煤粉氣化爐 CFD 計算分析及優(yōu)化

L 科技創(chuàng )新與應用l 2013年第19期科技創(chuàng )新煤粉氣化爐CFD計算分析及優(yōu)化王洋王美巧李志軍(鄭州鍋爐股份有限公司,河南鄭州450001 )摘要:為 了證實(shí)哪種爐型煤粉氣化爐更具有合理性,本文利用數值模擬方法,對爐內氣化過(guò)程進(jìn)行研究。結果表明,爐型2結構相對于爐型1結構能夠使爐內溫度場(chǎng)、流場(chǎng)均勻,煤粉氣化劑垂直噴入爐內,避免如爐型1沖刷一側爐壁的情況。爐內溫度梯度顯著(zhù)降低,平均溫度水平上升,爐膛中心湍流強烈,使得氣化強度增強,避免了高溫噴射火舌和局部超高溫區的出現,降低了對爐壁材料的要求,有利于水冷壁的保護。因此爐型2是結構設計的首要選擇。數值模擬方法為進(jìn)一步的設計提供了理論依據。關(guān)鍵詞:煤粉氣化爐;燃燒;數值模擬;溫度場(chǎng);流場(chǎng)引言作為能源領(lǐng)域發(fā)展的重要方向和優(yōu)先主題之一的煤炭氣化技術(shù),具有原料消耗低，碳轉化率高,熱效率高,煤種適應性強等優(yōu)勢,煤粉氣化爐就成為煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭,近年來(lái)倍受用戶(hù)青睞,在工業(yè)鍋爐行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。本文主要通過(guò)某設計院正在設計 當中的兩種模型煤粉氣化爐進(jìn)行溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數值模擬結果,來(lái)分析氣化爐運行狀況以及其合理性，為進(jìn)一步設計和安全生產(chǎn)提供參考。1研究對象及其數值模擬1.1物理模型本文進(jìn)行數值模擬的物理爐型為兩種進(jìn)行簡(jiǎn)化處理的煤粉氣化爐,兩種模型煤粉氣化爐結構圖如圖爐型1和爐型2,高度均為15m,直徑5m,將爐膛上端的圓角部分簡(jiǎn)化為圓柱結構，下端部分則簡(jiǎn)化為倒圖1速度分布圖圖2溫度分布圖.置圓臺結構,煤粉氣化劑通過(guò)同-噴嘴噴人爐內,兩種爐子的不同之處在于,一-種生成的合成氣和液渣向爐子一側排出 ,而另一種煤粉氣化爐生成的合成氣和液渣向爐子下方排出。氣化劑采用純氧和水蒸汽。本模型忽略水冷壁蒸發(fā)對傳熱過(guò)程的影響。1.2網(wǎng)格劃分、邊界條件及計算方法采用以結構網(wǎng)格為主的六面體網(wǎng)格對爐體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最終采用約2萬(wàn)網(wǎng)格數目進(jìn)行計算域網(wǎng)格劃分。氣化劑入口選用速度入口;出口邊界條件選擇壓力出口。為了避免偽擴散的產(chǎn)生,利用QUICK格式進(jìn)行方程的離散,并采用SIMPLEC算法求解。采用無(wú)滑移壁面,固定外壁溫度,計算穩定后根據爐內溫度場(chǎng)進(jìn)行校正。迭代計算中,壓力、動(dòng)量松弛因子取0.3,離散顆粒源相松弛因子取0.6,其余松弛因子取0.85或09,每迭代200步后控制方程進(jìn)行一次顆粒軌道計算以修正計算結果。圖3速度分布圖圖4溫度分布圖圖5湍動(dòng)能分布圖圖6各截面速度分布圖圖7各截面溫度分布圖對于爐型2的計算結果,由圖3-5可以看出,煙氣由爐膛正下方出口引出,火焰形狀規則,爐膛四周速度均勻,煙氣對爐壁的沖刷很小。