Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟.pdf

书书书 第 ３ ９卷第 ４期 ２ ０ ０ ９年 ７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 ９ Ｎ ｏ  ４ Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ０ ０ ９ ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ ． ２ ０ ０ ９ ． ０ ４ ． ０ ３ ０ Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟 刘 升１ 郝英立１ ， ２ （ １东南大学能源与环境学院， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） （ ２东南大学空间科学与技术研究院， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要 应用 Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ  Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ 方法对国内某工厂实际运行的 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气流床煤气化炉内气固两 相流动进行了模拟． 采用 Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅｋ  ε模型计算炉内复杂气体湍流运动， 应用颗粒轨道模型追 踪煤粉颗粒在湍流气流中的运动轨迹． 通过数值计算取得了炉内气相速度矢量、 颗粒运动轨迹、 颗粒碰撞壁面并沉积于壁面的沉积通量和颗粒在炉内的停留时间分布． 揭示了该气化炉的气固 两相流动特性， 并分析了运行工况对壁面沉积通量分布的影响规律． 结果表明 气化炉内的气体 流场存在回流， 回流延长了颗粒在气化炉内的停留时间， 颗粒沉积通量最大的位置为筒体段下部 和锥体段上部；绝大部分颗粒在气化炉内的停留时间在５ｓ 以内， 气体流量降低时颗粒在炉内的 停留时间减少． 关键词 气流床煤气化炉； 颗粒轨迹； 沉积率； 停留时间 中图分类号 Ｏ ３ ５ ９ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ ０ ９ ） ０ ４  ０ ８ ０ ３  ０ ５ Ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ａ ｓ  ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｔ ｗ ｏ  ｐ ｈ ａ ｓ ｅｆ ｌ ｏ ｗ ｉ ｎａＴ ｅ ｘ ａ ｃ ｏｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ  ｆ ｌ ｏ ｗｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ Ｌ ｉ ｕＳ ｈ ｅ ｎ ｇ １ Ｈ ａ ｏＹ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ １ ， ２ （ １Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙａ ｎ ｄＥ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ２ １ ０ ０ ９ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） （ ２Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ２ １ ０ ０ ９ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ａ ｓ  ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｔ ｗ ｏ  ｐ ｈ ａ ｓ ｅｆ ｌ ｏ ｗｉ ｎａＴ ｅ ｘ ａ ｃ ｏｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄｉ ｎａ ｄ ｏ ｍ ｅ ｓ ｔ ｉ ｃｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ａ ｗ ａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄｏ ｕ ｔ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅ Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ  Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎａ ｐ ｐ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅ ｋ  ε ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄｔ ｏｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅｔ ｈ ｅｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅｇ ａ ｓ ｆ ｌ ｏ ｗｉ ｎａ ｎＥ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎｆ ｒ ａ ｍ ｅ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｔ ｒ ａ ｊ  ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｂ ｙａ ｓ ｔ ｏ ｃ ｈ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎａ Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎｆ ｒ ａ ｍ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ ｇ ａ ｓ ， ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ ， ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｎｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｗ ａ ｌ ｌ ， ａ ｎ ｄｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅｔ ｉ ｍ ｅｉ ｎｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｄｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｂ ａ ｃ ｋｆ ｌ ｏ ｗｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｓ ｉ ｎｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｓ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｉ ｍ ｅ ｉ ｎｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｔ ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ａ ｔ ｅ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｒ ｓ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｂ ｏ ｔ ｔ ｏ ｍｏ ｆ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｐ ａ ｒ ｔ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｔ ｏ ｐｏ ｆ ｐ ｙ ｒ ａ ｍ ｉ ｄｐ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ． Ｍｏ ｓ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｈ ａ ｓ ａｒ ｅ  ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅｔ ｉ ｍ ｅｏ ｆ ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｎ５ｓ ｉ ｎｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ， ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅｔ ｉ ｍ ｅｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｆ ｌ ｏ ｗｒ ａ ｔ ｅ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ  ｆ ｌ ｏ ｗｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ；ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ；ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ａ ｔ ｅ ；ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅｔ ｉ ｍ ｅ 收稿日期 ２ ０ ０ ８  １ ２  ０ ２ ． 