FLUID MACHINERYⅤol.35,No.3,2007文章編號(hào):1005-0329(2007)03-0048-05水煤漿霧化技術(shù)與應(yīng)用研究鄭捷慶2,張軍2,羅惕乾(1.江蘇大學(xué)江蘇鎮(zhèn)江212013;2集美大學(xué),福建廈門361021)摘要:評(píng)述了目前國內(nèi)外水煤漿的霧化技術(shù)與應(yīng)用研究的現(xiàn)狀及存在問題。針對水煤漿不同于一般的牛頓流體的特性就水煤漿霧化機(jī)理霧化方式霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)與霧化特性霧炬流場的數(shù)值模擬及測試技術(shù)等方面進(jìn)行了分析與總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,給出了水煤漿霧化噴嘴的設(shè)計(jì)思路提高霧化細(xì)度的途徑及完善數(shù)值模型的方向。關(guān)鍵詞:水煤漿;霧化;兩相流;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):0359;TQ53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BStudy on Technique and Application of Coal-water Slurry AtomizationZHENG Jie-qing, ZHANG Jun, LUO Ti-qian(1. Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Jimei University Xiamen 361021, China)Abstract: With regard to coal-water slurry, the characteristics different form Newton fluids, current research developments ofthe techniques and applications of Coal-water Slurry atomization are reviewed and estimated from the atomization theories, struc-tures and characteristics of atomization nozzles, numerical modeling and testing techniques on spray of coal-water slurry respectively. The principles of design on atomization nozzles, the possible ways to improve SMD of spray and the direction to perfect nuKey words: coal-water slurry; atomization; two-phase flow; numerical modeling1前言得多水煤漿作為一種低污染高效率、可管道輸送2水煤漿的霧化機(jī)理的代油新型清潔燃料,近年來倍受重視并且得到了迅速的發(fā)展,已廣泛應(yīng)用于鍋爐、內(nèi)燃機(jī)燃燒領(lǐng)按照霧化方式,水煤漿霧化可分類為機(jī)械霧域1l。鑒于世界石油資源的日益枯竭,生態(tài)環(huán)境化和氣力霧化。機(jī)械霧化主要靠水煤漿在壓力差的不斷惡化以及當(dāng)今原油價(jià)格的持續(xù)走高,對水作用下產(chǎn)生高速射流而霧化,可細(xì)分為直射式、離煤漿技術(shù)的不斷深入研究及推廣具有重要意義。心式和旋轉(zhuǎn)式。氣力霧化是以高速氣流沖擊速度水煤漿是由65%-70%的煤粉、30%~35%較低的水煤漿,把其撕裂成細(xì)小的液滴。從燃燒的水和少量添加劑混合的漿狀液體其工業(yè)化應(yīng)效率的角度,空氣優(yōu)于蒸汽。