u)\(2)3t’Arzu+u u+u auot"'ar"aaz(3)1a(nu,) +(4)(8+u, +u, 0)r + aT.n,=小(二+L旦+馬r(5)”anz'z“( arr ara式中:n,, uo, u.分別為徑向、切向和軸向速度,p,T。12p為環(huán)境密度和溫度,T'為相對環(huán)境溫度的變化值,1.0}v ,k分別為黏度系數和熱擴散系數。1.2 N-S 方程的理論解0.為獲得旋流流動(dòng)N-S方程的理論解,需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。 本部分的例子,均是在對N-S方程進(jìn)行一定簡(jiǎn)化得到的解析解或近似解,它們是進(jìn)一步°2431012研究復雜旋流流動(dòng)的基礎;同時(shí)又為檢驗各種數值圖1蘭金渦速度分布方法的可靠性提供了依據。Fig. 1 Velocity distribution of Rankine vortex1.2.1蘭金渦蘭金在假設流體是均質(zhì)的、只有切向速度和的1.2.2奧森渦條件下提出了最簡(jiǎn)單的理論解:若考慮渦量擴散和能量耗散這些黏性效應,如果不向旋流中補充能量,其定常態(tài)是不能維持的，up=(6)這時(shí)就要放棄定常流動(dòng)的假設。奧森渦就是考慮黏性擴散效應的非定常、平面軸對稱(chēng)渦旋精確解，上2元r≥rc是奧森于1912年提出的,其表達式為式中:r。為渦核半徑,T為速度環(huán)量。蘭金渦的速度uo=-1-()](7)分布見(jiàn)圖1。蘭金渦實(shí)際上是將自由渦和強制渦結合,消除式中::為時(shí)間。當不考慮黏性時(shí),奧森渦自動(dòng)退化為自由渦,奧森渦的速度分布見(jiàn)圖2。了自由渦在r=0出現的不合理的無(wú)窮大速度。蘭奧森渦考慮了黏性的效果,消除了蘭金渦在渦金渦是N-S方程的一個(gè)精確解，但它本質(zhì)上是一個(gè)核邊界速度不光滑的特點(diǎn),更接近真實(shí)的物理情無(wú)粘渦旋模型。況。但它只是二維不可壓縮旋流精確解的--種理十十投稿平臺Http://imiy. cbpt. cnki.net +- +-.畢大鵬等旋流在氣流床氣化爐中的應用.47●想模型,在實(shí)際中,還需要考慮軸向流動(dòng)。常以是否形成內回流區分為高旋流和低旋流。在氣化爐中流場(chǎng)應滿(mǎn)足顆粒停留時(shí)間長(cháng)、回流區強烈、溫度均勻等特點(diǎn)。在應用旋流流動(dòng)時(shí),應根據.不同旋流強度的特點(diǎn)，結合氣化爐爐體結構、型式、自10噴嘴數量及布置等因素詳細考慮。在旋流流動(dòng)中，流體內外壓差提供了旋流的)5 7向心加速度,造成了旋流流動(dòng)的軸線(xiàn)壓力低于環(huán)“0境壓力,圖4是旋流數為0.6時(shí)旋流器出口不同軸向位置的靜壓徑向分布(3],可以看出軸向距離圈2奧森渦速度分布為10 d(d為噴嘴直徑)左右射流中心壓力才恢復;Fig.2 Velouity distibution of Oseen vortex到環(huán)境壓力。而隨著(zhù)旋流強度的變化,軸向速度的徑向分布由單峰的高斯型轉為雙峰的馬鞍1.2.3伯格斯-羅 特渦[2)形[4),甚至出現中心回流區。同時(shí)由于流動(dòng)中加伯格斯-羅特渦最大的改進(jìn)是考慮了軸向的拉人了切向速度,使得主流體與環(huán)境流體的混合作伸作用,相對于蘭金渦，它引入了軸向、徑向速度:用加強,射流的橫向擴展大大強化,為湍流氣相反應提供了良好的條件。u,=-ar, u.