作者简介 刘升（ １ ９ ８ ２ ） ， 男， 博士生； 郝英立（ 联系人） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， ｈ ａ ｏ ｙ ＠ｓ ｅ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ． 基金项目 国家重点基础研究发展计划（ ９ ７ ３计划） 资助项目（ ２ ０ ０ ４ Ｃ Ｂ ２ １ ７ ７ ０ ３ ） ． 引文格式 刘升， 郝英立． Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟［ Ｊ ］ ． 东南大学学报 自然科学版， ２ ０ ０ ９ ， ３ ９ （ ４ ） ８ ０ ３ ８ ０ ７ ． ［ ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ ． ２ ０ ０ ９ ． ０ ４ ． ０ ３ ０ ］ 煤气化技术是煤炭清洁及其高效利用的主要 途径之一． 气流床煤气化技术以其单位体积处理量 大、 气化强度高、 碳转化率高、 合成气中不含焦油和 酚等物质而得到广泛应用． Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气流床煤气化 炉是典型的水煤浆气流床煤气化炉， 也是目前国内 应用最多的气流床煤气化炉． Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气化炉为耐火砖炉壁结构， 采用液态 排渣技术． 炉内熔融态煤灰渣沉积到耐火砖壁面形 成稳定渣层， 渣层在向下流动过程中对耐火砖有侵 蚀作用． Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气化炉在生产中较多出现的渣堵、 耐火砖寿命缩短、 运行不稳定等问题暴露出对其中 气固两相流、 热质传递、 化学反应等基本规律的掌 握还不充分． 研究气流床气化炉内气固两相流动和分析壁 面上灰渣颗粒沉积规律， 对于研究影响气化炉安全 稳定运行的壁面渣层形成、 流动、 传热传质及相变 等运动具有重要意义． Ｃ ｈ ｏ ｉ 等［ １ ］对一个 １ｔ ／ ｄ实验 规模 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气化炉内的气体流动进行了分析， 研 究了氧气入口角、 氧气流量以及喷嘴位置对气化炉 内气体流场的影响． Ｃ ｈ ｅ ｎ等［ ２ ］对两段式空气气流 床煤气化炉进行了模拟， 研究了化学反应、 气体流 动和颗粒运动等问题， 着重研究了喉部直径对颗粒 运动轨迹的影响． 龚欣等［ ３ ］通过实验研究了实验 室规模 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气化炉的颗粒停留时间分布． 郝英 立等［ ４ ］对多喷嘴对置式气化炉内气固两相流和壁 面沉积率进行了模拟， 得到了炉内气体流场、 颗粒 流场、 颗粒分布、 颗粒运动轨迹以及壁面颗粒沉积 通量分布， 并分析了气体速度和炉体上部高度对壁 面颗粒沉积通量的影响． 梁万才等［ ５ ］对西安热工 研究院两段式干粉气流床煤气化炉内气固两相流 动进行了模拟， 研究了炉体喉口直径和两段气固进 料量变化对气固两相流动和颗粒分布的影响． 许建 良等［ ６ ］采用示踪法研究了实验室规模多喷嘴对置 式气化炉和 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气化炉内颗粒停留时间分布． 本文对国内某工厂运行的 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气化炉内气 固两相流动进行了数值模拟， 为进一步研究气化炉 内碳转化率和壁面渣层的形成奠定基础． 图 １ Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气化炉和喷嘴结构示意图（ 单位 ｍ ｍ） １ 研究对象及数学模型 所研究的 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气化炉分为拱顶、 筒体和锥 体三部分， 如图 １所示． 水煤浆经置于炉顶的三通 道喷嘴的内环通道流入， 由经中心通道和外环通道 高速流入的纯氧气体雾化成几十微米的煤浆液滴， 与氧气流混合后高速喷入炉膛． 在炉内高温环境下 煤浆液滴的水分瞬间汽化， 进而经历挥发分挥发、 燃烧、 气化等一系列过程， 最终形成合成气． 所以， 进入炉膛的水煤浆和氧气混合物可近似看作高速 喷入炉膛的气固两相流． 炉内煤／ 灰渣颗粒体积浓 度低于１ ０ ％， 属稀相气固两相流， 可用 Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ  Ｌ ａ  ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｉ ａ ｎ 方法描述． Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气化炉内的气体流动是伴有射流、 回 流和旋转的剧烈湍流． Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅｋ  ε模型在湍动 黏度计算公式中引入了与旋流和曲率有关的内容， 改善了湍动黏度的计算方法， 建立了一个新的可变 涡黏性公式； 同时修正了耗散率方程中的产生项． 已有的研究表明， 采用 Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅｋ  ε模型对气流 床气化炉内的气体流场进行计算得到的结果较其 他湍流模型得到的结果与实验值更加吻合［ ４ ， ７ ］． 故 本文采用带旋流修正的 Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅｋ  ε湍流模型［ ８ ］ 计算气相运动  ρ  ｔ ＋   ｘ ｉ （ ρ ｕ ｉ）＝０ （ １ ）   ｔ （ ρ ｕ ｉ）＋   ｘ ｊ （ ρ ｕ ｉｕｊ）＝－  ｐ  ｘ ｉ＋   ｘ ｊ （ μ＋μ ｔ）  ｕ ｉ  ｘ [] ｊ ＋   ｘ ｊ （ μ＋μ ｔ）  ｕ ｊ  ｘ [] ｉ ＋Ｓ ｉ＋∑ ｎ ＝ １ ρ ｐ ， ｎ（ ｕｉ－ｕｐ ， ｉ ， ｎ） τ （ ２ ） 式中， Ｓ ｉ为流体自身源项． 等式右边最后一项为气 体与颗粒相互作用引起的源项， 其中 ρ ｐ ， ｎ为第 ｎ个 颗粒的密度， ｕ ｐ ， ｉ ， ｎ为第 ｎ 个颗粒在 ｉ 方向的速度， τ 为流体和颗粒间动量传递的弛豫时间．   ｔ （ ρ ｋ ）＋   ｘ ｉ （ ρ ｋ ｕ ｉ）＝   ｘ ｊ μ＋μ ｔ σ ｋ  ｋ  ｘ [] ｊ ＋Ｇ ｋ－ρ ε （ ３ ）   ｔ （ ρ ε ）＋   ｘ ｉ （ ρ ｋ ｕ ｉ）＝   ｘ ｊ μ＋μ ｔ σ ε  ε  ｘ [] ｊ ＋ Ｃ １ρ Ｓ ε－Ｃ２ρ ε ２ ｋ＋槡ν ε （ ４ ） 式中， 系数 σ ｋ ， σ ε， Ｃ１， Ｃ２的值以及产生项 Ｇｋ和时 均应变率 Ｓ 的形式见文献［ ８ ］ ． 在炉内高温条件下颗粒处于熔融状态， 由于表 面张力的作用颗粒收缩为光滑球形． 采用随机轨道 模型对颗粒运动轨迹进行追踪， Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ坐标系 下颗粒的运动方程为 ｄ ｕ ｐ ｄ ｔ ＝Ｆ Ｄ（ ｕ－ｕｐ）＋ ρ ｐ－ρ ρ ｐ ｇ＋Ｆ（ ５ ） 式中， 右边第 １项为曳力， 其中 Ｆ Ｄ ＝１ ８ μ ρ ｐ Ｃ ＤＲ ｅｐ ２ ４ （ ６ ） ４０８东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ９卷 曳力系数为 Ｃ Ｄ ＝ａ １＋ ａ ２ Ｒ ｅ ｐ ＋ ａ ３ Ｒ ｅ ２ ｐ （ ７ ） 式中， ａ １， ａ２和 ａ３是根据光滑球形颗粒在不同 Ｒ ｅｐ 数条件下的运动情况确定的经验常数［ ９ ］． 颗粒 Ｒ ｅ ｐ 数定义为 Ｒ ｅ ｐ＝ρ ｄｐｕ－ｕｐ ／ μ ． 式（ ５ ）右边第 ２项为重力和浮力的合力， 第 ３ 项为颗粒所受其他力的合力． 煤粉颗粒流过喷嘴时 加速， 需要考虑颗粒受到的虚拟质量力（ Ｆ １） ； 炉内 是伴 有 射 流、回 流 的 复 杂 流 场，颗 粒 受 到 的 Ｓ ａ ｆ ｆ ｍａ ｎ 力（ Ｆ ２）不能忽略． Ｆ １＝ １ ２ ρ ρ ｐ ｄ ｄ ｔ （ ｕ－ｕ ｐ） （ ８ ） Ｆ ２＝ ２ Ｋ ν １ ２ ρ ｄ ｉ ｊ ρ ｐｄｐ（ ｄｌ ｋｄｋ ｌ） １ ４ ｕ－ｕ ｐ ｓ ｇ ｎ  ｕ  ｎ （ ９ ） 式中， Ｓ ａ ｆ ｆ ｍａ ｎ 力系数 Ｋ＝２  ５ ９ ４ ； ｄ ｉ ｊ为形变张量． 壁面颗粒沉积通量 ｑ ｍ由沉积到壁面的颗粒质 量 ｍ ｐ ， ｎ和沉积面的面积 Ａ计算， 即 ｑ ｍ ＝ １ Ａ∑ Ｎ ｎ ＝ １ｍ ｐ ， ｎ （ １ ０ ） 式中， Ｎ为沉积到沉积面上的颗粒数． ２ 模拟对象及模拟工况 本文应用 Ｃ Ｆ Ｄ软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ求解上述控制 方程． 网格采用六面体网格， 并对喷嘴区和下部锥 体段的网格进行加密． 分别对网格数为 １ ６ １ ０ ４， ２ ２ １ ０ ４， ３ ０ １ ０４和 ６ ０ １ ０４的 ４种网格进行了计 算， 模拟发现网格数大于 ２ ２ １ ０ ４的网格得到的计 算结果几乎一致， 考虑到计算代价， 选择网格数为 ２ ２ １ ０ ４的网格进行模拟计算． 将筒体段和锥体段两部分从上至下分成 １ ６个 单元（ 见图 １ ） ， 并根据其实际运行参数， 确定了模 拟工况， 列于表 １ ． 该煤气化炉采用水煤浆为原料， 煤粉颗粒的平均粒径为 ５ ０μ ｍ． 