煤炭燃燒單噴嘴氣化爐內(nèi)稠密氣-固兩相旋流濃度場研究姚敏' ,劉萬洲',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(zé)任公司,寧夏靈武750411;2.華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點實驗室，上海200237)摘要;旋轉(zhuǎn)射流在實際工程中應(yīng)用廣泛,利用PV6D顆粒測速儀測量了旋轉(zhuǎn)射流氣化爐內(nèi)顆粒的濃度場特性。結(jié)果表明:加旋情況下,噴嘴軸線處的顆粒濃度較不加旋時衰減快,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;隨著固氣質(zhì)量比和顆粒粒徑的減小，顆粒軸線的相對濃度衰減加快。關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)射流;顆粒濃度分布;氣固兩相流;PV6D顆粒測速儀中圖分類號: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(yīng)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":通道噴嘴進行了模擬,并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進研究顆粒在流體中的彌散以及顆粒對流動的影響。行了對比,發(fā)現(xiàn)顆粒濃度分布受噴嘴形狀和氣體運顆粒的彌散直接影響著顆粒在流場中的濃度分布，動參數(shù)影響非常大。 許建良|12] 使用PV4A對相應(yīng)許多研究者對氣固射流中顆粒的彌散進行了深人工況下噴嘴軸線上的顆粒速度和濃度進行測量,發(fā)的研究(2-5)?，F(xiàn)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(yīng)用變化規(guī)律與速度的變化規(guī)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。進料。Mostafafl用實驗和數(shù)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始區(qū)和過渡區(qū)進行了研究,認為顆粒的射流進行了直接數(shù)值模擬,模擬發(fā)現(xiàn)滑移旋轉(zhuǎn)力對加入降低了氣體的湍動程度,同時也增進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(xiàn)了所謂的“噎塞"現(xiàn)象,顆粒氣體的氣固同軸射流進行研究,認為射流充分發(fā)展的運動和脈動以及剪應(yīng)力特性強烈依賴于流體的區(qū)顆粒濃度分布和兩相的平均速度都表現(xiàn)出相似湍動,小顆粒進行強螺旋運動而大顆粒則進行弱螺性;兩相射流的擴散比單相射流慢;外通道氣速的旋運動甚至徑向運動。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。 在實際的工程中，加旋稠密對顆粒的徑向彌散沒有明顯的影響,但使射流中心氣固射流的現(xiàn)象常有發(fā)生,特別是在粉煤氣化過程線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作者簡介:姚敏(1965-) ,男,寧夏靈武人,高級工程師,碩士研究生,現(xiàn)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)類核心期刊J非常高,將影響到氣化的效率,氣化爐的設(shè)計等,因為81,125,159 pum。實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)價為流場特征長度,內(nèi)通道氣體射流速度u。為特征速值和應(yīng)用價值。度計算Stokes數(shù),則3種平均粒徑分別對應(yīng)的Stokes數(shù)為99.3 ,236.4 ,382.5。1實驗裝置與方法1.1 實驗裝置空氣實驗裝置的主體部分是按比例對工業(yè)氣化爐進行縮小的氣化爐模型,爐體由有機玻璃制成,高800mm,直徑φ280mmx10mm。實驗流程如圖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(nèi)通道噴出。2臺由調(diào)速電機驅(qū)動的螺旋加料機同時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(wěn)定流出。圖2實驗噴嘴結(jié)構(gòu)2實驗結(jié)果與討論2.1旋流數(shù)對濃度場分 布的影響28實驗條件: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氣固兩相流實驗流程2.1.1相對濃度軸線分布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(shù)對爐內(nèi)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,分別對不加旋流器(S=0),加旋流實驗用中科院過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(nèi)的粒測速儀測量顆粒濃度場。氣固兩相經(jīng)噴嘴噴出濃度進行測量,相對濃度沿軸線分布結(jié)果見圖3。進入爐體,連接PV6D顆粒測速儀的探針伸人爐體2+S=0.內(nèi)進行測量,測量信號經(jīng)計算機處理后輸出。以坐+5-0.386- + S-0.511 .標r表示探針測點距所在平面中心的距離,取中心為零點;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。由PV6D顆粒測速儀可以0.3-得到2個不同測量點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實驗方法圈3不同旋流數(shù)下顆粒相對濃度軸線分布采用不同的旋流導(dǎo)流葉片來獲取噴嘴出口的圖3中的濃度數(shù)據(jù)均是相對濃度值:軸線上的旋流。實驗所用噴嘴與工業(yè)化噴嘴相似,圖2為實濃度值(C, )為各個測量點和距噴嘴平面9.5 cm的驗噴嘴結(jié)構(gòu),其中內(nèi)通道直徑d,20 mm;外通道內(nèi)徑平面中心濃度值相除所得結(jié)果;每個平面徑向上的D,24 mm;外通道外徑D.,27 mm; 環(huán)隙尺寸a,濃度值(C,)為各個測量點和所在平面中心的濃度1.5 mm;噴嘴交匯角ax=30° ,β=70°。實驗中用到值相除所得結(jié)果。可以看出:加旋流器時的顆粒相的2種旋流器的旋流數(shù)分別為0.386和0.511,置于對河|中國煤化，工時快。但這種衰減圖2虛線所示位置。