袁炳 ![]()
郭进军李晓飞梁军辉李振祥龙晓东姜从斌DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223196摘 要 气流床煤气化技术是煤炭清洁利用的重要手段之一，气化炉作为气流床煤气化的核心设备，通常分为燃烧室和激冷室两部分。其中，下降管-上升管结构的激冷室在煤气化装置中广泛应用。本工作采用数值模拟的方法对激冷室中的气液两相流动进行研究，分析了激冷室中出现合成气从黑水管串气问题的原因，并针对串气问题提出了三种激冷室结构改进方案：延长黑水出水口(结构A)；向下延长上升管(结构B)；靠近黑水出口管方向，在上升管上增加挡板(结构C)。模拟结果表明三种改进方案均能够避免串气问题。此外，还对不同结构激冷室黑水池中液固两相流进行了数值模拟，研究激冷室结构对不同粒径灰渣颗粒带出率的影响，结果表明，结构C的激冷室灰渣带出率最小，其次为结构A，这两种结构方案适用于对滤饼无回收利用的情况；相比原始结构，结构B对粒径≤20 μm的颗粒带出率较高，大颗粒带出率降低，更适合对滤饼中残碳回收利用的情况。
关键词 激冷室；多相流；串气；结构优化；颗粒带出率
碳达峰和碳中和是我国的重大国家战略[1]。受我国能源结构的限制，煤炭是我国长期的基础能源。因此，我国的策略是发展清洁煤气化工艺，争取在2025年，通过新型清洁煤炭应用技术，逐步形成煤基能源的化工工业体系[2-4]。气流床煤气化技术以生产合成气为主要目的，是煤清洁利用的重要手段之一[5]。对从气化炉产出的高温合成气的冷却方式主要分为激冷流程、废锅流程和半废锅流程。其中HTL炉、Texaco等采用的下降管-上升管式激冷室由于设备简单、操作方便、前期投资少等优点，是目前使用最为广泛的合成气冷却与分离装置[5-7]。近年来，国内外学者对下降管-上升管式激冷室中的带水、带灰等制约煤气化装置稳定运行的问题进行了大量研究。王旭宾[8]根据国内3套水煤浆加压气化装置的传热计算，分析得出激冷室中传热恶化是引起带水量增大的主要原因，建议当气化炉负荷增大时，激冷室的传热面积、气液分离空间等也应增大。王铁军等[9]通过对气化炉的结构与现场运行参数进行分析，得出激冷室带水由激冷室结构的局限性决定，但可以通过控制炉温、增大激冷水流量、控制负荷等操作来防止激冷室带水过多。刘洪忠等[10]通过现场运行经验，指出可以通过激冷室液位降低、文丘里压差增大、洗涤塔液位上升等现象来判断激冷室带水量增多。王军伟[11]分析了激冷水水质、煤质对激冷室中激冷环和下降管结垢、烧蚀的影响，通过在凉水塔及沉降池中将钙离子排除系统以及增加激冷水过滤器补偿系统的方法，延长了气化炉激冷室的运行周期。文献[12-14]通过数值模拟的方法，对激冷室中的气液固三相的流动与传热/传质过程进行了模拟，研究了激冷室下降管中合成气与激冷水的流动与传热规律。激冷室液位设计值通常为50% (液位计显示百分位)，然而，由于煤种、负荷、氧煤比等操作条件变化以及激冷室带水等问题，许多企业激冷室很难保持正常液位。当激冷室液位较低(低于35%)时，虽然大部分经过水浴冷却以及洗灰后的合成气会经上升管的喇叭口收集进入下降管与上升管之间的环隙，但也会有部分合成气从上升管底部冒出[15]。通过对多个工厂激冷室低液位运行情况进行观测，发现从上升管底部冒出的合成气会从黑水出口串出，发生串气现象。从黑水出口串出的合成气通过后续闪蒸单元后，会直接燃烧排空处理，造成资源浪费。而当气化炉负荷高，激冷室液位较低时，串气问题则会更加严重。针对下降管-上升管结构的激冷室中的串气现象，若采用实验的方法进行研究，存在成本高且难以复现真实工况的问题。因此，本工作通过数值模拟的方法，对串气过程进行了模拟分析，并提出了不同的结构改进方案来避免串气的发生；此外，结合激冷室中灰渣颗粒的分离要求，对不同改进结构的激冷室的颗粒带出率进行了对比。图1为下降管-上升管式激冷室结构示意图。激冷水进入激冷环后由一定宽度的槽缝紧贴下降管内壁形成水膜进入激冷室，与合成气并行流动进行传质传热。冷却后的合成气进入黑水池，然后从下降管与上升管之间的间隙向上流动，这个过程中与黑水充分接触，洗掉合成气携带的大部分灰渣，最后从合成气出口流出，进入下一个单元。由于合成气在激冷室中的冷却过程主要在下降管段完成[16,17]，且激冷室关于合成气出口与轴心所在面对称，为了降低计算量，将激冷室的一半作为计算域，进行串气以及粗、细灰渣运动问题的研究。所选的计算域如图2所示，设置的计算域仅为合成气入口在激冷室下端黑水池液面之上，激冷水入口紧贴下降管内壁。![]()
图1 下降管-上升管式激冷室结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of downcomer-riser pipe quench chamber![]()
