1、文章编号：1006-3080(2023)04-0465-09DOI:10.14135/ki.1006-3080.20220314003气化细灰颗粒在混合器内的沉积特性杨澜，陈雪莉，许建良（华东理工大学国家能源煤气化技术研发中心，上海市煤气化工程技术研究中心,上海200237）摘要：混合器是煤气化合成气分级初步净化工艺中的关键设备之一，合成气中细灰颗粒在其内的沉积行为显著影响气化系统的长周期稳定运行。采用颗粒沉积临界速度模型对气化细灰颗粒在混合器中的沉积特性进行了数值模拟，研究了不同颗粒粒径、气体流速及混合器结构对颗粒沉积特性的影响规律。结果表明，在相同入口气速下，气化细灰在混合器内壁面的沉积率
2、随颗粒粒径的增大总体呈下降趋势，粒径 513m 的颗粒更是如此；粒径 1m 的颗粒在Wall4 壁面的单位面积沉积量最大；相同粒径颗粒的沉积率随入口气速的变化而不同，但总体上随入口气速的增大而减小；水管出口端面到渐缩套管口端面距离（H）的改变对颗粒在混合器内的沉积率无明显影响；混合器 C 是一种可有效避免缩口面附近发生堵塞的结构。关键词：混合器；气化细灰颗粒；沉积率；单位面积沉积量；数值模拟中图分类号：TQ546.5文献标志码：A气流床气化技术因气化效率高、煤种适应性广、处理负荷大等优点而被广泛应用1。从气化炉中排出的粗合成气一般是含有细灰的高温煤气或同时含细灰和水雾的湿煤气，粗合成气中的杂质
3、对后续发电或化工产品的生产过程有严重影响，因此对煤气的初步净化是必要的2。多喷嘴对置式水煤浆气化和 SE 煤气化技术均采用合成气分级式初步净化工艺3，即混合器、旋风分离器、洗涤塔组合净化方式。其中，混合器的作用是通过高速气流剪切使灰水雾化成液滴，使液滴与液滴之间、液滴与细灰颗粒之间剧烈碰撞，以达到合成气中细灰颗粒润湿和聚并长大的目的，从而为旋风分离器除尘创造条件。混合器内部气-液-固三相共存，当合成气携带细灰颗粒通过混合器时，细灰颗粒可能会与混合器内壁面发生碰撞并沉积，造成混合器内部流道减小，系统压降提高，沉积严重时可导致混合器内部堵塞，影响气化炉的长周期稳定运行4。因此研究混合器内颗粒的沉积
4、特性有助于揭示混合器内细灰颗粒的沉积机制、优化混合器的设计和操作以降低颗粒沉积发生概率，为气化炉长周期稳定运行提供理论支撑。目前，颗粒沉积的判定主要有临界速度模型、临界黏度模型两种。临界黏度模型主要考虑颗粒与平面之间的黏附力、撞击反弹过程中的变形及能量变化，适用于以惯性碰撞为主要沉积机制的情况5。临界黏度模型主要考虑温度变化导致的颗粒沉积，对于低温和高温环境下的颗粒均适用6。混合器在正常操作时内部的温度变化不大，因此选用临界速度模型较合适。诸多学者利用临界速度模型研究了颗粒沉积的机理，并结合相应条件对模型进行改进。基于经典碰撞动力学和赫兹理论，Brach 等5建立了颗粒低速碰撞平面模型，用于预
5、测颗粒沉积的临界速度，并通过与实验结果比较，评价了该模型对于不同材料颗粒碰撞平面的准确性。Li 等7基于临界速度模型对新型菱形传热表面上颗粒的沉积和分布进行了数值模拟，并用实验验证了数值模型的正确性。袁宝强等8利用临界速度模型模拟细灰颗粒在余热锅炉管束上的沉积情况。周君辉等9模拟了二维涡轮叶栅收稿日期：2022-03-14作者简介：杨澜（1998），女，黑龙江鹤岗人，硕士生，主要研究方向为颗粒沉积数值模拟。E-mail：通信联系人：陈雪莉，E-mail：引用本文：杨澜,陈雪莉,许建良.气化细灰颗粒在混合器内的沉积特性 J.华东理工大学学报（自然科学版）,2023,49(4):465-473.C
6、itation：YANGLan,CHENXueli,XUJianliang.DepositionCharacteristicsofGasifiedFineAshParticlesintheMixerJ.JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology,2023,49(4):465-473.Vol.49No.4华东理工大学学报（自然科学版）2023-08JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology465内粒子运动与沉积的特性，考察了粒径和气流进气角度对颗粒沉积特性的影响。Xu 等10模拟了
7、不同粗糙度对烟气涡轮内气流和颗粒沉积的影响，并设计了一种新型的减少烟气涡轮沉积的叶片。Zhang 等11对临界速度模型进行了修正，使模型能更加精确地模拟辐射式合成气冷却器内的传热过程及积灰分布。对于混合器的积灰问题，部分研究者12-13采用改良混合器结构或优化工艺操作条件等方法加以解决，但对混合器内颗粒沉积特性及影响颗粒沉积的关键因素的研究较少。本文采用数值模拟的方法研究了混合器内细灰颗粒的沉积特性，考察了入口气速、颗粒粒径及混合器结构对颗粒沉积的影响规律，分析了颗粒在混合器内部的沉积行为，以期为混合器设计及操作优化提供理论支持。1数值模拟方法 1.1 几何模型与网格划分图 1(a)所示是气化
8、合成气分级式初步净化工艺中典型的混合器结构示意图。携带气化细灰颗粒的合成气从混合器入口进入，在内部设置的渐缩套管处被逐渐加速，与加入的洗涤水进行动量交换，使水雾化形成液滴，之后携带液滴和细灰颗粒进入渐扩套管并从混合器出口排出。混合器内水的雾化属于气流式雾化过程，该过程较为复杂14。合成气中的细灰颗粒与雾化液滴接触、聚并长大的过程存在一定的概率分布，模拟计算较为困难，且细灰颗粒在混合器内易发生沉积的部位和细灰颗粒是否被润湿关系不大。液滴的润湿过程可能会影响具体的沉积率，但不会改变沉积率变化趋势。因此本文仅考虑气固两相在混合器内的沉积过程，未考虑液体气流式雾化过程及雾化液滴的影响。以气体出口截面的
9、圆心为坐标原点绘制网格，混合器入口气体流动方向为 X 轴正向，出口气体流动方向为 Z 轴负向，垂直于纸面方向为 Y 轴正向。由于图 1(a)的阴影区域为气流死区，因此绘制网格时忽略了该部分结构。考虑计算资源量和混合器结构，将混合器沿 XZ 面分为对称的两部分，仅模拟计算其中的一部分。采用混合网格对混合器物理模型进行划分，弯管处采用非结构化网格，其余部分均使用结构化网格，网格总数为 2570392。为方便后续说明，将混合器划分为如图 1(b)所示的 6 个区域，气体进口段为 Wall1，弯管段为 Wall2，水管为 Wall3，渐缩套管段为 Wall4，渐扩套管段为 Wall5，气体出口段为Wa
10、ll6。1.2 数学模型混合器内气相流体模拟采用雷诺应力模型(RSM)15-16，该模型考虑了速度波动修正。对于颗粒相的模拟，因气体中所含颗粒的体积分数远小于10%，故采用离散粒子模型(DPM)来跟踪每个粒子的运动轨迹。RSM 双向耦合的连续性方程和动量方程分别如式（1）和式（2）所示。(b)(a)GasWaterGasXYZWaterL2L1d2d3d1RHWall1Wall4Wall5Wall6Wall3Wall2图1混合器结构示意图Fig.1Mixerstructureschematic466华东理工大学学报（自然科学版）第49卷uixi=0(1)uit+ujuixj=1pxi+1xj(
11、uixjuiuj)+Sv(2)uupuiuj式中：为时均速度，为波动速度，x 为坐标值，下标 i、j 及式（4）中下标 l 表示不同的方向，为时均压力，t 为时间，为流体密度，Sv为颗粒相与连续相交换的动能，为雷诺应力项。Sv可以通过式（3）求得：Sv=npmpVdupidt(3)其中：mp为颗粒相质量，np为颗粒数，upi为颗粒在i 方向的速度。雷诺应力的输运方程为：t(uiuj)+ulxl(uiuj)=xlvtluiujxl(uiulujxl+ujuluixl)C1kuiuj23ijkC2Pij23ijP23ij(4)式中：l=1.0，C1=1.8，C2=0.6，均为经验常数。k 为湍流动