=z2i[1-exp(-吃)],4, =20a(8)式中:a=常數>0,表示吸人強度。伯格斯渦速度分布見(jiàn)圖3。0t曼-100- --01-150-2-2505-03-01010305r/m圈4不同軸向位靜壓的徑向分布Fig. 4 Radial distibution of pressure on varous posin2.2旋流流動(dòng)的生成方法團3伯格斯-羅特渦速度分布Fig.3 Velocity distribution of Burgers-Rott vortex在流動(dòng)中引人旋流主要有3種方法:一是切向人口,流體經(jīng)過(guò)沿圓周均布的多個(gè)人口進(jìn)人圓形伯格斯渦計人了旋流中的三維效應,較好地反通道形成強烈旋轉,如旋風(fēng)分離器、渦流管等;二應某些旋流流動(dòng)的主要特征,它的不足之處是在原是旋流葉片,可以采用軸向和徑向旋流葉片，軸向點(diǎn)處出現駐點(diǎn),且當r→∞和z-→∞時(shí),u,-→∞和旋流葉片安裝在流道中并與管道軸線(xiàn)呈一定角度,當流體流過(guò)時(shí)會(huì )在導向葉片的作用下產(chǎn)生切u,→∞,這些從物理上看是不真實(shí)的。N-S方程的精確解可以讓我們對各種渦旋有全向速度,而徑向旋流葉片- -般安裝在噴嘴出口附面的物理上的認識,也可以對各種近似方法進(jìn)行準近,其旋流產(chǎn)生原理類(lèi)似切向人口方式,這一類(lèi)裝:置廣泛用于煤粉燃燒器、燃氣輪機燃燒室中;另確性測試，是研究旋流流動(dòng)的理論基礎。外,還可以采用機械旋轉的形式產(chǎn)生旋流，其原理是采用外力強制流體旋轉,如攪拌槽等。不同旋2旋流流動(dòng)的特 點(diǎn)及生成方法流生成方式有其特定的適用范圍,在工業(yè)燃燒器2.1旋流流動(dòng)的特點(diǎn)以及燃氣輪機中主要采用第2種方式，氣化爐中旋流是在常規流動(dòng)中引入了切向速度,由于切的噴嘴與大多數工業(yè)燃燒器噴嘴并無(wú)太大區別，向速度的引入，流體流動(dòng)特性均發(fā)生較大變化。通產(chǎn)生旋流主要以第2種方式為主。投稿平臺Htp://imiy. cbp. cnki. net●48.化學(xué)工程2015 年第43卷第4期3旋流在氣化爐中的應用空氣顆料不同學(xué)者通過(guò)在氣流床氣化爐中引人旋流,取得了良好效果。根據引入位置不同，可分為噴嘴和爐內旋流2種，下面就分別介紹2種方式在氣化爐中的應用。-旋流片3.1噴嘴 旋流在氣化爐噴嘴中引入旋流的作用主要有4點(diǎn):第一,強化氣化劑與煤粉混合，提高合成氣產(chǎn)率及碳轉化率;第二,產(chǎn)生的高溫合成氣回流,對進(jìn)入氣圄5單旋流噴嘴化爐的燃料和氣化劑進(jìn)行預熱，穩定著(zhù)火;第三,將Fig.5 Single channel swirler顆粒運動(dòng)軌跡由直線(xiàn)變?yōu)樾D運動(dòng),提高顆粒停留時(shí)間;另外,旋流使軸線(xiàn)速度衰減更快,可以據此降水煤漿一氧化劑.-氧化劑低爐膛長(cháng)徑比,減少投資。有很多學(xué)者研究了噴嘴旋流對氣化爐內宏觀(guān)混合過(guò)程的影響,王輔臣等[5]采用帶葉片的旋流噴嘴,通過(guò)改變葉片角度而且產(chǎn)生不同強度的旋流，發(fā)現旋流可以顯著(zhù)改善氣化爐內的混合過(guò)程;姚敏等(0]利用PV6D顆粒測速儀測量了旋流和非旋流情況下氣化爐內顆粒的濃度分布,發(fā)現加旋流時(shí)顆粒濃度沿著(zhù)軸線(xiàn)的衰減更快,顆粒濃度分布更均勻;有學(xué)者將旋流引入了煤粉氣化中(71 ,通過(guò)考察一二圈6雙旋流水煤漿噴嘴次風(fēng)旋流方向和強度對于煤粉氣化的影響,得到強Fig.6 Double channel swirler of watler-coal-slury弱一次風(fēng)旋流條件下的火焰穩定性特點(diǎn)。