多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积.pdf

书书书 第 ３ ８卷第 ３期 ２ ０ ０ ８年 ５月 东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ ＦＳ Ｏ Ｕ Ｔ Ｈ Ｅ Ａ Ｓ Ｔ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ｖ ｏ ｌ  ３ ８ Ｎ ｏ  ３ Ｍａ ｙ ２ ０ ０ ８ 多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积 郝英立 许忠林 刘 升 （ 东南大学能源与环境学院，南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要对我国具有自主知识产权的多喷嘴对置式煤气化炉内的气固两相流进行了数值模拟分 析． 在合理简化和假设基础上建立了基于 Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ  Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ模拟方法的炉内气固两相流动模 型， 采用 Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅｋ  ε模型描述炉内复杂气相湍流运动， 应用颗粒轨道模型随机追踪煤粉颗粒 在湍流气流中的运动． 通过数值计算获得了炉内气固两相的速度矢量、 颗粒分布、 颗粒运动轨迹， 以及颗粒碰撞并沉积于壁面的通量分布． 揭示了该型气流床煤气化炉内气固两相流动特征， 并分 析了入口速度和炉体上部高度对气固两相流动和颗粒在壁面沉积的影响规律． 结果表明 对撞流 显著增强炉内气固流动湍动， 强化气固相互作用， 并使煤粉颗粒在炉内有效分散， 有利于化学反 应高效进行； 在喷嘴入口及顶部的壁面处颗粒沉积率较大． 关键词湍流；气固两相流；Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ  Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ 方法；Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅｋ  ε模型；颗粒沉积 中图分类号Ｏ ３ ５ ９ 文献标识码Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ ０ ８ ） ０ ３  ０ ４ ６ １  ０ ７ Ｇ ａ ｓ  ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｔ ｗ ｏ  ｐ ｈ ａ ｓ ｅｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ａ ｎ ｄｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｎｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｗ ａ ｌ ｌ ｉ ｎｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒｗ ｉ ｔ ｈｍｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｐ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ Ｈ ａ ｏＹ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ Ｘ ｕＺ ｈ 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气流床煤气化炉以干煤粉或水煤浆为原料， 以 纯氧为气化剂， 在炉内高温、 高压、 强烈湍流和混合 运动条件下， 先进行氧化反应（ 燃烧） ， 再进行还原 反应生成合成气（ 煤气） ， 灰分形成熔融态渣粒． 