图2 计算域结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of computational domain根据表1所示的操作条件，先对激冷室中气液两相流动进行模拟，初始时刻黑水池液面保持稳定。图7为不同时刻原始结构激冷室中液相相含率分布云图，从t=4和6 s的相含率分布图中可以明显看到，现有的激冷室结构，在表1所示的液位与进气量操作下，会存在激冷室串气的问题，与实际情况相吻合。![]()
图7 不同时刻原始结构激冷室中液相相含率分布Fig.7 Distributions of liquid volume fraction at different times in quench chamber with original structure从图7中气液两相分布的变化分析，黑水池出现的气泡可能主要由两方面作用而导致的：一是当激冷水占据下降管与上升管通道时，下降管与合成气出口存在较大压差，部分合成气会从上升管下沿冒出，从而引起从黑水管串出的情况；二是上升管与下降管间隙中的黑水下降过程中，会将合成气带到液面下方，这些气泡也可能从黑水管流出。工业生产过程中，受煤质、反应物流量以及反应波动等影响，进入激冷室的合成气流速存在波动，串气问题会更加明显。因此有必要针对该问题对激冷室结构进行改进。由于现有激冷室的串气问题主要是合成气从上升管下部冒出，然后从黑水出口流出，因此提出了三种改进结构来解决串气问题。如图8所示，结构A将黑水出水口直段延长1.0 m，当合成气从上升管下部冒出后，气泡受浮力影响，下串的深度有限，黑水出水口延长后，合成气更难从黑水出口串出；结构B将上升管向下延长1.5 m (上升管与下锥段最近距离预留检修空间)，将上升管延长的目的是限制合成气从上升管下部串出，从而避免串气现象发生；结构C则是在靠近黑水出口管方向，在上升管上增加一个长1.5 m的四分之一圆筒挡板，目的是通过挡板阻止气泡从黑水出口一侧冒出。![]()
图8 三种激冷室改进结构Fig.8 Three improved quench chamber structures对A, B和C三种改进结构采用同样的模型、条件以及网格精度进行模拟，得到3种改进结构激冷室内的液相相含率分布随时间的变化，如图9~11所示。从图9~11中可以看出，三种改进结构相对于原来的激冷室结构都能明显地避免合成气从黑水出口串出的问题。![]()
图9 结构A激冷室中不同时刻液相相含率分布Fig.9 Distributions of liquid volume fraction at different times in quench chamber with structure A![]()
图10 结构B激冷室中不同时刻液相相含率分布Fig.10 Distributions of liquid volume fraction at different times in quench chamber with structure B![]()
图11 结构C激冷室中不同时刻液相相含率分布Fig.11 Distributions of liquid volume fraction at different times in quench chamber with structure C改进激冷室结构能够避免激冷室串气的发生，但结构的调整同样会影响灰渣颗粒在激冷室中的运动行为，从而影响最终的粗细渣比。因此有必要进一步分析不同改进结构内灰渣颗粒的运动过程。激冷室中气、液、固三相流动过程为非稳态过程，假设从颗粒进入激冷室到颗粒在激冷室中运动达到平衡(各个粒径颗粒在出口的质量流率保持不变)需要0.5 h。经测算利用60核心Intel Xeon processor, 2.1 GHz, 31.3 GB RAM的服务器并行计算，所需时间超过1年，计算量太大，且随着计算的进行，计算域内涵盖的颗粒数越来越多，对服务器内存也存在考验。通过对激冷室气液两相流动模拟可知，合成气对黑水池深处以及黑水出口处扰动较小，因此仅对黑水池中灰渣颗粒的运动进行模拟，即忽略合成气对黑水池扰动的影响，所采用的计算域如图12所示。![]()
图12 四种不同结构激冷室灰渣颗粒运动模拟计算域Fig.12 Computational domains in four different quench chambers for the simulation of ash particle movement图13为不同结构激冷室中灰渣颗粒的带出率随颗粒直径的变化。从图中可知，同一激冷室结构条件下，灰渣从黑水出口的带出率随着粒径增大而逐渐降低，原因是颗粒的粒径越大，单位质量颗粒所受曳力越小[式(5)所示]，颗粒对流体的跟随性越差，越容易在黑水池中依靠重力沉降下来，而粒径越小，颗粒的跟随性越好，越容易被流体夹带从黑水口流出。![]()