在氣力霧化中煤漿用涉及制備、運(yùn)輸、霧化及燃燒等多個(gè)方面。目前的整個(gè)霧化過程呈現(xiàn)明顯的初級(jí)破碎和隨后的二學(xué)術(shù)界多以水煤漿流變學(xué)特性和燃燒的研究較次霧化兩個(gè)階段,如圖1、2所示。根據(jù)現(xiàn)有理多2-·。然而水煤漿由于濃度高、粘度大、易堵論,分別用表面 Kqvin- Helmholtz不穩(wěn)定波霧化理塞、易磨損,就霧化而言,比一般的液體燃料困難論和氣動(dòng)力霧化兩種不同的理論來加以描述。收稿日期:2006-05-22修稿日期:2006-09-11中國煤化工基金項(xiàng)目:福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E0410027);福建省教育廳科研CNMHG福建省青年科技人才創(chuàng)新項(xiàng)目(20021022)2007年第35卷第3期流體機(jī)械3.1霧化方式的選擇機(jī)械霧化噴嘴僅在柴油機(jī)改燃用水煤漿時(shí)采用,但應(yīng)用于水煤漿噴霧時(shí)因其缺點(diǎn)明顯,制約了其在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用6。目前國內(nèi)外對水煤漿噴嘴的研制及應(yīng)用幾乎集中于氣力霧化型噴嘴,它克服了機(jī)械霧化噴嘴的瓶頸,避免大流量變化下大顆粒的產(chǎn)生,細(xì)顆粒均勻的被散布在氣流圖1水煤漿初次霧化過程中,整個(gè)霧炬流型和狀態(tài)維持良好,易于控制-0。另外噴嘴可以得到良好冷卻0-(-C→c-3.2氣力霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)型式氣力霧化噴嘴可分為內(nèi)混式和外混式兩種。由于外混式結(jié)構(gòu)釆用噴嘴外高速氣流沖擊煤漿霧圖2水煤漿二次霧化過程炬,極易干擾燃燒室的流場控制,因此該結(jié)構(gòu)一般較少采用。根據(jù)氣流是否旋轉(zhuǎn)以及漿道和氣道的3霧化噴嘴的設(shè)計(jì)布置,大致將內(nèi)混式氣力霧化噴嘴型式歸類如表所示。表1水煤漿氣力霧化噴嘴的型式分類標(biāo)準(zhǔn)噴嘴型式典型應(yīng)用主要特點(diǎn)氣流是否直流型三通道直流型噴嘴氣流與煤漿均直流旋轉(zhuǎn)旋流型Parker- Hannifin強(qiáng)旋流煤漿噴嘴旋轉(zhuǎn)氣流具強(qiáng)剪切力Y型Forster- Wheeler環(huán)形Y型噴嘴漿道側(cè)進(jìn),中心軸向?yàn)闅獾?成Y型中心軸向?yàn)闅獾?霧化氣與煤漿漿道與氣T型日本日揮公司T型噴嘴在噴嘴出口處成垂直T型相交道的布置多級(jí)氣化型中科院ZN型二級(jí)霧化噴嘴中心軸向?yàn)闈{道,氣道分對稱兩級(jí)Y型側(cè)進(jìn)中心軸向?yàn)闈{道,一二級(jí)氣道對稱Y組合撞擊型浙江大學(xué)撞擊式多級(jí)霧化噴嘴型側(cè)進(jìn),三級(jí)氣道T型側(cè)進(jìn),帶撞擊件3.3霧化噴嘴的設(shè)計(jì)要求平均索太爾直徑(SMD)的影響4。通過對試驗(yàn)與重油相比,水煤漿中含有大量煤粉顆粒數(shù)據(jù)的分析表明對于既定物性的水煤漿、既定操(內(nèi)燃機(jī)燃用水煤漿平均粒度約為50μm(,流化作工況下,既定型式噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)是其床鍋爐則達(dá)100μm以上)。高速流動(dòng)的大量煤主要影響因素。該文給出了優(yōu)化噴嘴的一系列原漿顆粒對噴嘴的沖蝕、磨損造成了極低的噴嘴使則,本文不再冗述。用壽命(國產(chǎn)不到1000h,進(jìn)口可達(dá)3000h但造價(jià)水煤漿昂貴),頻繁更換噴嘴導(dǎo)致鍋爐停火的代價(jià)相當(dāng)高。