旋流噴嘴主要有2種形式:單通道和雙通道旋煤粉一流。所謂單通道旋流一般將旋流通道布置在燃燒器中心,作為氣化劑通道,而燃料則布置于與中心通道同軸的環(huán)形通道。而雙通道旋流則是在燃料氧化劑-通道的內外層分別設置氧化劑旋流通道,通過(guò)2股旋流的強烈剪切作用強化與燃料的混合。對于單通道旋流,圖5所示噴嘴[8]采用旋流葉片產(chǎn)生中心-.旋流器通道旋流以強化氣化劑與煤粉的混合,同樣可采用帶轉動(dòng)的渦流生成器在氣化劑通道中產(chǎn)生旋流或通過(guò)設置反向螺旋狀肋片以形成中心通道旋轉[9] ;幾對于雙通道旋流,文獻[ 11-12]采用中心和外環(huán)通道雙旋流(圖6),以提高碳轉化率、縮短火焰長(cháng)度,但由于燃料選用水煤漿,可能造成霧化效果不足，同圍7旋流氣化爐Fig.7 Swirling with gasifer樣可用旋流片131或螺線(xiàn)管[41對煤粉加旋,形成燃料和氣化劑雙旋流,另外,還可以通過(guò)多個(gè)旋流噴綜上可見(jiàn),對于氣化爐的噴嘴采用旋流可以采嘴形成整體旋流,如圖7所示的氣化爐中在頂部對用多種方式,在采用旋流時(shí)主要有以下幾個(gè)原則:稱(chēng)方式布置8個(gè)旋流噴嘴[15] ,使部分氧化劑與煤粉為獲得較強旋流,旋流器盡量設置于出口附近;旋充分混合,并在噴嘴底部設置二次氧化劑人口,進(jìn)-步強化混合,該噴嘴已經(jīng)完成中試試驗,并展現流的射流方式主要應用于煤粉的噴人，旋流對于水出良好的性能[6。煤漿的霧化效果不如對煤粉的混合效果好;在燃料投稿平臺Htp://imiy. cbpt. cnki. net畢大鵬等旋流在氣流床氣化爐中的應用49.通道內側設置旋流裝置優(yōu)于通道外側，以便于燃料的徑向彌散。>行3.2爐內旋流空氣人口空氣噴嘴很多學(xué)者在氣化爐的體中引人旋流,并與噴嘴旋流互相配合,其主要作用一是避免合 成氣與爐墻直接接觸，保護爐墻,另外，可以將熔渣甩至壁面，對集中排渣有-定作用。圖8所示的專(zhuān)利采用切向布置的噴嘴將煤粉及氧化劑噴人氣化室7],造成氣化室側壁壓力高于中心壓力,通過(guò)煤渣冷卻室與氣化室中心的壓差,使高溫煙氣攜帶的液態(tài)熔渣經(jīng)渣圈9組合旋流氣化爐孔進(jìn)人煤渣冷卻室,從而完成結渣過(guò)程;有學(xué)者將Fig. 9 Combined swirling gasifer在氣化室的周?chē)贾铆h(huán)形的空氣通道,如圖9所示['8] ,通過(guò)頂部旋轉排列的18個(gè)噴嘴噴人空氣,一點(diǎn)火噴嘴室方面減少了氣化爐的散熱,降低了外壁面溫度,另一方面使火焰更集中,避免高溫火焰與壁面直接接觸,提高了耐火磚的壽命;利用氣化爐內旋流,有學(xué)5工藝噴嘯.者提出了旋流氣流床的概念[19] ,煤粉和氧化劑經(jīng)過(guò)置于氣化室側壁的噴嘴噴出,在氣化室內形成旋轉5二次氧噴嘴流動(dòng),有效地增加了煤粉的停留時(shí)間，提高氣化效率;圖10則提出了一種多噴嘴分級給氧旋流氣流床氣化爐[2] ,部分氧氣和燃料從爐體上部工藝噴嘴噴人氣化室,剩余氧氣通過(guò)爐體下部的二次氧噴嘴噴人氣化室,工藝噴嘴和二次氧噴嘴均按照--定角度圈10分級旋流氣化爐布置;圖11所示的專(zhuān)利則將頂部噴嘴旋流與氣化爐rig. 