水煤浆烧嘴头部混合流动及压差波动数值仿真模拟

时间：2024-09-03

李晓鹏，朱晓龙，王凯

（1.西安航天源动力工程有限公司，陕西西安 710100；2.西安航天动力研究所，陕西西安 710100）

引言

工艺烧嘴是水煤浆气化炉的核心设备之一，一般为三通道结构，并根据雾化形式的不同分为预混式和预膜式。三通道的中心和外侧为氧气管道，中间为水煤浆管道。通过氧流股和煤浆流股的动量交换，达到雾化煤浆的目的，从而为气化炉内的燃烧和气化过程创造条件。

烧嘴压差（进烧嘴水煤浆压力与气化炉操作压力的差值）是气化工艺重要控制指标，一般为0.2 MPa～0.6 MPa。正常工况下，烧嘴压差保持稳定，运行后期，随着烧嘴的磨损，烧嘴压差会逐渐降低，当不能满足雾化要求时，则需要对烧嘴进行修复。

在生产运行中，当水煤浆的物性参数和烧嘴头部尺寸发生改变后，烧嘴压差有时会发生频繁波动，这会造成烧嘴的雾化效果变差，严重时引起烧嘴头部回火烧蚀，影响气化炉安全、稳定、长周期运行[1]。一般情况下，当生产系统运行稳定时，气化炉操作压力也相对稳定，烧嘴压差波动可能与水煤浆的黏度和烧嘴头部尺寸有关。

当前通过试验研究来分析烧嘴压差波动存在较大的困难和条件限制，水煤浆工艺烧嘴喷头结构尺寸对烧嘴压差的影响并无相关研究。而通过数值仿真模拟烧嘴头部氧气和水煤浆的流动及混合作用，可代替试验深入研究烧嘴压差波动的机理，也有助于认识烧嘴雾化过程，有效减小烧嘴压差波动对运行的影响。本文采用商业软件FLUENT 进行数值仿真，研究了水煤浆黏度变化对水煤浆入口压力波动引起的烧嘴压差波动的影响和不同的烧嘴结构对烧嘴压差波动及头部流场分布的影响。

1 物理模型与计算方法

1.1 物理模型与研究问题

此次数值仿真研究的对象为预混式烧嘴（其结构模型见图1）和预膜式烧嘴（其模型见图2），选取的烧嘴设计流量如表1 所示。注：进烧嘴氧气压力7.48 MPa，温度40 ℃。

图1 预混式烧嘴结构模型

图2 预膜式烧嘴结构模型

表1 2 种不同结构的烧嘴设计流量m3/h

此次研究的仿真算例如表2 所示。通过Case1 和Case2 可分析水煤浆黏度变化对水煤浆入口压力波动引起的烧嘴压差波动及流场分布的影响规律；通过Case1 和Case3 可分析不同的烧嘴结构形式对烧嘴压差波动和头部流场分布的影响规律。

表2 数值仿真算例

1.2 控制方程与计算模型

此次数值仿真研究的可压缩性流动用FLUENT 所解的标准连续性和动量方程来描述，能量方程能很好地处理流动速度和静温之间的耦合，FLUENT 所解的能量方程见方程式（1）：

在式（1）中：

其中，对于可压缩性流体，理想气体的显焓为：

式中：ρ——密度，kg/m3；E——单位质量流体的能量，kJ/kg；t——时间，s；u——速度，m/s；P——压力，Pa；Keff——有效热传导系数，W/（m·K）；T——静温，K；hj′——组分j′的焓，kJ/kg；Jj′——组分j′的扩散流量，m3/s；(τij)eff——应力张量，Pa；Sh——包括了化学反应热以及其他用户定义的体积热源项，kJ；h——显焓，kJ/kg；mj′——组分j′的质量分数，%；ui——速度在介质主流动方向的分速度，m/s；uj——速度在垂直于介质主流动方向的分速度，m/s；i——介质主流动方向；j——介质主流动方向的垂直方向；j′——模拟对象的介质组分。

主要计算模型选择：多相流采用Volume of Fluid Model，湍流采用 Standard k-ε Model。

由于水煤浆烧嘴为轴对称结构，所以采用二维轴对称模型（如图1 和图2 所示）。求解方式采用压力基求解器和瞬态计算。综合考虑各种选项的精度、计算开销、数值稳定性等，各变量均采用二阶迎风格式。

1.3 边界条件

仿真模型主要边界条件设置如表3 所示。

表3 仿真模型主要边界条件

2 结果与分析

2.1 水煤浆雾化过程

模拟过程中，可直观地观测水煤浆的雾化过程：来自烧嘴中间管道的水煤浆流在预混腔内，被中心氧气冲散，形成不规则的液膜，同时部分液膜在中心氧喷口处的涡流作用下，被进一步剥离形成丝带状细流；经过预混加速后的膜状流体在烧嘴出口处被外环氧高速剪切后，进入气化炉内，变成大量的液滴；在气化炉内煤浆液滴继续和高速氧气进行动量交换，最终液滴在摩檫力和内部引力的共同作用下，被破碎成更细的雾滴。

根据上述模拟结果，可知水煤浆的雾化分两个阶段，第一阶段是水煤浆流在中心和外环氧气流作用下破碎成煤浆滴，一般称这一阶段为初次雾化；第二阶段是水煤浆滴在高速氧气流作用下被破碎成更小的雾滴，一般称这一阶段为水煤浆的二次雾化。