表 １ 模拟工况条件 工况 氧流量／ （ １ ０ ３ｍ３ｈ－ １） 中心外环 煤粉流量／ （ ｔ ｈ － １） 压力／ ＭＰ ａ入口温度／ Ｋ １３ ． ５ ０ ０２ ３ ． ０ ０ ０５ ３ ． ４ ０ ０８ ． ２３ ０ ８ ２３ ． ６ ７ ５２ ４ ． １ ５ ０５ ６ ． ０ ７ ０８ ． ２３ ０ ８ ３３ ． ８ ５ ０２ ５ ． ３ ０ ０５ ８ ． ７ ４ ０８ ． ２３ ０ ８ ４３ ． ３ ２ ５２ １ ． ８ ５ ０５ ０ ． ７ ３ ０８ ． ２３ ０ ８ ５３ ． １ ５ ０２ ０ ． ７ ０ ０４ ８ ． ０ ６ ０８ ． ２３ ０ ８ 图 ２ 气化炉炉膛内气体速度矢量分布 ３ 结果与分析 ３  １ 气体流动 图 ２给出了工况 １中气化炉中心截面上的气 体流场． 气体流场主要分为 ３个部分 ①中心区域 的射流； ②筒体段中上部以一定角度向炉膛周围分 散的气流； ③筒体段及锥体段近壁面区域的回流． 回流主要有贯穿整个筒体段的大回流（ 见图 ２ （ ｂ ） ） 和下部锥体段的局部小回流（ 见图 ２ （ ｃ ） ） ． 大 回流是由于气体进入炉内流动面积突然增大引起 的； 小回流是由于下部锥体段流动面积减少、 气体 加速和流向改变引起的． 炉下部中心气流向一边略 有偏转， 且方向不断变化． 气体扰动有利于煤粉颗 粒和气体充分接触， 气体回流能延长煤粉颗粒在炉 内的停留时间， 有助于充分反应． ３  ２ 颗粒运动 计算中对 １ ０ ８ １ ０ ３个颗粒进行了追踪， 为清 晰显示， 图 ３仅绘出了 １ ０ ８个颗粒的运动轨迹． 图 ３ 颗粒轨迹与停留时间 ５０８第 ４期刘升， 等 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ 气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟 进入气化炉的颗粒约 ３ ０ ％直接沉积到壁面， １ ０ ％左右直接流出气化炉， 这 ２部分颗粒在炉内的 停留时间较短． 其余颗粒随气体在炉内作回流， 进 而沉积到壁面， 从而使壁面颗粒沉积量沿高度的差 异减小． 同时颗粒的回流方向受到气体回流方向影 响， 并随气体流向变化． ３  ３ 颗粒在气化炉壁面沉积通量 图 ４绘出了壁面颗粒沉积质量通量分布． 锥体 段和筒体段下部的沉积通量较其他区域要大得多． ０～１  ３ｍ段沉积通量随高度的增加而增加． 在 １  ３ｍ左右沉积通量达到最大值， 其值是其他区域 的 ３倍左右． ５个工况中工况 ３的值最大， 达 ７  ５ ｋ ｇ ／ （ ｍ ２ｓ ） ． 在 １  ４ｍ左右处壁面沉积通量已经 下降到 １ｋ ｇ ／ （ ｍ ２ｓ ） 左右； １  ４ｍ以上区域， 壁面 沉积通量随高度的增加而逐渐降低． ５个工况中壁 面沉积通量分布特征差异不大． 但当气化炉的负荷 减少超过 ４ ０ ％时， 沉积通量的最大值将会向上移 动． 图 ４ 炉内壁面颗粒沉积质量通量分布 同一高度的壁面沉积通量沿圆周分布并不均 匀， 这是由于气体流场偏转引起的颗粒回流不均匀 造成的． 由于气体流向连续变化， 圆周方向上壁面 沉积通量没有出现太大的差异． ３  ４ 颗粒停留时间分布 图 ５为工况 １中颗粒在气化炉内的停留时间 分布， 停留时间为从颗粒进入气化炉到流出气化炉 或被壁面捕获为止． 约 ４ ６ ％颗粒的停留时间小于 １ ｓ ； ８ ２ ％颗粒的停留时间在３ｓ 以内， ９ ３ ％颗粒的停 图 ５ 颗粒在气化炉内的停留时间 留时间在 ５ｓ 以内， 颗粒从出口流出气化炉的最短 时间为 ０  ５ｓ ． 模拟结果与实验观测在定性分布和 可比定量分布上都非常一致［ ３ ， １ ０ ］． 颗粒在炉内的停留时间在不同位置差异较大． 沉积于拱顶壁面的颗粒很少（ 见图 ４ ） ， 且 ６ ０ ％以 上在炉内的停留时间小于 １ｓ ． 主要因为炉膛的大 回流没有到达拱顶， 由回流夹带回拱顶的颗粒很 少， 大部分颗粒直接沉积到壁面． 由于三通道喷嘴 雾化角度的关系， 直接撞击到气化炉筒体段下部壁 面的颗粒较其上部要多， 停留时间在 １ｓ 以内的颗 粒占总颗粒的百分数从第 １单元的 ３ ０ ％增加到第 １ ３单元的 ５ ７ ％， 其他工况中颗粒停留时间分布的 变化趋势也相似． 第 ９～ １ ３单元中， 受下部锥体影 响气流方向改变， 部分颗粒由气体夹带改变方向回 流到气化炉上部， 沉积于筒体段上部壁面的颗粒有 ５ ０ ％以上是回流夹带的． 锥体段气体扰动加剧， 颗 粒与壁面的碰撞增加， 未被回流夹带向上的颗粒多 ６０８东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ９卷 沉积于锥体段壁面， 造成沉积通量急剧增加（ 见图 ４ ） ， 停留时间较短的颗粒所占的百分比也增大． 以上工况中， 气体流量变化对颗粒在炉内停留 时间没有较大影响， 但若降低气量至 ４ ０ ％， 颗粒停 留时间减少， 结果与文献［ ２ ］ 一致． ４ 结论 １ ） 由炉顶喷嘴喷进的气固两相流受雾化角和 炉体结构影响， 除位于炉中心的主射流外， 在筒体 上部以一定角度向周围分散流动， 分别形成贯穿整 个筒体段的大回流和锥体段的局部小回流， 有利于 煤粉颗粒与气体充分接触， 延长颗粒在炉内的停留 时间， 进而有助于充分反应． ２ ） 进入气化炉的颗粒约 ４ ６ ％在气化炉内的停 留时间小于 １ｓ ， ９ ３ ％的颗粒在气化炉内的停留时 间在 ５ｓ 以内， 颗粒从气化炉下部出口流出气化炉 的最短时间为 ０  ５ｓ ． 