煤氣化裝置中的粉煤流量調節閥數值模擬研究

陳美華， 陸海峰， 郭曉鐳， 龔 欣

（華東理工大學上海煤氣化工程技術研究中心，上海 200237）

煤氣化技術是煤化工中實現煤炭清潔高效利用的重要手段[1-2]。在粉煤氣化工藝中，粉煤管線的穩定對工藝指標、氣化效率等起到至關重要的作用[3]。為滿足氣化爐在不同負荷下運轉的需求，需要相應地調整入爐煤量和氧量。在國內外粉煤氣化工藝上，一般都采用粉煤流量調節閥來調節粉煤流量[4-5]。然而，由于粉煤輸送單元中閥門操作條件惡劣、閥門動作頻繁，煤化工中閥門極易損壞，制約了煤氣化裝置的長周期運行[6-7]。人們在對該調節閥的性能及其在粉煤輸送系統中的作用等方面的研究、分析還很不夠，尤其對調節閥內部氣固兩相流動特征的研究鮮見報道。

在已有的文獻報道中，研究者們大多借助實驗的手段開展粉煤流量調節閥特性研究。例如，熊焱軍等[8]研究了3 種不同結構閥芯的粉煤調節閥的性能。林雯等[9]對Shell 煤氣化裝置中粉煤調節閥性能進行研究，發現粉煤調節閥在開度40%左右已達到滿負荷。王潔等[5]對失效的粉煤調節閥解體得知該閥出現的主要問題是閥內件易被沖損。實際流動過程中，顆粒、流體、管壁之間的碰撞和摩擦十分劇烈，導致閥內壓力和流速劇烈變化[10-11]，然而傳統的實驗方法只能獲得流量和壓力信號[8-9]，無法對閥門流動特征進行分析。數值模擬方法是目前研究流體內部流動特征的主流方法，通過數值模擬可以獲取大量實驗都無法測量的詳細信息[12]。因此，本文擬借助數值模擬的手段開展調節閥內部流場特性研究，以了解氣固兩相流經閥門時的內部情況，為調節閥的結構設計、工藝操作控制等提供借鑒。

氣固兩相的數值模擬方法主要有歐拉-歐拉模型和歐拉-拉格朗日模型。歐拉-歐拉模型[13]將固相顆粒視為擬流體，用平均顆粒粒徑代替粒徑分布會導致較大的計算誤差；傳統的歐拉-拉格朗日模型例如離散元方法(Discrete Element Method，DEM)[14]雖然適合較寬范圍顆粒形狀、粒徑和速度，但其計算效率受計算顆粒數量限制，難以應用于實際操作和連續計算。計算顆粒流體動力學(CPFD)是基于多相質點網格法 (Multiphase Particle-in-Cell Model，MP-PIC)提出[15-16]，本質上屬于歐拉-拉格朗日模型。在CPFD 計算中，數值計算的顆粒不是物理意義上的顆粒，而是將具有相同密度、溫度、尺寸等屬性的顆粒打包為“計算顆粒(Computational Particle)”，從而使得CPFD 能夠處理包含數億個粒子的氣固系統[17]。此外，CPFD 方法中采用了實際的顆粒粒徑分布，將氣固兩相間的相互作用描述得更真實[18]。

本文利用CPFD 數值模擬方法對包含數億個粒子的氣固兩相系統的工業規模粉煤流量調節閥進行研究，首先探究了CPFD 方法在該三維氣固兩相模擬中的適用性；然后基于CPFD 方法預測不同開度下粉煤流量，獲得閥門流量特性曲線；最后著重分析了不同開度下閥門的流動特性參數。

1 實驗及模擬條件

1.1 實驗裝置

氣化爐運行時，煤粉輸送系統的總壓降約為0.9 MPa，粉煤調節閥壓降占輸送系統總壓降的70%～80%，是該輸送系統的重要阻力部件[19]。粉煤流量調節閥為角式調節閥，如圖1(a)所示。進口垂直向下，進出口夾角為120°。閥芯是粉煤調節閥的關鍵部位，如圖1(b)所示。閥芯為杯口狀，側壁開槽。粉煤顆粒進入閥門后垂直落入閥芯杯口，然后通過側壁的斜槽流出閥門，閥芯上下移動改變節流面積，從而改變粉煤流量[20]。

1.2 實驗工況及實驗物料

表1 給出了氣化爐在滿負荷和60%負荷條件下運行的工況數據。滿負荷狀態是指氣化爐的煤粉處理能力達到設計值的狀態。本文研究的粉煤氣化裝置的氣化壓力大約為4.0 MPa，氣化爐的煤粉處理能力為2 000 t/d，需要4 路煤粉輸送管線同時輸送，因此在氣化爐滿負荷狀態下單路管線的煤粉輸送量約為20 t/h。由表1 見，在粉煤氣化裝置上40%開度下調節閥基本達到滿負荷狀態，16%開度為調節閥受供氧量制約而保持的常開狀態，對應約70%(質量分數)氣化爐負荷[19]。