图13 不同结构激冷室中不同粒径颗粒的带出率Fig.13 Entrainment rates of particles with different sizes in quench chambers with different structures通过对比四种不同结构激冷室中颗粒带出率的模拟值可以看出，对于粒径≤113 μm的颗粒，采用结构C (即加装挡板的结构)的激冷室带出率均最小，其次为结构A (即黑水管延长结构)。当颗粒粒径≤20 μm时，激冷室原始结构与结构B(上升管向下延长结构)灰渣带出率相差较小，而当颗粒粒径大于20 μm时，结构B灰渣带出率明显小于原始结构。图14为不同结构激冷室黑水池中黑水的流线分布。从图中可看出，与原始结构相比，结构C会使部分黑水从侧面绕过挡板，延长了液固分离时间，从而使颗粒带出率降低。与原始结构相比，结构A使黑水出口与进口距离增大，可以让颗粒沉降一段距离后再靠近出口，由于颗粒惯性以及扩散效果，颗粒被带出更少。与原始结构相比，结构B同样可以让颗粒沉降一段距离再受黑水出口影响，但由于黑水向上流动面积增大，流速增大，因此小颗粒容易被带出。![]()
图14 不同结构激冷室黑水池中流体流线分布
Fig.14 Streamlines of liquid in the black pool in quench chambers with different structures虽然本工作对颗粒带出率的研究没有考虑合成气扰动以及被合成气带出的影响，但是鉴于灰渣颗粒在扰动黑水中会呈现均匀分布，因此单纯对黑水池中灰渣颗粒带出率进行研究，仍可以作为工业激冷室结构改进的依据。在实际生产中，若工厂将黑水压滤后的滤饼和原煤投入锅炉中进行混烧，建议采用结构B，可以将含碳量更高的小颗粒带到滤饼中，提高残碳的利用率；而对于未对滤饼中残碳进行回收处理的工厂，建议使用结构C或A，可以降低黑水中的固含量，减少后续管道磨损，也能降低黑水沉降、压滤等单元的处理量。通过数值模拟的方法，对在实际生产工况操作下的下降管-上升管结构式激冷室中多相流动过程进行了模拟研究。通过VOF模型模拟发现，气化炉激冷室结构中存在合成气串气问题(合成气从黑水出口逸出)。针对该问题提出了三种改进方案，并利用离散相模型对不同结构激冷室黑水池中黑水与灰渣颗粒的分离过程进行液固两相流模拟，得到如下结论：(1) 在激冷室液位较低时存在合成气从黑水出口流出的串气现象。(2) 针对合成气串气问题，提出的结构A (黑水管延长结构)、结构B (上升管向下延长结构)、结构C (挡板结构)三种结构改进方案，均能够有效避免激冷室串气现象发生。(3) 分析不同粒径的灰渣颗粒运动，结果显示，当颗粒粒径≤113 μm时，采用结构C的激冷室灰渣带出率最小，其次为结构A；当颗粒粒径≤20 μm时，激冷室原始结构与结构B灰渣带出率相差较小，而当颗粒粒径大于20 μm时，结构B灰渣带出率明显小于原始结构。从残碳利用与循环水质量综合考虑，建议对滤饼中残碳进行回收利用的工厂采用结构B，对滤饼无回收利用的工厂，采用结构C或A来对激冷室进行改进，避免串气现象发生。
Numerical simulation of multiphase flow process and structural improvement measures in the quench chamber of a gasifier
Bing YUAN ![]()
Jinjun GUOXiaofei LIJunhui LIANGZhenxiang LiXiaodong LONGCongbin JIANG
Changzheng Engineering Co., Ltd., Beijing 100010, China
Abstract: The entrained flow coal gasification technology is one of the important means for the clean utilization of coal. In the syngas cooling device, the quench chamber with riser-downcomer structure is widely used in the coal gasification device. There is a situation where synthetic gas escapes from the black water outlet in the quench chamber of this type of quench chamber, resulting in a waste of resources. In this work, the gas-liquid two phase flow in the