因此學(xué)術(shù)界均將噴嘴的使用壽命作為設(shè)計(jì)的首要考量及研究重點(diǎn)121,這也是直流型、Y型空氣設(shè)計(jì)受歡迎的原因之一,由于氣道軸向布置,避免了高速氣流夾帶顆粒正面沖擊混合室壁面而加劇圖3Y型噴嘴示意噴嘴的磨損,參見圖3。多級(jí)霧化噴嘴則利用高速氣流側(cè)向撞擊水煤漿,噴嘴局部磨損明顯,往往需要鑲嵌硬質(zhì)耐磨材料造成價(jià)格相對昂貴,如圖4所示。中國煤化工噴嘴霧化質(zhì)量的重要性不亞于耐磨損性。黃CNMHG鎮(zhèn)宇等對浙江大學(xué)開發(fā)的撞擊式水煤漿噴嘴的實(shí)驗(yàn)中考察了噴嘴各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對水煤漿霧化顆粒圖4多級(jí)噴嘴示意50FLUID MACHINERYⅤol.35,No.3,2007M. Kadja等發(fā)現(xiàn)除小霧化粒徑要求外,高煤漿表觀粘度對霧化顆粒SMD的影響”,驗(yàn)證了而穩(wěn)定的燃燒室溫度和高的煤漿顆粒速度對水煤二者之間的成正比關(guān)系。漿顆粒著火及穩(wěn)定性燃燒影響最大,而燃燒室壓K.D.Kihm使用柴油噴嘴對水煤漿(濃度力和顆粒與周圍氣流相對速度的大小影響甚微。50%)的噴霧顆粒SMD進(jìn)行了試驗(yàn),利用LD為保持燃燒室的溫度,從噴嘴兩側(cè)的回流高溫?zé)烶A( laser diffraction particle- canalyzing)對近噴口氣必須迅速地蒸發(fā)煤漿顆粒表面水分以加速燃處的粒徑同步觀測。其結(jié)果表明:距離噴嘴越遠(yuǎn)燒3。從該角度出發(fā)噴嘴設(shè)計(jì)采用旋流型效果霧滴SMD越大,這是因?yàn)檩^大的霧滴其貫穿距也最佳,因?yàn)樵趯Ρ戎绷髋c旋流噴嘴所產(chǎn)生的霧炬較大;噴孔口徑對霧滴SMD不大;噴射壓力增加,流量分布中發(fā)現(xiàn),后者可在霧炬軸向形成雙峰形霧滴SMD顯著減小;背壓或氣體密度的增加,霧分布,利于減小顆粒表面水分蒸發(fā)時(shí)間。但強(qiáng)滴SMD增大。同時(shí)他提出在測量粒徑時(shí),使用旋流同樣加劇噴嘴混合室壁面磨損。LPDA H PDPA( Phase Doppler Particle Analyzer)由于煤漿霧化阻力要比一般流體高得多,為的同步效果更為理想,但是在液滴呈非球狀區(qū)域了獲得好的霧化效果,煤漿噴嘴的氣耗率一般都的測量準(zhǔn)確性差些。較高(即能源消耗大),這是目前氣力噴嘴應(yīng)用于S.Y.Son使用音速氣流氣力霧化噴嘴對含有水煤漿的噴霧的一個(gè)缺陷。實(shí)際上為了獲得好的3種不同煤顆粒直徑(32~45μm,45-63μm9,霧化效果,目前的噴嘴也主要在結(jié)構(gòu)上、材料、氣63~90μm)的水煤漿噴霧粒徑進(jìn)行了試驗(yàn)研究,液混合方式做了改進(jìn)。應(yīng)該說,研究結(jié)構(gòu)簡單,使采用 Malvern粒度分析儀測量霧滴SMD,提出在用壽命長、能源消耗小的煤漿噴嘴應(yīng)是目前需要同樣霧化條件下含煤顆粒直徑越小的水煤漿的霧做的一個(gè)工作。化顆粒SMD越大,因?yàn)橹睆酱蟮拿悍垲w粒對水的毛細(xì)抓緊力( capillary holding force)弱,從而在霧4霧化特性的研究化過程中煤粉顆粒之間以及煤粉顆粒與水之間較容易分離。霧化特性是水煤漿噴嘴最重要的特性,通常原鯤等研究了水煤漿多極(二級(jí))氣動(dòng)噴嘴衡量噴嘴霧化質(zhì)量的指標(biāo)分別是:霧化角、霧化粒的霧化特性8),得出不同操作工況(氣漿比、漿壓度、顆粒均勻度、流量密度和霧炬的射程等。其中等)對顆粒直徑的影響,結(jié)果表明增加氣漿比或霧化粒度和顆粒均勻度對水煤漿燃燒性能影響最提高漿壓有利于降低霧化粒度為顯著。