2.2 速度和组分分布流场

3 个算例中氧气和水煤浆的组分分布云图如图3所示，速度分布云图如图4 所示。

图3 流体组分（体积分数）分布云图

图4 流体速度分布云图（单位：m/s）

从图3 可看出，在预混式结构中，中心氧气和水煤浆在烧嘴头部预混腔内进行动量交换，高速氧气从中心喷口射流出来，在外侧预混区产生涡流，将水煤浆剥离成膜状，然后在外环氧进一步作用下转变成丝带状，最后变成小雾滴。当水煤浆的黏度发生改变时，预混腔内的动量交换和流场分布也开始变化，尤其明显的是水煤浆的雾化效果和流动稳定性。

从图4 可看出，在预混式结构中，中心氧气和水煤浆从烧嘴头部混合后喷出，动量交换作用引起瞬时流量交替变化。当水煤浆的黏度降低时，中心氧气和煤浆的动量交换作用更强烈，两者混合后流速更大，水煤浆雾化效果会更好，但需要注意的是，此时水煤浆流的压力、速度稳定性会变差。

对比预混式结构，预膜式结构则不存在中心氧气和水煤浆在预混腔内的动量相互作用，因此水煤浆流的压力、速度参数相对比较稳定。综上所述，预膜式烧嘴对水煤浆物性参数变化的适应性更好。

2.3 黏度对水煤浆入口压力的影响

Case1 和Case2 算例中，流体的压力分布云图如图5 所示。由图5 可知，高黏度时，烧嘴预混腔内压力与水煤浆流压力差别很小，而低黏度时，烧嘴预混腔内压力明显低于水煤浆流压力。

4.执法人员的综合素养有待提高。作为落实“谁执法谁普法”责任制的直接责任人，执法人员的专业素质和法治素养直接决定了“谁执法谁普法”的工作实效。落实“谁执法谁普法”责任制，对一线的执法人员提出了更高的要求，不仅专业要过硬，更要有良好的法治素养。调研中发现，部分执法人员专业业务过硬，但法治素养较弱，运用法治思维与法治方式解决问题的能力还不够强，在面对群众释法说理上存在一定的短板。

图5 流体压力分布云图（单位：Pa）

选取水煤浆入口边界点进行压力监测，Case1 和Case2 对应的监测点处水煤浆压力波动频率、振幅分别如图6 和图7 所示。

图6 水煤浆入口压力波动频率

图7 水煤浆入口压力波动振幅

由图6、7 可知，当水煤浆黏度为 1 200 mPa·s 时，水煤浆入口监测点处压力波动频率分别为135 Hz 和310 Hz，压力波动范围为 6.63 MPa～7.38 MPa；水煤浆黏度为100 mPa·s 时，水煤浆入口监测点处压力波动频率分别为180 Hz 和310 Hz，压力波动范围为6.80 MPa～7.30 MPa。

对比分析Case1 和Case2 可知，低黏度时，在预混腔内中心氧气和水煤浆的动量交换作用更强烈，雾化效果则更好，但是水煤浆流更容易被氧气扰动，容易引起烧嘴压差波动。低黏度时水煤浆入口压力的低频波动频率比高黏度时高45 Hz，而两者的高频压力波动频率相同，总体上高黏度和低黏度水煤浆压力波动频率属于相同的数量级。观察发现，高、低黏度水煤浆入口压力波动振幅的低值（0.5 MPa）和实际运行中的烧嘴压差参数比较接近。

水煤浆的浓度愈高，其运动黏度也增加，压力波动所引起速度的波动值愈小[3]，反之低黏度时，水煤浆烧嘴预混腔喷出速度的波动会比较大。当煤浆压力波动的振幅和平均压力的比值≥0.05 时（如Case1），由于出现了较大的回流区，回流速度和平均压力所产生的前进速度相近时，则在局部时间内会出现停滞区。上述因素都容易造成烧嘴运行时头部回火烧蚀损坏。

2.4 烧嘴结构对水煤浆入口压力的影响

Case3 算例流体的压力分布云图如图8 所示。由图8 可知，中心氧压力沿喷口轴向呈明显的梯度分布。

Case3 算例水煤浆入口压力波动频率和振幅如图9 所示。由图9 可知，预膜式结构烧嘴的煤浆入口监测点处压力波动频率为1 244 Hz，压力波动范围为6.33 MPa～6.76 MPa。

图8 Case3 算例的流体压力分布云图（单位：Pa）

图9 Case3 算例的水煤浆入口压力波动频率和振幅

对比分析Case1 和Case3 可知，在相同煤浆黏度下，预膜式烧嘴煤浆入口压力波动频率是预混式结构的4 倍～9 倍，而预膜式烧嘴煤浆入口压力波动振幅的均值仅为预混式烧嘴的57%左右。分析主要原因是预膜式烧嘴不存在预混腔，中心氧气和水煤浆的动量交换作用主要在烧嘴外部进行，虽然其雾化效果比预混式烧嘴差，但是水煤浆流的压力比较稳定，因而在实际运行过程中，烧嘴压差也比较稳定。

在相同的条件下，压力波动的频率愈高，速度的波动振幅愈小，这是由于水煤浆的高黏性对自身速度的耗散作用，导致速度变化远跟不上压力的波动频率[3]。因此，对水煤浆的流动及燃烧来说，影响最大的是低频压力波动。