在 炉内剧烈湍流作用下， 部分熔融态渣粒碰到壁面， 在壁面上形成液态渣层， 然后沿壁面向下流动， 最 后从炉底排渣口流出气化炉． 在液态渣层和水冷壁 （ 或耐火砖） 之间因受到壁面冷却作用可能形成一 层固态渣层． 熔渣在炉内壁形成液态熔渣层不仅是 气流床煤气化炉特有的排渣方式， 更重要的是， 它 构成了防止炉壁遭受炉内高温和氧化（ 或还原） 气 氛的侵蚀， 是保障气流床煤气化炉安全可靠运行的 重要条件． 长期以来气流床煤气化技术掌握在少数几个 发达国家手中， 不利于我国的应用和发展． 我国在 “ 九五” “ 十五” 科技攻关项目支持下， 成功开发出 具有自主知识产权、 达到国际领先水平的新型多喷 嘴对置式水煤浆气化炉［ ３ ］． 代正华等［ ４ ］用实验和数值模拟相结合的方法 研究了四喷嘴对置式撞击流的气流流场． 袁宏宇 等［ ５ ］以石蜡为模拟工质实验模拟了熔渣在炉壁的 沉积过程， 对两相流速、 温度对熔渣沉积和流动的 影响进行了初步模拟实验观测． 贡文正等［ ６ ］采用 柴油、 煤渣和石油焦来模拟煤在炉膛内燃烧过程中 炉壁上的结渣行为， 实验结果显示在炉顶和炉膛直 筒的上半部熔渣能很好地覆盖． 气流床气化炉内水煤浆气化过程在高温、 高压 条件下进行， 在高达 １３ ０ ０℃的温度下， 气化反应 速率已完全受传递速率控制， 所以， 炉内剧烈气固 两相湍流运动和混合效果对煤碳的转化具有直接 重要影响． 但气化炉内的高温高压条件使实验观测 非常困难， 限制了对其进行细致实验研究． 通过数 值模拟， 可以较好地模拟分析炉内复杂运动， 得到 运行规律和合理的运行参数， 对实现气化炉及整个 Ｉ Ｇ Ｃ Ｃ电站长期稳定运行和降低运行成本具有重 要意义． 本文在合理简化和假设的基础之上对我国 具有自主知识产权的多喷嘴对置式气化炉内的复 杂气固两相流， 以及壁面颗粒沉积进行数值模拟， 并进一步分析入口速度和喷嘴以上高度的影响． １ 模拟对象和数学模型 图 １是我国具有自主知识产权的多喷嘴对置 式煤气化炉结构示意图． 其炉体为圆柱形筒体， 封 头为顶部截平半球形， 下部为一倒圆锥连接圆管排 渣口； 两两对置的 ４个喷嘴均匀布置在炉体上半 部． 当气化炉运行时， 水煤浆和氧气从喷嘴喷入， 撞 击后改变方向， 部分水煤浆和空气向上运动， 并充 分混合， 受拱顶限制折反向下流动， 最终汇聚到主 流之中． 图 １ 多喷嘴对置式煤气化炉结构示意图 水煤浆经喷嘴由高速氧气雾化， 进入炉膛时已 高度分散， 此时炉膛内 １ ３ ０ ０℃的高温使水迅速汽 化［ ３ ］， 瞬间由液态转变为气态． 所以， 可将高速氧 气雾化、 夹带进入炉膛的水煤浆和氧气混合物近似 看作为高速喷入炉膛的气固两相流， 应用 Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ  Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ 模拟方法描述． 炉膛内气体流动是具有强烈回流和旋转的剧 烈湍流， 故对气体流动采用带旋流修正的 Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ  ｂ ｌ ｅｋ  ε模型［ ７ ］， 连续性方程和动量方程分别为  ρ  ｔ ＋   ｘ ｉ （ ρ ｕ ｉ）＝０ （ １ ）   ｔ （ ρ ｕ ｉ）＋   ｘ ｊ （ ρ ｕ ｉｕｊ）＝－  ｐ  ｘ ｉ＋   ｘ ｊ μ  ｕ ｉ  ｘ ｊ－ρ ｕ ′ ｉｕ ′ｊ ＋Ｓ ｉ （ ２ ） 其中 －ρ ｕ ′ ｉｕ ′ｊ＝μｔ  ｕ ｉ  ｘ ｊ＋  ｕ ｊ  ｘ ｉ －２ ３ ρ ｋ＋μ ｔ  ｕ ｉ  ｘ ｉ δ ｉ ｊ （ ３ ） 湍流粘性系数定义为 μ ｔ＝ρ Ｃμｋ ２ ／ ε （ ４ ） 式中， ｋ 为湍流脉动动能； Ｃ μ为模型系数； ε为湍流 脉动动能耗散率． 