高压密相煤粉气力输送弯管流动特性试验与数值模拟研究

摘要

当前，干法进料的干煤粉气流床加压气化技术是我国煤高效洁净利用的关键技术，而干煤粉加压密相输送又是干煤粉气流床加压气化的关键技术之一。高压超浓相气力输送中颗粒相的体积浓度高，输送管路中流动形态变化复杂，影响流动稳定性的因素较多，对其流动规律和机理的认识还不完善。目前，有关煤粉的高压密相气力输送的研究主要集中在单一输送介质条件下以及直管段中的压降特性和输送规律的研究，而对弯管压降变化规律的研究报道非常少。二氧化碳作输送介质应用于大规模高效煤气化高压超浓相煤粉气力输送越来越广，但CO2的气体性质偏离理想气体较远，其属性对高压密相粉体气力输送弯管的压降特性的影响与氮气有所差异，这方面国内外的研究报道也很少。本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法，对高压超浓相煤粉气力输送的弯管内气固两相流的流动特性进行了较为详尽的研究。
　　试验研究方面，主要依托东南大学自主研发的一套输送压力可达4MPa，输送固气比可达600kg/m3的干煤粉加压气化装置的高压密相气力输送试验装置，通过改变操作条件和输送物料，探讨了兖州烟煤在CO2和N2作为输送介质时，输送管路中水平弯管和垂直弯管的压降特性，研究了云南褐煤煤粉含水率对水平弯管和垂直弯管的压降的影响。研究结果表明，在系统压差相同的条件下，CO2和N2两种输送介质下，水平弯管压降均呈现出随表观气速的减小逐渐下降的趋势，且CO2输送介质下水平弯管压降比N2输送介质下要小一些；而对于垂直弯管压降则先随表观气速的降低而下降，当表观气速下降至5.3m/s左右，N2输送介质下垂直弯管压降达到最小值，而在本文试验范围内CO2输送介质下却没有出现压降的最低拐点。同时，由于弯管位置的变化，CO2输送介质时垂直弯管的压降比N2输送介质时高些。试验还发现，煤粉含水率的增加会导致煤粉颗粒间相互粘黏、团聚，致使输送煤粉沉积现象更趋严重，N2和CO2两种输送介质下水平弯管压降均随煤粉含水率的增加而有所上升，而对于垂直弯管的压降总体上随煤粉含水率的增加而呈现出小幅降低的变化趋势。此外，通过模化理论和试验数据分析，得到了不同输送介质下煤粉密相输送时水平弯管、垂直弯管的固相附加压损系数的拟合公式，采用拟合公式计算的弯管压降值与试验值吻合较好，误差在士5％以内。
　　数值模拟研究方面，主要在Fluent平台上，充分考虑了气相和和固相颗粒湍流之间的相互作用，建立了气固流动的管道三维数理模型。通过垂直管-弯管-水平管一体化建模方式，对高压超浓相气力输送垂直弯管气固两相流动特性进行数值模拟研究。模拟结果表明，部分模拟值与试验和ECT测量结果吻合较好。模拟研究发现，相同输送条件下，N2的输送固相浓度大于CO2条件，且在弯管30°处两种介质输送浓度均达到最低值。相同的输送条件下，CO2输送稳定性优于N2，CO2输送下垂直弯管压降大于N2输送，且煤粉进入弯管段30°区段压降损失更为明显，在垂直弯管截面30°处速度达到峰值。在垂直弯管内，煤粉体积浓度随着颗粒粒径的增大，弯管外壁高浓度的沉积区域越小。两种介质输送下，垂直弯管各截面的固相平均浓度均随着表观气速的增加而减小。