模拟结果与实验观测在定性 分布和可比定量分布上都非常一致． ３ ） 颗粒在壁面的沉积通量由上至下逐渐增 大， 在锥体段急剧增大并达到最大值， 为其他区域 的 ３倍左右； 当气化炉的负荷减少超过 ４ ０ ％时， 沉 积通量的最大值将会向上移动． ４ ） 沉积于拱顶壁面的颗粒 ６ ０ ％以上在炉内的 停留时间小于 １ｓ ； 筒体段由上至下停留时间在 １ｓ 以内的颗粒所占百分比从 ３ ０ ％增加到 ５ ７ ％， 沉积 于筒体段上部壁面的颗粒有 ５ ０ ％以上是由回流夹 带上去的； 未被回流夹带上去的颗粒多沉积于锥体 段壁面， 导致壁面沉积通量急剧增加， 停留时间较 短的颗粒所占的百分比也逐步增大． 参考文献 （ Ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ） ［ １ ］Ｃ ｈ ｏ ｉ ＹＣ ， Ｌ ｉ ＸＹ ， Ｐ ａ ｒ ｋＴＪ ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｆ ｌ ｏ ｗｆ ｉ ｅ ｌ ｄｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ａ ｎｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ  ｆ ｌ ｏ ｗｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｋ ｏ  ｒ ｅ ａ ｎＪ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， ２ ０ ０ １ ， １ ８ （ ３ ） ３ ７ ６ ３ ８ １ ． ［ ２ ］Ｃ ｈ ｅ ｎＣ ， Ｈ ｏ ｒ ｉ ｏＭ， Ｋ ｏ ｊ ｉ ｍ ａ Ｔ ． Ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎｔ ｈ ｅｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄｓ ｃ ａ ｌ ｅ  ｕ ｐｏ ｆ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄｆ ｌ ｏ ｗｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ  ｅ ｒ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｆ ｕ ｅ ｌ ， ２ ０ ０ １ ， ８ ０ （ １ ０ ） １ ５ １ ３ １ ５ ２ ３ ． ［ ３ ］龚欣， 于建国， 王辅臣， 等． 冷态德士古气化炉流场与 停留时间分布的研究［ Ｊ ］ ． 燃料化学学报， １ ９ ９ ４ ， ２ ２ （ ２ ） １ ８ ９ １ ９ ５ ． Ｇ ｏ ｎ ｇＸ ｉ ｎ ， Ｙ ｕＪ ｉ ａ ｎ ｇ ｕ ｏ ， Ｗａ ｎ ｇＦ ｕ ｃ ｈ ｅ ｎ ， ｅ ｔａ ｌ ． Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｆ ｃ ｏ ｌ ｄｆ ｌ ｏ ｗｆ ｉ ｅ ｌ ｄａ ｎ ｄｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｉ ｍ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｆ ｕ ｅ ｌ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ  ｇ ｙ ， １ ９ ９ ４ ， ２ ２ （ ２ ） １ ８ ９ １ ９ ５ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ４ ］郝英立， 许忠林， 刘升． 多喷嘴对峙煤气化炉内气固两 相流动及壁面沉积率［ Ｊ ］ ． 东南大学学报 自然科学 版， ２ ０ ０ ８ ， ３ ８ （ ３ ） ４ ６ １ ４ ６ ７ ． Ｈ ａ ｏＹ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ， Ｘ ｕＺ ｈ ｏ ｎ ｇ ｌ ｉ ｎ ， Ｌ ｉ ｕＳ ｈ ｅ ｎ ｇ ． Ｇ ａ ｓ  ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｔ ｗ ｏ  ｐ ｈ ａ ｓ ｅｆ ｌ ｏ ｗ ｓａ 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 ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｐ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ 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 ， ２ ０ ０ ８ ， ３ ８ （ ３ ） ４ ６ １ ４ ６ ７ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ５ ］梁万才， 赵建涛， 吴晋沪， 等． 