与标准 ｋ  ε模型中 Ｃ μ为常数不 ２６４东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ８卷 同， 这里 Ｃ μ采用下面的计算公式 Ｃ μ＝（ Ａ０＋ＡｓＵ ｋ ／ ε ）－ １ （ ５ ａ ） 式中 Ｕ  ≡Ｓ ｉ ｊＳｉ ｊ＋珟 Ωｉ ｊ珟Ω 槡 ｉ ｊ （ ５ ｂ ） Ｓ ｉ ｊ＝（  ｕｊ／  ｘｉ＋ ｕｉ／  ｘｊ） ／ ２ （ ５ ｃ ） 珟 Ωｉ ｊ＝珚Εｉ ｊ－３ ε ｉ ｊ ｋωｋ （ ５ ｄ ） 式中，珚Ε ｉ ｊ是以角速度为 ωｋ的参考系中时均旋转速 率张量．模型中 Ａ ０ ＝４  ０ ４ ， Ａ ｓ ＝槡６ ｃ ｏ ｓ  ，  ＝ ｃ ｏ ｓ － １（ 槡 ６ Ｗ） ／ ３ ， Ｗ ＝Ｓ ｉ ｊＳｊ ｋＳｋ ｉ（ Ｓｉ ｊＳｉ ｊ） － １ ／ ２． 湍流动能 ｋ 方程和湍流动能耗散率 ε方程分 别为   ｔ （ ρ ｋ ）＋   ｘ ｉ （ ρ ｋ ｕ ｉ）＝   ｘ ｊ μ＋μ ｔ σ ｋ  ｋ  ｘ [] ｊ ＋ Ｇ ｋ＋Ｇｂ－ρ ε－ＹＭ ＋Ｓ ｋ （ ６ ）   ｔ （ ρ ε ）＋   ｘ ｉ （ ρ ｋ ｕ ｉ）＝   ｘ ｊ μ＋μ ｔ σ ε  ε  ｘ [] ｊ ＋ ρ Ｃ １Ｓ ε－ρ Ｃ２ ε ２ ｋ＋ｖ 槡ε ＋Ｃ １ ε ε ｋ Ｃ ３ ε Ｇ ｂ＋Ｓε（ ７ ） 式中， 各模型系数分别为 Ｃ １ ε ＝１  ４ ４ ， Ｃ ２＝１  ９ ， σｋ ＝１  ０ ， σ ε＝１  ２ ， Ｃ１＝ｍａ ｘ ［ ０  ４ ３ ， η ／ （ η＋５ ） ］ ， η ＝Ｓ ｋ ／ ε ， Ｓ ≡ （ ２ Ｓ ｉ ｊＳｉ ｊ） １ ／ ２； Ｇ ｋ＝μｔＳ ２是由时均速度 梯度而产生的湍流动能； Ｇ ｂ＝β ｇｉ （ μ ｔ／ Ｐ ｒｔ） （  Ｔ ／  ｘｉ） 是由浮力而产生的湍流动能， β为热膨胀系数， ｇ ｉ 为重力加速度分量， Ｐ ｒ ｔ为湍流 Ｐ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｌ 数； ＹＭ ＝ ２ ρ ε Ｍ ２ ｔ为流体可压缩性的影响， Ｍｔ＝ ｋ ／ ａ 槡 ２ 为湍 流 Ｍａ ｃ ｈ 数， 其中 ａ 为音速； Ｓ ｋ和 Ｓε是用户定义的 其他影响因素， 本文没有特别定义． 煤粉颗粒的运动在Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ 坐标系中计算， 颗粒运动方程由颗粒动量变化率等于作用于颗粒 的合力建立， 对于单位颗粒质量有 ｄ ｕ ｐ ｄ ｔ ＝Ｆ Ｄ（ ｕ－ｕｐ）＋ ρ ｐ－ρ ρ ｐ ｇ＋Ｆ（ ８ ） 式中， 右边第 １项为作用于颗粒单位质量的曳力， 其中 Ｆ Ｄ ＝１ ８ μ ρ ｐｄ ２ ｐ Ｃ ＤＲ ｅｐ ２ ４ （ ９ ） 其中， 颗粒 Ｒ ｅ 数定义为 Ｒ ｅ ｐ＝ ρ ｄ ｐｕ－ｕ ｐ μ （ １ ０ ） 本文将煤粉颗粒近似看作为光滑球形颗粒， 则 式（ ９ ）中的曳力系数 Ｃ Ｄ可由下式计算 Ｃ Ｄ ＝ａ １＋ ａ ２ Ｒ ｅ ＋ ａ ３ Ｒ ｅ ２ （ １ １ ） 式中， ａ １， ａ２和 ａ３为经验常数 ［ ８ ］． 图 ２为颗粒质量 累积率尺寸分布图， Ｙ ｄ为颗粒质量累积率尺寸分 布． 图 ２ 颗粒质量累积率尺寸分布 式（ ８ ） 右边的第 ２项为重力和浮力的合力． 