10 Staged swiring gasifer內旋流結合[21] ,采用噴嘴旋流使燃料與氧化劑快速氧化劑混合,同時(shí)在氣化室側壁安裝多層四角切圓式二次氧噴嘴,使煤顆粒甩至氣化室內壁發(fā)生膜式氣化，水媒漿一門(mén)提高了碳轉化率。通過(guò)對旋流在氣化爐中應用的整理可以發(fā)現,無(wú)論在氣化爐噴嘴還是氣化室中引人旋流均可以氧化劑一-←氧化劑對氣化爐的運行起到一定的積極作用，但不同形式的氣化爐在采用旋流時(shí)應注意噴嘴與爐體結構以及與冷卻系統的匹配。]粗煤氣噴嘴、清孔灰清圈11旋風(fēng)氣流床氣化爐煤渣冷卻室-氣體返回孔Fig. 11 Entrained flow gasifier with swirling4結論圖8整體旋流氣化爐旋流由于其流場(chǎng)獨有的特點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域得到Fig8 Overall swirling gasifier廣泛應用,旋流不僅得到工程師的關(guān)注,近年來(lái)越投稿平臺Htp://i cbpt. cnki. net ++.●50●化學(xué)工程2015 年第43卷第4期來(lái)越獲得氣象學(xué)家、數學(xué)家、物理學(xué)家等的重視,不process[ J]. International Journal of Energy Research,僅受到環(huán)境、災害等傳統領(lǐng)域的驅動(dòng),也催生了能2001, 25(13); 1151-1 163.源航空航天、機械動(dòng)力等方面的學(xué)科交叉。人們[8] 李偉鋒，曹文廣，許建良，等.頂置單噴嘴氣化爐旋流場(chǎng)特征研究[J].大氦肥，2011, 34(4): 225 228.-方面采用合理手段減少其產(chǎn)生的危害,另一方面[9]沈政憲, 焦鴻文,陳威丞.氣化爐噴嘴:中國，1814355A利用其特性服務(wù)于人類(lèi),這些都為旋流的研究注人[P]. 2006-08-09.了強大的活力。[10] ESSENJS, DOHREN H, GLADBACH M. Coal gasifica-本文通過(guò)分析旋流流動(dòng)的N-S方程,介紹了多個(gè)tion reactor: US, 4352675[P]. 1982-10-05.旋流流動(dòng)的理論解,如蘭金渦、奧森渦伯格斯-羅特[11] 于遵宏，龔欣，王輔臣，等，帶有旋流器的三通道組渦等;并介紹了旋流流動(dòng)的特點(diǎn)以及生成方法;主要合式水煤漿氣化噴嘴:中國，1125163A[P].1996.-對氣化爐噴嘴旋流以及氣化室內旋流的應用進(jìn)行了06-26.整理,力圖使讀者對旋流有一個(gè)基本的認識。由于中[12] 唐煜，朱平，王家信，等.一種用于水煤漿氣化的工國特有的能源結構,氣流床煤氣化在中國具有廣闊的藝燒嘴及系統及其應用:中國，102031152A[P].2011-10-13.市場(chǎng)，各種氣化技術(shù)也層出不窮,旋流作為在燃煤鍋[13]王明坤，郭進(jìn)軍,劉孝弟.可燃粉體旋流組合燃燒器:爐、燃氣輪機等燃燒器中的廣泛應用的手段,也- -定中國，1702375A[P]. 2005-11-30.會(huì )在中國煤氣化技術(shù)領(lǐng)域得到有效利用。[14] BRENT A, MARION C P, RICHTER G N. 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