溫TYH度由中心火焰向周?chē)荻冗f減,到達爐壁的溫度值最小，能夠很好的保護水冷壁,爐膛中心湍動(dòng)能出現兩個(gè)高渦旋區日,能夠充分的將氣流混合,有利于爐膛的化學(xué)反應與燃燒。圖6,圖7能清晰的反映出沿爐膛縱向各個(gè)不同高度的速度值和溫度值。在y=13.5m(爐膛進(jìn)口)附近,速度值最大，之后速度值向四周遞減。由于爐膛進(jìn)出口壓差的存在，在y2.5m處的速度值明顯變大,高于爐壁速度值。爐膛溫度在y= 2.5m和y=爐型1爐型22計算結果及討論4.5m處壁面溫度高于其它高度壁面溫度是因為爐膛截面的縮小，所以2.1爐型1的計算結果及分析在這-區域應注意水冷壁的保護。對于爐型I的計算結果，由圖1和圖2可以看出因煙氣出口在爐綜合比較爐型 !與爐型2,爐型2對于水冷壁的保護優(yōu)于爐型1,一側,火焰形狀發(fā)生偏轉,從入口而來(lái)的射流偏向一 一側沖刷爐壁,速 更經(jīng)濟更安全。在設計時(shí)應優(yōu)先選擇爐型2。度值達到33/s,火焰兩側因形成漩渦,速度值最小?；鹧娴闹行臏囟却蠹s本文模擬煤粉氣化爐內多相流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等,模擬結果和實(shí)際試3結束語(yǔ)為1799K,沖向爐壁的火焰溫度約為1640K,遠高于設計的水冷壁壁溫驗結果基本吻合，驗723K,其它區域的火焰溫度則逐漸減小。由于煙氣長(cháng)期的高速沖刷加之高溫勢必造成對- -側水冷璧管子積灰結渣而形成渣堵,發(fā)生爆管事故對兩種爐型模中國煤化工進(jìn)-步證實(shí)了爐型2可能性加大,不利于鍋爐安全運行。如果加高爐膛高度,則浪費材料和結構相對于爐型1MHC N M H G勻.煤粉氣化劑垂直噴人爐內,避免如處戶(hù)內溫度梯度顯著(zhù)降加大生產(chǎn)成本,既不經(jīng)濟也不安全。22爐型2的計算結果及分析低,平均溫度水平上升,爐膛中心湍流強烈,使得氣化強度增強,避免了- 74-科技創(chuàng )新2013年第19期| 科技創(chuàng )新與應用|既有建筑混凝士中氯離子含量的檢測方法分析黃艷艷(廣西保利環(huán)境監測有限公司,廣西柳州545006)摘要:在我國一些沿海地區,由于河砂比較缺乏,經(jīng)常會(huì )出現海砂在沒(méi)有經(jīng)過(guò)相應的處理之后就拌入混凝土的情況，這就對當地鋼筋混凝土結構建筑的安全和耐久性造成威脅。對于既有建筑摻入過(guò)量氣離子的鋼筋混凝土結構,如何盡早發(fā)現并進(jìn)行處理,這是許多人都關(guān)心的問(wèn)題。因此, 我們總結了一些既有建筑混凝土中氯離子含量的檢測方法。關(guān)鍵詞:混凝土;氯離子;含量檢測;方法在混凝:土被廣泛應用的今天，有許多的鋼筋混凝土結構由于各種濃度 會(huì )連續變化,而往往會(huì )變化n個(gè)數量級,從而引起電位的突躍,在原因,沒(méi)能達到預期的使用年限期間就提前失效了。而據統計,這其中此方法中 ,被測成分的氯離子含量是通過(guò)消耗的硝酸銀量來(lái)計算的。有大部分是因為混凝土結構的耐久性不夠而引起的。據有關(guān)資料顯示,2.1.3 離子色譜法在我國,混凝體結構耐久性不足的問(wèn)題非常嚴重。而對于近?；蛘呤茄貙τ诠腆w試驗樣本,采用氫氧化鉀溶解,并用硝酸脫樣,然后調節海地區來(lái)說(shuō)，混凝土耐久性不足的主要原因是混凝土中氯離子的含量水溶液樣品的酸堿度 ,在PH=7的時(shí)候,也就是酸堿為中性的時(shí)候,進(jìn)人過(guò)高。