第 ３项为其他力的合力， 包括虚假质量力、 热泳力、 布 朗力、 Ｓ ａ ｆ ｆ ｍ ａ ｎ力等， 在本文计算条件下这些力均 很小， 故略去． 炉内气相剧烈湍流运动对颗粒运动的影响采 用随机轨道模型计算． ２ 数值模拟方法和边界条件 本文应用 Ｃ Ｆ Ｄ软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ求解上述控制 方程， 从而对气化炉内复杂气固两相流动进行数值 模拟． 采用 Ｇ Ａ ＭＢ Ｉ Ｔ软件针对实际物理模拟对象 创建几何模型和生成计算网格． 使用均匀网格， 类 型为 Ｔ Ｇ Ｒ Ｉ Ｄ ． 本文数值模拟研究的实验装置， 炉膛内径为 １ ｍ、 排渣口高度为 ０  ２ｍ、 倒圆锥高度为 ０  ４ｍ、 喷 嘴截面距倒圆锥顶面为 ２  ５ｍ、 封头高度为 ０  ４ ５ ｍ． 为分析研究炉体喷嘴截面以上（ 图 １中标注为 Ｈ的部分） 高度对气化炉内气固两相流动的影响， 分别模拟计算了喷嘴截面距封头底面为 Ｈ＝ ０  ５ ， １ ｍ两种结构． 气相边界条件为 喷嘴处为速度入口条件； 出 口处为出流条件； 顶部壁面、 四周壁面和喷嘴壁面 共同定义为对无滑移壁面． 颗粒相边界条件为 喷 嘴处为速度入口条件， 随机跟踪， 颗粒粒径分布如 图 ２所示； 出口处为出流条件； 封头内壁面、 炉体内 壁面、 倒圆锥内壁面和排渣口内壁面均为捕集壁 面． 这是由于在工程实际中， 炉内壁附有熔渣层， 且 其面向炉膛侧为液态， 熔融颗粒撞到液态熔渣层 时， 即被捕获［ ９ ］． 为检验网格独立性， 以确定适合本问题的网 格， 对网格尺寸分别为 ０  ０ ８ ， ０  ０ ４和 ０  ０ ２ｍ三种 网格划分情况进行了计算比较， 它们对应的网格数 分别为 ９９ ５ ３ ， ７ ６１ ３ ４和 ６ ２ ８３ ４ ０个． 经数值模拟发 ３６４第 ３期郝英立， 等 多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积 现， 在尺寸为 ０  ０ ８ｍ时的沉积率结果与其他 ２个 相差很大， 而 ０  ０ ４和 ０  ０ ２ｍ的几乎一致， 仅有细 微差别， 表明当网格尺寸小至 ０  ０ ４ｍ时， 网格对计 算结果的影响已经很小． 所以， 在计算机能力允许 的情况下， 本文以网格尺寸为 ０  ０ ２ｍ的网格划分 进行模拟研究， 如图 ３所示． 图 ３ 网格划分示意图 ３ 结果与分析 ３  １ 数值模拟结果和实验结果的比较 为检验数值模拟的正确性， 本文首先对文献 ［ ４ ］ 的激光多普勒三维粒子动态分析仪实验测量 的工况进行了模拟计算． 文献［ ４ ］ 测量了喷嘴以上 空间流场的轴向速度分布． 图 ４为数值模拟结果与 其实验结果比较． 从图中可见， 数值模拟结果与实 验数据两者吻合较好， 其趋势均相同， 轴向速度都 是先增大后减小， 在喷嘴入口（ ｚ ＝ ２  ５ｍ） 时约为 零． 这是由于流体由喷嘴喷入后在轴线处发生了激 烈碰撞， 然后改变运动方向， 故在该点轴线的轴向 速度约为零． 模拟结果和实验数据均显示在 ２  ７ ｍ， 即喷嘴平面上方 ０  ２ｍ处的轴向速度最大， 此 后轴向速度开始减小， 这是由于封头的阻挡作用开 始影响轴向速度． 在 ３  ０ｍ处曲线斜率变小， 即此 时的速度减小变慢， 这是因为高度在 ３ｍ以后圆柱 体变为半球形， 截面积变小， 轴向速度减小变缓． 最 后在封头顶部轴向速度减小至零． 图 ４ 模拟结果与实验数据的比对 ３  ２ 炉内气固两相流运动 本文首先对喷嘴截面距封头底面为 Ｈ＝ ０  ５ｍ 的炉型， 在入口流速为 Ｖ ｉ ｎ＝ ５ ０ｍ／ ｓ 条件下进行了 数值模拟． 图 ５～ 图 ８分别绘出了喷嘴横截面的气 相速度矢量， 经喷嘴的竖剖面的气相速度矢量、 煤 粉体积分数分布和煤粉颗粒运动轨迹． 模拟结果清 楚显示了炉内气固两相流的运动特征． 