煤氣化裝置的氣化用煤為混配煤，添加質量分數4%石灰石作為助熔劑。通過真密度分析儀(Accupyc 1330 pycnometer, Micromeritics Instrument Corporation 公司)測得顆粒密度為1 400 kg/m3。通過粉體特性測試儀(PT-X, Hosokawa Micron Corporation公司)測得粉煤松裝密度為525 kg/m3，振實密度為982 kg/m3，通過馬爾文激光粒度儀(Malvern 2000 MU,Malvern Panalytical 公司)測得粉煤的體積平均粒徑為48 μm，粉煤粒徑的分布曲線見圖2。

1.3 模擬設置

圖 1 (a) 粉煤流量調節閥結構；(b) 閥芯的幾何模型Fig. 1 (a) Structure of regulating valve for pulverized coal; (b) Geometric model of the valve plug

表 1 氣化爐在滿負荷和60%負荷條件下的工況條件Table 1 Operation conditions gasifier under full load and 60% (mass fraction) load

圖 2 粒徑分布曲線Fig. 2 Curve of particle size distribution

依據圖1 給出的調節閥結構建立如圖3 所示的三維流道模型，用于粉煤調節閥的氣固流動特性數值模擬研究。定義閥門全關時的行程為0 mm，閥門開啟后閥芯向下運動，16%和40%的開度分別對應的閥芯下移距離為10.2 mm 和25.6 mm。粉煤流量調節閥出口設置了1 000 mm 的直管段，用于研究粉煤流經調節閥后的氣固流動特性。調節閥模型的主要結構參數和材料參數設置分別見表2 和表3。經無關性驗證后選取6×105網格用于數值計算。數值計算的初始和邊界條件如下：(1)初始條件：輸送前給料罐的出料閥關閉，管道內部均勻充滿高壓氮氣，其表壓約為4.60 MPa。(2)邊界條件：閥門入口定義為入口流動邊界，進口粉煤輸送量見表1；直管末端定義為出口壓力邊界，出口壓力由發料罐壓力和調節閥壓降的差值得到。計算時間步長為0.000 1 s。

2 結果與討論

2.1 模型驗證

圖 3 粉煤流量控制閥的幾何模型Fig. 3 Geometric model of regulating valve for pulverized coal

表 2 粉煤調節閥模型的主要結構參數Table 2 Main structural parameters of regulating valve model for pulverized coal

表 3 模擬材料參數設置Table 3 Material parameters setting for simulation

為了驗證CPFD 數值模擬對粉煤調節閥氣固兩相流動過程的有效性，本研究對表1 所給出的工況展開數值模擬研究，并對調節閥壓降、粉煤速度和粉煤質量濃度與表1 給出的相應工業數據進行對比，結果見圖4。首先在宏觀上對調節閥壓降結果進行對比，模擬所得調節閥壓降與實驗的最大誤差為17.5%。圖4 同時也給出了穩定輸送時調節閥出口處粉煤速度和粉煤質量濃度的對比結果。由圖可知在模擬達到穩定輸送時，粉煤速度和粉煤質量濃度模擬結果偏差在±5.0%誤差范圍內，說明通過CPFD 數值模擬可以獲取粉煤顆粒流經調節閥過程的微觀流動信息。綜上，CPFD 數值模擬適用于模擬粉煤流經流量調節閥的氣固兩相流動過程，并且能有效預測管內的顆粒流速和粉煤質量濃度，但是對壓降的預測結果誤差相對較大，進一步說明調節閥內部流動研究的重要性。

圖 4 模擬值與實驗值比較Fig. 4 Comparison between simulated and experimental values

2.2 流量預測

調節閥的流量特性是調節閥的重要參數之一，為了對粉煤流量調節閥的流量特性進行預測，建立了圖5 所示的計算框圖，具體計算步驟為：

(1) 計算開始時，給定開度、進口壓力Pi(即給料罐壓力)，并基于文獻[19]實驗中獲得的調節閥壓降特性曲線(調節閥的壓降與開度的關系為ΔP=4.17e-0.078x，其 中 ΔP 為 調 節 閥 的 壓 降 (MPa)，x 為 閥 門 開 度(%))得到調節閥壓降ΔP；

(2) 假定粉煤的初始質量流量為mi，利用驗證后的CPFD 模型展開數值模擬，獲得調節閥的出口壓力Po和調節閥壓降|Pi-Po|；

利用圖5 所示的計算框圖對10%～40%開度的調節閥展開流量預測，預測結果見圖6。由圖6 可知，隨著調節閥開度的增大，粉煤輸送量也隨之增大。這是因為調節閥開度增大對應著流動通道增大，流動阻力減小。CPFD 數值模擬的粉煤流量預測結果隨開度變化趨勢與實際工業中調節閥隨開度的變化趨勢相同，但粉煤流量預測值略小于實驗值，誤差范圍在10%以內。預測偏差的緣由可能是：(1)實際過程中閥門壓降與開度、氣體流量之間存在一定的關聯性，調節閥壓降ΔP 并不能簡單處理；(2)氣固兩相介質的調節閥對固體流量的調控作用較為復雜，在模擬中做了一些簡化(閥門的三維模型簡化、邊界條件的簡化等)。