上述對霧化粒度的研究分析表明由于霧化方工業(yè)用水煤漿一般為具有一定屈服應(yīng)力的賓式不同、噴嘴結(jié)構(gòu)有別、水煤漿組分各異兼之水煤漢姆塑性流體或剪切變稀的冪律型擬塑性非牛頓漿不同于牛頓流體,具有復(fù)雜的流變特性,故而理流體,其表觀粘度變化范圍較大。S.C.Tai等研論上并無通用的霧化粒度的計(jì)算表達(dá)式。研究者究了水煤漿的濃度、溫度、煤粉組分、添加劑等物只是針對不同的噴嘴和霧化介質(zhì)給出經(jīng)驗(yàn)公式或性參數(shù)對表觀粘度的影響“,并將這些物性參數(shù)預(yù)測模型,并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。表2根據(jù)以上對霧化顆粒SMD的影響統(tǒng)一歸結(jié)為表觀粘度對學(xué)者的研究綜合歸納了6個(gè)對SMD有較大影響顆粒SMD的影響。S.Y.Son在試驗(yàn)中研究了水的變量。表2水煤漿霧化顆粒SMD的影響因素變量煤粉顆粒直徑d漿壓P氣漿比a流變特性(表觀粘度n)離噴嘴距離x氣體密度SMDd↑,SMD↓P↑,SMD!a,SMD↓n↑,SMD↑x↑, SMDt pt,SMD↑霧化顆粒粒徑分布可從統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對霧滴的水煤漿霧炬為氣液固多相射流,霧炬長而SMD進(jìn)行分析。均勻的粒度分布利于燃燒。PDF窄,其空間結(jié)構(gòu)可分為射流核心區(qū)、初始區(qū)和充分(概率密度函數(shù))模型已廣泛地應(yīng)用于對霧化顆發(fā)展中國煤化工的是水煤漿的霧粒粒徑分布的描述6,能有效的預(yù)測粒度分布。炬CNMH稀相的流動(dòng)過程,另一特點(diǎn)是隨著X(離噴嘴的軸向距離)的5霧炬流場的模擬與測試增加,截面顆粒SMD呈非線性增加,因此其動(dòng)2007年第35卷第3期流體機(jī)力學(xué)特性尤為復(fù)雜。在實(shí)際的建模過程中一般簡著關(guān)鍵作用,霧炬中煤漿顆粒的湍流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將化為氣液或氣固兩相流模型,氣相湍流普遍采用影響燃燒室的溫度場分布,對于控制燃燒過程同k-e模型M1,難點(diǎn)在于顆粒相模型的建立,目樣不可忽視(。目前有諸多燃燒新技術(shù),如設(shè)置前主要有兩種做法:預(yù)燃室、反吹射流、抽吸煙式穩(wěn)燃等,其目的都第一種是顆粒擬流體法,典型的有無滑移模是加強(qiáng)水煤漿霧炬卷吸回流高溫?zé)煔鈱{粒的對型、滑移-擴(kuò)散連續(xù)模型等。流換熱以及穩(wěn)定著火點(diǎn)。因此掌握水煤漿霧炬的第二種是顆粒軌道法,典型的有分散顆粒群流動(dòng)規(guī)律的重要性不言而喻。的顆粒半隨機(jī)軌道模型、分散顆粒群的脈動(dòng)頻譜隨機(jī)軌道模型等。6展望國內(nèi)很多學(xué)者采用上述部分模型作過一些水煤漿霧炬流場的數(shù)值模擬。原鯤等對水煤漿二級(jí)綜上所述,霧化質(zhì)量的要求噴嘴的耐磨損性撞擊式噴嘴霧炬流場進(jìn)行了數(shù)值模擬),液相能和能源消耗大是水煤漿霧化技術(shù)的三大難點(diǎn),(顆粒相)采用 Spalding提出的基于將顆粒相作對霧化方式的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須在三者之間為類似于流體相的組分 SIMPLE法的無滑移模綜合考慮其利弊進(jìn)行取舍。磨損機(jī)理和耐磨材料型,考慮了兩相之間的相間耦合和湍流擴(kuò)散,但該的深入研究與發(fā)展將有利于擺脫噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型的缺點(diǎn)是忽略了顆粒相和氣相之間的相對運(yùn)桎梏。配制合理物性參數(shù)的水煤漿、設(shè)置合理的動(dòng)。岑可法等基于對湍流渦團(tuán)的分析提出了脈動(dòng)操作工況可提高水煤漿霧化細(xì)度。