图 ５ 喷嘴横截面速度矢量图（ Ｖ ｉ ｎ＝ ５ ０ｍ／ ｓ ） 图 ６ 气化炉内气相速度矢量图 图 ７ 气化炉内煤粉体积分数分布 ４６４东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ８卷 图 ８ 炉内煤粉颗粒运动轨迹 从图 ５和图 ６可见， 由喷嘴高速喷入的气体在 中心区域对撞后改变流向， 随后由于炉膛内流通面 积远大于喷嘴（ 喷嘴直径为 ４ ２ｍ ｍ） ， 流速迅速减 小； 炉膛内半径没有变化， 速度也就没有明显变化； 在倒圆锥流速逐步增大； 排渣口处， 由于其直径仅 为 ２ ０ ０ｍ ｍ， 导致速度急剧增加． 从图 ７所示的模拟结果可以清楚地看到 煤粉 在炉内分布比较均匀， 在喷嘴及排渣口处分布比较 密集． 当由 ４个两两对置的喷嘴喷入的气固两相流 发生对撞时（ 见图 ８ ） ， 在对撞区形成煤粉高浓度 区， 随后由于对撞产生的剧烈扰动使煤粉在炉内分 散开来， 并随气流运动； 在排渣口附近处， 由于截面 突然变小， 造成该处煤粉分布比较密集． 从图 ８中可以看到， 从喷嘴喷入的煤粉在炉膛 内有一个猛烈的撞击过程， 而对撞也是这种炉型的 特点所在． 由于受到剧烈的对撞作用， 煤粉颗粒四 散开来， 这样煤粉在气体中分散并分布得更均匀， 有利于化学反应的高效进行． 文献［ １ ０ １ １ ］ 在撞 击流理论和应用方面进行了大量实验， 其结论 化 学工业的几乎任何一种过程， 都可以用撞击流来实 现； 而且， 撞击流与惯用的方法相比， 很可能效率更 高， 能耗更低． ３  ３ 壁面颗粒沉积率 现代气流床煤气化炉均为高温高压大型化炉 型， 为了提高碳转化率和降低有害气体排放等， 须 采用液态排渣， 同时也利用覆盖于炉内壁面的渣层 对耐火层进行保护， 以提高使用寿命． 所以炉内气 固两相流中颗粒碰撞到壁面， 并在壁面形成液态渣 层的特征和规律成为影响气化炉安全稳定运行的 重要因素． 本文由炉内气固两相流运动的模拟计算 分析颗粒在炉内壁的沉积规律． 图 ９所示为颗粒在 炉内壁面沉积率分布图， 图中 φ表示壁面沉积率． 由图中可见， 在喷嘴部分及其上部壁面的沉积比较 集中， 这是因为在气固两相流从喷嘴喷入后在炉膛 中间碰撞， 分散开来形成向上向下的两股流动， 向 下运动部分所夹带的颗粒碰到壁面而被捕获的机 会较少， 而向上运动部分由于遇到炉顶封头的阻挡 最终将改变方向向下运动， 由于颗粒的惯性远大于 气体， 所以在流动转向的过程中不能完全随气流改 变运动方向而喷溅到壁面上的机会较其他区域的 大得多． 由图 １ ０所示的炉膛内壁面和封头内壁面不同 图 ９ 壁面颗粒沉积率分布 图 １ ０ 壁面内各部分颗粒沉积分布 ５６４第 ３期郝英立， 等 多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积 高度位置处颗粒沉积占总沉积的比率可清楚显示 这一特点． 在炉膛内壁面中位于喷嘴高度（ ｚ ＝ ２  ５ ｍ） 附近及其以上部分的沉积量明显大于其他部 分， 如图 １ ０ （ ａ ） 所示， 这是由于在此区域发生的入 流对撞、 改变流向等一系列复杂运动， 导致很多颗 粒碰撞在壁面上． 而在封头部分， 其顶部的沉积量 最大， 如图１ ０ （ ｂ ） 所示．颗粒在 ｚ ＝ １  ６ ｍ以下区域 的内壁面的沉积量很小． 在实际运行过程中， 喷溅 到炉膛上部的熔渣在壁面上形成液态渣层， 然后沿 炉壁向下流动， 这样上部的熔渣在喷溅到壁面上后 不会堆积， 而下部的炉壁也会因流下的熔渣的保护 而不会受到炉内高温气体的侵蚀． ３  ４ 炉体结构和入口速度对壁面颗粒沉积率影响 为分析炉体结构和入口速度对壁面颗粒沉积 率的影响， 本文对喷嘴截面距封头底面分别为 ０ ． ５ 和１ ． ０ ｍ两种炉型， 以及入口流速分别为５ ０和１ ０ ０ ｍ／ ｓ 等不同工况进行了数值模拟， 各工况条件见表 １ ． 