引起這種現象的原因-方面是海洋中氯離子以海霧和海水的形色譜柱進(jìn)行分離檢測 .進(jìn)行分離定量。式深入到混凝土中，另- -方面是在拌制混凝土的時(shí)候摻人了海砂或者離子色譜法可以同時(shí)檢測水溶液樣品中的多種離子，其操作比較海水。第一種情況主要發(fā)生在碼頭、海港以及位于海邊的一些建筑物簡(jiǎn)便 ,具有高分辨率、高靈敏度和高效率的優(yōu)點(diǎn)。但采用離子色譜法進(jìn)上,而第二種情況可有可能出現在較大的地域范圍內。我國的建設部對行檢測的儀器設 備投入較大,因此要廣泛應用還比較困難。此外,離子于用海砂來(lái)拌制混凝土的現象也嚴格的指出，對于沿海城市用海砂拌色譜法 主要適用于對水樣品進(jìn)行檢測,而如果要進(jìn)行固體樣品檢測,前制混凝土,導致建筑受到氯離子腐蝕,降低了混凝土結構的耐久性,為期還需 要經(jīng)過(guò)比較復雜的處理。建筑帶來(lái)安全隱患。對此有深刻的例子:某沿海城市的一-所大學(xué)有三棟2.2現場(chǎng)的檢測方法建于上世紀八十年代末的學(xué)生宿舍樓,在使用不到15年就出現了大面22.1 RCT法積的鋼筋腐蝕，從而被鑒定為危樓要給子拆除，原因就是因為在施工拌丹麥 Germann公司的RCT法,是-一種對于現場(chǎng)混凝土氯離子進(jìn)行制混凝士的時(shí)候使用了海砂,含量檢測的方法。近幾年來(lái),這種方法也開(kāi)始被國內的一些檢測單位引根據相關(guān)的工程經(jīng)驗,對于既有建筑中已經(jīng)摻人氣離子的混凝土進(jìn)使用。 RCT法的檢測程序是采取一-定 量混凝土樣品,制成粉末后放入結構,對混凝土中氯離子的含量進(jìn)行測定并對早期建筑進(jìn)行排查,盡早事 先配制好的酸辛萃取液中,充分搖勻后放置一段時(shí)間后 ,將選擇性電發(fā)現,盡早解決是最好的處理方法。極放入溶液里,然后讀取電壓毫伏值,再根據標定的電壓值一氯離 子1氣離子的腐蝕機理含量曲線(xiàn),就可以直接算出該混凝土樣品中氣離子的含量了。要對混凝士中氣離子的含量進(jìn)行檢測，首先要了解氯離子的對混22.2 氯離子選擇性電極測定氯離子含量凝:士結構的腐蝕機理。氯離子具有活性大、半徑小和穿透力強的特點(diǎn)，氯離子選擇性電極是把硫化銀和氯化銀的沉淀混合物壓成膜片,就算混凝土沒(méi)有碳化也可以進(jìn)人結構中并到達鋼筋的表面。氯離子吸并將膜片固定在塑料管的- -端，然后用全固態(tài)封裝工藝將其裝配成無(wú)附在鋼筋表面鈍化膜的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生酸化作用，從而使該處的PH值迅內參比溶液的電極， 由甘汞電極、氣離子選擇性電極以及待測定溶液組速下降。據研究表明,氯離子的酸化作用能使鋼筋表面的PH值降低到成原電池。4以下。氯離子首先會(huì )破壞鋼筋表面局部的鈍化膜,時(shí)露出的鐵基體成當水樣中的總離子強度是一個(gè)定值的時(shí)候, 溶液中氯離子濃度和為小陽(yáng)極,而鋼筋表面大部分鈍化膜仍然完好,成為大陰極。腐蝕電池電池的電動(dòng)勢之間的關(guān)系符 合能斯特定律:作用導致鋼筋表面局部被腐蝕,我們稱(chēng)之為坑腐蝕或者點(diǎn)腐蝕,被腐蝕o_ R點(diǎn)對于應力高、斷面小而且比較脆的預應力筋具有較大危害。而如果混E=E°-下Ina泥土的保護層比較薄，氯離子的含量較多而且分布均勻的話(huà),就會(huì )導致其中E為平衡電池電位(mV),E,為標準電位(mV),R為氣體常數,鋼筋表面產(chǎn)生大量氯離子去鈍化作用,從而使點(diǎn)腐蝕面積擴大合并,最F 為法拉第常數,T為熱力學(xué)溫度,n為電極反應式中參與反應的電子數終形成大面積的鋼筋銹蝕。