圖 5 流量預測計算框圖Fig. 5 Calculation block diagram of mass flow rate prediction

圖 6 粉煤流量調節閥流量特性Fig. 6 Flow rate characteristics of regulating valve for pulverized coal

2.3 閥門內部流動特征

圖 7 閥門的沿程壓力圖Fig. 7 Pressure diagram along the valve

圖7 示出了16%和40%開度下閥門內部的沿程壓力信號。圖中Distance 表示顆粒在閥門內經過的距離，0 mm 表示閥門入口截面，600 mm 表示閥門出口截面，1 600 mm 表示閥門下游管道出口截面。由圖可知：不同開度下閥門沿程壓力變化趨勢大致相同：在入口段壓力較大，壓力的波動主要與管道截面相關，隨著流體進入閥芯區域，壓力逐漸降低；在閥芯出口處，壓力驟減，隨后逐漸回升，壓力驟減是因為經過閥芯節流面時，粉煤速度變化和因顆粒撞擊閥芯內壁導致的巨大能量損耗由壓力提供。

圖8 出了16%和40%開度下閥門的沿程粉煤速度和顆粒體積分數分布。對比其粉煤速度信號可知：16%開度下粉煤速度的最高值為49.7 m/s，其速度變化量最大的區域寬度S1約為262.4 mm，40%開度下粉煤速度的最高值為29.1 m/s，其速度變化量最大的區域寬度S2約為383.3 mm。這說明低開度下速度變化率較大、區域集中，易對局部區域產生較大的應力。對比其顆粒體積分數可知：16%開度下在閥門出口段距離（300～600 mm）出現兩處間隔距離較遠的顆粒體積分數高峰值，而在穩流管段中顆粒體積分數一直在逐漸減??；而40%開度下在閥門出口段距離（300～600 mm）存在一段顆粒體積分數較高位置，在穩流管段中顆粒體積分數先減小，隨后逐漸達到穩定。在低開度下，顆粒體積分數有兩處達到高峰值原因是：靠近閥芯出口處是因為速度較大造成的顆粒擠壓效果，而遠離閥芯出口處是因為粉煤速度減小，顆粒在管道上壁形成堆積效應。對比調節閥下游直管段內沿程粉煤速度信號和顆粒體積分數分布可以發現，低開度下顆粒在下游直管段出口附近達到穩定，高開度下顆粒在下游直管段中心位置左右達到穩定。

圖 8 閥門的沿程粉煤速度、顆粒體積分數圖Fig. 8 Coal velocity and particle volume fraction along the valve

圖9 示出了16%和40%開度下閥門內部流動特征云圖。由圖9(a)可知，粉煤速度變化較大的主要集中在閥芯節流口位置，低開度下節流口處粉煤速度明顯較高，且在很大的區域范圍內，粉煤速度在30.0 m/s 以上，而高開度下閥芯節流口位置粉煤速度基本上在30.0 m/s 以下，這說明調節閥發生磨損的位置在閥芯出口和斜管交界處位置，磨損原因是調節閥長期處于低開度下受高速粉煤顆粒撞擊磨蝕。顆粒在閥芯節流口后方有明顯的回流現象；在低開度下顆粒的回流較為集中，回流的粉煤速度較高，而在高開度下顆粒的回流較為發散，回流的粉煤速度較低；低開度下的下游直管內粉煤速度變化情況較為復雜，需要更長的距離才能使管道粉煤速度分布達到較為穩定的狀態。由圖9(b)可知：回流區域中的顆粒體積分數較低，說明僅有少部分顆粒發生回流；低開度下的下游直管內顆粒的流動較為復雜，需要較長的距離才能使管道粉煤速度分布達到較為穩定的狀態，綜合考慮平均時間段內的粉煤速度和顆粒體積分數分布，為使下游管道顆粒達到較為穩定流動，其下游管段至少為800 mm。

圖 9 閥門內部流動特征云圖Fig. 9 Cloud map of flow characteristics in valve

3 結 論

采用CPFD 數值模擬方法對煤氣化裝置中粉煤調節閥的氣固兩相流動特征進行研究，主要結論為：

(1) 從調節閥壓降、固體質量濃度和顆粒速度方面證明CPFD 方法適用于研究煤氣化中粉煤流經調節閥的氣固兩相流動過程；

(2) 提出閥門流量特性曲線的預測方法，預測誤差為10%，為氣固兩相介質的閥門研究提供一種新思路；

(3) 低開度下調節閥節流口顆粒速度更大、應力更集中，建議通過調整開度減小磨損以提高調節閥的壽命；此外綜合考慮低開度下的內部流動情況，建議閥后應至少保留800 mm 的管段以保證顆粒達到穩定輸送。