不同工况的壁面颗粒沉积率的模拟计算结果见 图 １ １ ． 表 １ 不同工况条件 工况Ｈ／ ｍＶｉ ｎ／ （ ｍ ｓ － １） １０ ． ５５ ０ ２０ ． ５１ ０ ０ ３１ ． ０５ ０ ４１ ． ０１ ０ ０ 如图 １ １所示， 各工况在喷嘴附近和封头内壁 面均呈现颗粒沉积率高的特点，然而， 结构尺寸和 入口速度的变化对沉积率的分布有显著影响． 比较 工况１和工况２ ， 工况３和工况４可见， 在炉体结构 相同的情况下， 增大喷嘴入口速度不仅加剧两相流 体在炉内的撞击， 导致在喷嘴附近和封头内壁面颗 粒沉积率显著增大， 而且尤其导致封头内壁面颗粒 沉积率的显著增大． 这种情况并不一定有利于气流 床的高效运行， 由于实际运行的气流床内壁面均附 有液态渣层， 颗粒碰到壁面即被捕获而进入渣层， 如果对撞流过于猛烈， 颗粒以很高的速度、 没有充 分反应即撞到壁面， 势必导致反应不完全的煤粉颗 粒为壁面渣层所捕获的比例增大， 这可能导致碳转 化率降低． 另一方面， 比较工况 １和工况 ３ ， 工况 ２ 和工况 ４可见， 在喷嘴入流速度相同条件下， 增大 炉体从喷嘴截面到封头底面间的高度， 可以显著降 低在封头内壁面颗粒沉积率， 即减少了颗粒碰撞到 炉顶的数量， 也就减小了煤粉颗粒未完全反应即被 壁面渣层捕获的可能， 从而有利于碳转化率的提 高， 这种趋势在较低入口速度的工况 １和工况 ３间 图 １ １ 炉体结构和入流速度对壁面沉积率的影响 表现得尤其明显， 如图 １ １ （ ａ ） 和（ ｃ ） 所示． 当然炉体 上部高度的增加必然导致气化炉制造成本的增大． 综合上述模拟分析比较可见， 炉体上部高度和 入口速度对气化炉的运行效率具有重要影响． 高度 小可能增大未完全反应颗粒为壁面渣层捕获比例， 导致碳转化率降低； 增加高度则加大制造成本． 入 口速度减小， 不利于两相流充分对撞和煤粉颗粒在 炉内散开， 但可能降低未完全反应颗粒为壁面渣层 的捕获率； 增大入口速度， 可以使对撞更剧烈， 有利 于煤粉颗粒在炉内散开， 但可能显著增大未完全反 应颗粒为壁面渣层的捕获率． 所以， 对于炉体上部 高度和入口速度需要根据具体工程实际进行优化 选取． ４ 结论 １ ）通过与实验数据的对比， 所采用数理模型 和数值模拟方法可以得到与实验观测较一致的气 体流动结果； 对炉内气固两相流的模拟得到炉内的 速度矢量分布、 颗粒浓度分布和颗粒运动轨迹等， 可以帮助设计合理性的分析． ２ ）对撞流可以使煤粉颗粒在炉内有效散开， 并形成较均匀分布， 有利于化学反应高效进行． ６６４东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ８卷 ３ ）颗粒在喷嘴附近壁面和顶部封头壁面的沉 积率显著高于其他区域， 占整个炉内壁面的一半以 上． ４ ）当入口速度较小时， 对撞较弱， 颗粒较多地 沉积在喷嘴附近， 而到达炉顶的相对较少． 在相同 的入口速度情况下， 喷嘴上部高度较小时， 颗粒在 炉顶的沉积较多， 反之， 颗粒在炉顶的沉积较少． 参考文献 （ Ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ） ［ １ ］Ｌ ｉ ｕＨ ｅ ｎ ｇ ｗ ｅ ｉ ，Ｎ ｉ Ｗｅ ｉ ｄ ｏ ｕ ，Ｌ ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ，ｅ ｔ ａ ｌ ．Ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｉ ｃ ｔ ｈ ｉ ｎ ｋ ｉ ｎ ｇｏ ｎＩ Ｇ Ｃ Ｃｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ａ［ Ｊ ］ ．Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｐ ｏ ｌ ｉ ｃ ｙ ， ２ ０ ０ ８ ， ３ ６ （ １ ） １ １ １ ． ［ ２ ］ 徐强，曹江，周一工，等．整体煤气化联合循环 （ Ｉ Ｇ Ｃ Ｃ ） 特点综述及产业化前景分析［ Ｊ ］ ．锅炉技术， ２ ０ ０ ６ ， ３ ７ （ ６ ） １ ９ ． Ｘ ｕＱ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｃ ａ ｏＪ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｚ ｈ ｏ ｕＹ ｉ ｇ ｏ ｎ ｇ ，ｅ ｔａ ｌ ．Ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｍ ｍ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ  ｅ ｄｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄｃ ｙ ｃ ｌ ｅ（ Ｉ Ｇ Ｃ Ｃ ）［ Ｊ ］ ．Ｂ ｏ ｉ ｌ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ ０ ６ ， ３ ７ （ ６ ） １ ９ ．（ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ３ ］龚欣，郭晓镭，代正华，等．自主创新的气流床粉煤 加压气化技术［ Ｊ ］ ．大氮肥， ２ ０ ０ ５ ， ２ ８ （ ３ ） １ ５ ４ １ ５ ７ ． Ｇ ｏ ｎ ｇＸ ｉ ｎ ，Ｇ ｕ ｏＸ ｉ ａ ｏ ｌ ｅ ｉ ，Ｄ ａ ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ ，ｅ ｔ ａ ｌ ．Ｔ ｈ ｅｉ ｎ  ｄ ｅ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｌ ｙｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｖ ｅｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙｏ ｆｐ ｒ ｅ ｓ  ｓ ｕ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ  ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｏ ｒｐ ｕ ｌ ｖ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄｃ ｏ ａ ｌ ［ Ｊ ］ ．Ｌ ａ ｒ ｇ ｅ Ｓ ｃ ａ ｌ ｅＮ ｉ ｔ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ｏ ｕ ｓＦ ｅ ｒ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅ ｒＩ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ，２ ０ ０ ５ ，２ ８ （ ３ ） １ ５ ４ １ ５ ７ ．（ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ４ ］代正华，刘海峰，于广锁，等．四喷嘴对置式撞击流 的数值模拟［ Ｊ ］ ．