quench chamber is stuided with the numerical simulation method. The causes of syngas escape problem from the black water outlet in the quench chamber are analyzed, and three improved structures for the quench chamber are proposed as follow: extending the black water outlet pipe (structure A), extending the riser pipe downwards (structure B), adding a baffle on the rising pipe near the black water outlet (structure C). The simulation results indicate that all three improvement schemes can avoid the problem of syngas escape. In addition, the liquid-solid two phase flow in the black pool with four structures (structures A, B, C, and the original structure) are simulated, and the carry-out rate of ash particles with different particle sizes under the same conditions are compared in different structures. The results show that the carry-out rate of ash particle in the improved structure C is the smallest, followed by the structure A. These two structural schemes are suitable for the situation where the residual carbon in the filter cake is not recycled, and the low carry-out rate of ash by black water is beneficial for improving the water quality of the water circulation system. Compared with the original structure, the structure B has a higher carry-out rate for particles size smaller than 20 μm, but a low carry-out rate for large particles, which is suitable for recycling the residual carbon in the filter cake.Keywords: quench chamber；multiphase flow；gas escape；structure improvement；particle carry-out rate引用本文： 袁炳, 郭进军, 李晓飞, 等. 气化炉激冷室中多相流动过程模拟与结构优化. 过程工程学报, 2024, 24(3): 315-325. (Yuan B, Guo J J, Li X F, et al. Numerical simulation of multiphase flow process and structural improvement measures in the quench chamber of a gasifier (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(3): 315-325, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223196.)
作者简介：袁炳，博士研究生，化学工程专业，E-mail: bingyuanchina@163.com
中图分类号： TQ545
文章编号：1009-606X(2024)03-0315-11
文献标识码： A
收稿日期：2023-07-14
修回日期：2023-09-18
出版日期：2024-03-28
网刊发布日期：2024-04-03