目,a為溶液中氯離子的活度。2混凝土中氯離子含量的檢測方法根據此原理,原電池中電動(dòng)勢E和logch星線(xiàn)性關(guān)系,所以只要測2.1試驗室的檢測方法定原電池的電動(dòng)勢E,再根據回歸分析公式,就可以算出待測樣品中氯2.1.1鉻酸鉀指示硝酸銀滴定法離子的濃度。采用鉻酸鉀指示硝酸銀滴定法進(jìn)行混凝土氯離子含量檢測，首先3結束語(yǔ)要將混凝土樣品溶解于- -定 量的水中,并用硝酸滴定,待溶液PH值由混凝土中氣離子含量過(guò)高的問(wèn)題主要出現在近海和沿海地區,而堿性變中性之后,再用硝酸銀標準溶液滴定,以二級微商法來(lái)確定所用由 于我國海岸線(xiàn)比較漫長(cháng),因此就導致了這個(gè)問(wèn)題比較普遍而且嚴重。的硝酸銀標準溶液體積,最后再結合空白實(shí)驗,就可以算出混凝土樣品對既有建 筑氯離子含量進(jìn)行檢測,并對“海砂樓”進(jìn)行排查,是沿海城市總氣離子的重量。鉻酸鉀指示硝酸銀滴定法是試驗室進(jìn)行混凝土氯離建設 主管部門(mén)]需要努力完成的工作。子檢測的標準方法，這種方法檢測出的氯離子是混凝土樣品中的游離參考文獻態(tài)氯離子，檢出量為樣品氯離子總含量的50%左右,而如果將樣品溶液[]金偉良 ,趙羽習.混凝土結構耐久性研究的回顧與展望[].浙江大學(xué)學(xué)煮沸的話(huà),檢出量可以達到樣品氯離子總含量的80%左右。報(工學(xué)版),2002,36(4):371-380.2.1.2電位滴定法[2]吳勝興鋼筋混凝土結構銹裂損傷研究綜述[].工程力學(xué),2002.電位滴定法一種是通過(guò)對滴定過(guò)程中電池電勢的變化進(jìn)行測量，[3]洪乃豐. 中國沿海地區濫用海砂情況與部分“海砂屋”事例412004最后確定滴定終點(diǎn)的滴定方法。這種方法的滴定的終點(diǎn)的確定是依靠[4孫凌云 ,王磊.混凝土中氯離子含量的三種檢測方法[D.中國新技術(shù)新電極電位的突躍來(lái)指示的，在滴定到達終點(diǎn)的前后,滴液中的待測離子產(chǎn) 品,2009(4).高溫噴射火舌和局部超高溫區的出現,降低了對爐壁材料的要求,有利slurry gasification process []. JouralofChinaCoalSociety ,2004,29 (5):于水冷壁的保護。因此爐型2是結構設計的首要選擇?；诖?這為進(jìn)606- 610.一步的研究積累 了經(jīng)驗,為煤氣化爐的結構設計、優(yōu)化和運行提供有益[2]吳 玉新張建勝,岳光溪,等用于Texaco氣化爐同軸射流計算的不同的參考。湍流模型的比較中國煤化工43.WuY uxin,ZhangJiansheng, YueGuangEnt turbulencemod -[]于海龍,趙翔，周志軍,等氧煤比對水煤漿氣化影響的數值模擬①]煤elsin computationolei YHC NM H Gier D Journal of炭學(xué)報,2004,29 (5):606-610.YuHailong,ZhaoXiang,Zhou Zhijun,et a Chemical Industry and Engineering,20U7/ ,5(5)557-543.INumericalsimulation of efct of oxygen-coal mole ratio on coal water-75-