华东理工大学学报 自然科学版， ２ ０ ０ ４ ， ３ ０ （ １ ） ６ ５ ６ ８ ． Ｄ ａ ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ ，Ｌ ｉ ｕＨ ａ ｉ ｆ ｅ ｎ ｇ ，Ｙ ｕＧ ｕ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ｏ ，ｅ ｔ ａ ｌ ．Ｎ ｕ  ｍ ｅ ｒ ｉ ｃｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅｆ ｌ ｏ ｗｆ ｉ ｅ ｌ ｄｉ ｎｆ ｏ ｕ ｒ ｏ ｐ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄｉ ｍ  ｐ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇｊ ｅ ｔ ｓ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ 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． ［ ８ ］Ｍｏ ｒ ｓ ｉ ＳＡ ，Ａ ｌ ｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ＡＪ ．Ａ ｎｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓｉ ｎｔ ｗ ｏ  ｐ ｈ ａ ｓ ｅｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ［ Ｊ ］ ．ＪＦ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｍｅ ｃ ｈ ， １ ９ ７ ２ ， ５ ５ （ ２ ） １ ９ ３ ２ ０ ８ ． ［ ９ ］Ｓ ｈ ｉ ｍ ｉ ｚ ｕＴ ，Ｔ ｏ ｍ ｉ ｎ ａ ｇ ａＨ ．Ａｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｃ ｈ ａ ｒ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅｂ ｙ ｍ ｏ ｌ ｔ ｅ ｎｓ ｌ ａ ｇｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｕ ｎ ｄ ｅ ｒｈ ｉ ｇ ｈ  ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ［ Ｊ ］ ．Ｆ ｕ ｅ ｌ ， ２ ０ ０ ６ ， ８ ５ （ ２ ） １ ７ ０ １ ７ ８ ． ［ １ ０ ］Ｅ ｌ ｐ ｅ ｒ ｉ ｎＩ Ｔ ．Ｈ ｅ ａ ｔ ａ ｎ ｄｍ ａ ｓ ｓｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｉ ｎｏ ｐ ｐ ｏ ｓ ｉ ｎ ｇｃ ｕ ｒ  ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ［ Ｊ ］ ．Ｊ Ｅ ｎ ｇＰ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ， １ ９ ６ １ ， ６ ６ ２ ６ ８ ．（ ｉ ｎＲ ｕ ｓ ｓ ） ［ １ １ ］Ｔ ａ ｍ ｉ ｒ Ａ ．Ｉ ｍ ｐ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ  ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ［ Ｍ］ ．Ａ ｍ ｓ ｔ ｅ ｒ ｄ ａ ｍＥ ｌ ｓ ｖ ｉ ｅ ｒ ，１ ９ ９ ４ １ １ ４ ． ７６４第 ３期郝英立， 等 多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积