所用3種固體顆粒均為玻璃微MHCNMHG=0.511 比旋流數(shù)s珠,密度為2490 kg/m' ,用MASTER SIZER 2000馬=0. 580時軸線相對限度裝域便,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(shù)增大, 內(nèi)回流強度增強而引起的。姚敏等:單噴嘴氣化爐內(nèi) 襇密氣-固兩相旋流濃度場研究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(nèi)大部分區(qū)域顆粒濃度分布變得均6所示，在中心通道有旋時,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(zhuǎn)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(nèi)表的橫向混合1能力增強,圖4為不同旋流數(shù)下顆粒相觀氣速使得這種駝峰形分布持續(xù)的軸向距離長短對濃度徑向分布。從圖4可知，由于旋流的作用,更不一。氣固兩相射流中,氣流是固體顆粒動量的主多的顆粒向徑向運動,增加了顆粒在爐內(nèi)的停留時要來源,表觀氣速對顆粒彌散起著相當重要的作間,加旋后壁面的相對濃度明顯高于軸線濃度,這用,太小的表觀氣速使-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的旋流動量,所以大的固氣質(zhì)量比條件下,顆粒在爐體下器對爐內(nèi)濃度場的影響比s =0.386更明顯,在爐體部不能獲得足夠的動量跟隨氣流旋轉(zhuǎn)運動,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時在較短軸向距離內(nèi)駝峰形分布即消失,在遠地趨于均勻。離噴嘴的地方因旋轉(zhuǎn)速度變小,射流已基本不旋◆mp/mg=1.5轉(zhuǎn),與S=0時濃度分布相似。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)比時顆粒相對濃度徑向分布0.2.3顆粒粒徑對濃 度場分布的影響實驗條件:采用S為0.386旋流器,顆粒流量圖4不同旋流數(shù)下顆粒相對濃度徑向分布2.2 固氣質(zhì)量t比對濃度場分布的影響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相對濃度軸線分布=1.5。量m,0.032 kg/s,顆粒平均粒徑d, ,81 pum。 .在上述實驗條件下,對顆粒平均粒徑d,分別為2.2.1相對濃度軸線分布在顆粒質(zhì)量流量不變的情況下，調(diào)節(jié)氣量Q=81,125,159μm時爐內(nèi)的相對濃度進行測量,相對60,50,40 m'/h,相對應(yīng)固氣質(zhì)量比m./m, =1.5,濃度沿軸線分布如圖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(nèi)的相對濃度進道、中心為旋轉(zhuǎn)射流的氣固兩相同軸射流, St =99.3行測量,相對濃度沿軸線分布結(jié)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)量比較小時顆粒的軸線濃St =382.5(d, = 159 μm)的軸線濃度衰減都快,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,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,氣固間動量交換3.5D時的20%,小顆粒由于較好的跟隨性,在近噴嘴區(qū)域旋轉(zhuǎn)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)比時顆粒相對濃度軸線分布圈7不同顆粒粒徑時顆粒相對濃 度軸線分布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)類核心期刊J大顆粒由于慣性大，馳豫時間長,不容易受到氣流參考文獻:的影響,離開噴嘴后更能保持人口射流的方向,故軸線濃度衰減緩慢。[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粒快,在到達x =3.5D。時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(xiàn)明顯變化。在遠離噴嘴[4]范全林,張會強.寬粒徑分布氣粒兩相圓湍射流特性研的區(qū)域,顆粒和氣流基本處于自由旋轉(zhuǎn)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(qū)。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(qū)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(xiàn)象越明顯。因此出現(xiàn)了d, =125 μm的顆lution of particle-laden jet flows-A theretical and experi-粒在氣化爐模型內(nèi)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(xiàn)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不同顆粒粒徑時顆粒相對濃度徑向分布[10] RB Wicker, J K Eaton. Stucture of a swirling, reircu-3結(jié)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衰減快;近噴嘴的平面顆粒濃度分布較均勻;離開初始[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(xiàn)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(qū)域內(nèi)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(nèi)多相湍流反應(yīng)流動的實驗研(3)加旋流器時的顆粒濃度軸線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(nèi)稠密氣 -固兩相旋流依度場研究煤炭燃燒36(3): 234 -243.[1S]于遵宏，于建國,沈才大,等.德士古氣化爐氣化過程[14]陳永斌,徐益謙.氣固受限同軸射流顆粒彌散的實驗剖析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)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