12、能，ij为求导后的微分项，vt为湍流黏度，为湍流扩散率，可表示为：t+ujxj=xj(v+vt)xjC1kuiujuixjC22k(5)式中：=1.3，C1=1.44，C2=1.92，v 为流体的运动黏度。Pij=uiulujxlujuluixl,P=12Pij颗粒相采用 DPM 模型进行追踪，其运动方程为：mpdupidt=d2p8CD?uiupi?(uiupi)+mpgi(p)p+1.61()12d2p(uiupi)?uixi?12+FB(6)其中：CD为颗粒阻力系数，gi为重力加速度，FB为布朗力，dp为颗粒直径，p为颗粒密度，为流体黏度。等式右侧 4 项分别为颗粒受到的曳力、重力与浮力
13、的合力、Saffman 升力和布朗力。Saffman 升力相对于其他力来说很小，因此忽略 Saffman 升力的影响17。1.3 颗粒沉积模型颗 粒 沉 积 临 界 速 度 模 型18是 基 于 Johnson-Kendall-Roberts（JKR）理论发展起来的。JKR 理论考虑了表面黏附力对固体弹性变形的影响，黏附效应发生在与壁面接触并导致能量损失的圆形区域中。这一过程可以用理想的质点-弹簧系统撞击刚性黏性表面来解释。临界速度模型将颗粒与表面的相互作用分为黏附过程和脱离过程5。黏附与否取决于颗粒发生反弹的临界条件，并且该过程独立于流体力的影响。分离过程取决于颗粒能否克服黏附力的影响，在外
14、部流体力的作用下离开表面或继续黏附在表面上。对于黏附过程，临界沉积速度（ucr）为颗粒是否黏附的临界条件：ucr=(2KdpR2)10/7(7)其中：R 为运动恢复系数，K 为有效刚度参数，满足：K=0.5152(ks+kp)41.5p0.4(8)ks=(1v2s)Es(9)kp=(1v2p)Ep(10)式中：vs为壁面的泊松比，vp为颗粒的泊松比，Es为表面的杨氏模量（本文的沉积表面为 316L 不锈钢，vp=0.25，Es=21011Pa，vs=0.3），Ep为细灰颗粒的杨氏模量，本文选取黏性颗粒的杨氏模量经验公式19计算：Ep=31018exp(0.03165Tavg)(11)式中：Ta
15、vg为颗粒和表面的平均温度，根据工业实际情况 Tavg取 490.53K，计算可得 Ep为 5.431011Pa。(uc)如果气体以大于局部壁面摩擦速度（vw）的速度冲刷表面，则预计黏附在表面上的颗粒将被去除。湍流的这个速度称为临界壁面剪切速度20，计算公式为：u2c=CWAdp(WAdpE)13(12)式中：C 为 Cunningham 修正因子，WA为黏附功，为气体密度，E 为复合杨氏模量。壁面摩擦速度为：vw=vnU(13)nU其中：是法向速度梯度。1.4 计算边界条件本文采用 Fluent 软件进行数值模拟。根据工业实际运行情况，进入混合器的气体密度取 21.24kg/m3，黏度取 2
16、.19105kg/（ms）。气体中气化细灰颗粒的密度取 2538kg/m3，实际工业过程典型气化细灰的粒径分布如图 2 所示。由图 2 可知，气化细灰颗粒粒径主要分布在 1100m 之间，服从 RosinRammler 分第4期杨澜，等：气化细灰颗粒在混合器内的沉积特性467Yd=e(dp/42.112)1.011布，经拟合后得到细灰颗粒质量分数（Yd）与粒径分布的关联曲线为，R2=0.963。颗粒相在气相收敛后加入流场进行计算，设置颗粒运动轨迹的最大时间步长为 20000。气体管道进出口边界条件设置为“escape”，可能产生沉积的壁面用编译的 UDF 函数判断。颗粒以“surface”从进口面垂直入射，入射速度与气相相同，颗粒的质量浓度为 0.13kg/m3。使用随机轨道模型，考虑湍流脉动速度对粒子运动轨迹的影响，不考虑随机的涡流寿命，设置尝试数为 10。010020030040050000.20.40.60.81.0Experiment dataFitting curveR2=0.963Yddp/m图2煤气化细灰粒径分布曲线Fig.2Distributioncurveofcoal