两段式气流床煤气化炉 内气固流动数值模拟研究［ Ｊ ］ ． 燃料化学学报， ２ ０ ０ ７ ， ３ ５ （ ３ ） ３ ５ ９ ３ ６ ５ ． Ｌ ｉ ａ ｎ ｇＷａ ｎ ｃ ａ ｉ ， Ｚ ｈ ａ ｏＪ ｉ ａ ｎ ｔ ａ ｏ ， ＷｕＪ ｉ ｎ ｈ ｕ ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ  ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｆ ｌ ｏ ｗ ｉ ｎｔ ｈ ｅｔ ｗ ｏ  ｓ ｔ ａ ｇ ｅｅ ｎ  ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄｆ ｌ ｏ ｗｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｆ ｕ ｅ ｌ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ ０ ７ ， ３ ５ （ ３ ） ３ ５ ９ ３ ６ ５ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ６ ］许建良， 代正华， 李巧红． 气流床气化炉内颗粒停留时 间分布［ Ｊ ］ ． 化工学报， ２ ０ ０ ８ ， ５ ９ （ １ ） ５ ３ ５ ７ ． Ｘ ｕＪ ｉ ａ ｎ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｄ ａ ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ ， Ｌ ｉ Ｑ ｉ ａ ｏ ｈ ｏ ｎ ｇ ． Ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅｒ ｅ ｓ ｉ  ｄ ｅ ｎ ｃ ｅｔ ｉ ｍ ｅｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｉ ｎｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ  ｆ ｌ ｏ ｗｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙａ ｎ ｄＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， ２ ０ ０ ８ ， ５ ９ （ １ ） ５ ３ ５ ７ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ７ ］吴玉新， 张建胜， 岳光溪， 等． 用于 Ｔ ｅ ｘ ａ ｃ ｏ气化炉同轴 射流计算的不同湍流模型的比较［ Ｊ ］ ． 化工学报， ２ ０ ０ ７ ， ５ ８ （ ３ ） ５ ３ ７ ５ ４ ３ ． ＷｕＹ ｕ ｘ ｉ ｎ ， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇＪ ｉ ａ ｎ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｙ ｕ ｅＧ ｕ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｃ ｏ ｍ  ｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｉ ｎｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｃ ｏ  ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｊ ｅ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ ｏ ｆＴ ｅ ｘ ａ ｃ ｏｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙａ ｎ ｄＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， ２ ０ ０ ７ ， ５ ８ （ ３ ） ５ ３ ７ ５ ４ ３ ．（ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ８ ］Ｓ ｈ ｉ ｈＴ  Ｈ ， Ｌ ｉ ｏ ｕＷ Ｗ， Ｓ ｈ ａ ｂ ｂ ｉ ｒ Ａ ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ａｎ ｅ ｗｋ  εｅ ｄ ｄ ｙ ｖ ｉ ｓ ｃ ｏ ｓ ｉ ｔ ｙｍ ｏ ｄ ｅ ｌｆ ｏ ｒｈ ｉ ｇ ｈＲ ｅ ｙ 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