對水煤漿霧炬頻譜隨機(jī)軌道模型( Fluctuation- Spectrum- Random-多相湍流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的機(jī)理及模型研究仍然有待深trajectory Model)(,采用拉格朗日法處理水煤漿和完善。霧炬射流流場簡化為氣固兩相流,然霧化液滴模擬了水煤漿在鍋爐爐膛中的燃燒過而液相(水顆粒)的存在究竟有何影響尚未有任程,但由于模型中沒有考慮顆粒與顆粒之間的碰何解釋,因此完整建立氣液固三相流模型也是撞作用,因此對于水煤漿大顆粒霧化粒子的模擬研究方向之而言亦不完善。盧平基于顆粒運(yùn)動(dòng)離散單元法( Discrete element Method)H8,采用直接模擬法建參考文獻(xiàn)立了水煤漿霧炬顆粒相的湍流擴(kuò)散模型,摒棄了許多可能影響模擬精度的假設(shè),尤其考慮了顆粒1] Thambimuthu K. Developments in Coal-liquid Mix間的碰撞作用,但是DEM方法用于處理水煤漿顆tures [R]. International ErCoal Re粒稀相流動(dòng)顯然值得商榷。search, London( England),1994, 4: 82國外的學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始已較少對[2 Burdukov A P. Rheological Properties and Characteris-冷態(tài)水煤漿霧炬流場的進(jìn)行理論建模,這從該領(lǐng)tics of Hydraulic Transportation and Heat-Mass E域的文獻(xiàn)報(bào)道一片空白可以看出。究其原因hange of Coal-Water Fuels [J]. Journal of MiningScience,2002,38(3):220-228(1)對湍流機(jī)理的認(rèn)識(shí)有限以及水煤漿復(fù)雜的流3]TauH, Yavuzkurt S, Scaroni a. Thermodynamic anal變學(xué)特性,造成了理論建模的極大困難和不準(zhǔn)確ysis of the gasification of coal water slurry fuels for a性;(2)粒子圖像測速技術(shù)( Particle Image Velociculating fluidized bed gasifier [J]. Proceedings ofmetry,PIV)的出現(xiàn)把傳統(tǒng)的模擬流動(dòng)顯示技術(shù)the Institution of Mechanical Engineers, Part A(Jour推進(jìn)到光學(xué)數(shù)字式模擬流動(dòng),對于高不穩(wěn)定和隨al of Power and Energy ) 2002, 216(A5): 343-機(jī)流動(dòng),PⅣV得到的信息瞬時(shí)而精確。因此國內(nèi)外研究水煤漿的學(xué)者無一例外的采用了PV進(jìn)[4Tisc. Rheology and Its Effects on Atomization of算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將逐步提高人們對湍流機(jī)理的認(rèn)Wmtc.9m2 Annual Pittsburgh行水煤漿燃燒、流動(dòng)和傳熱的測試◇,3而對現(xiàn)Coal Water Slurry[A]. Proc有的理論模型產(chǎn)生懷疑。隨著流場測試技術(shù)及計(jì)中國煤化工cou. Water Fuel識(shí)從而促進(jìn)數(shù)值模型的不斷完善。CNMHGDOE/PC/70268-TI水煤漿霧炬流場的測試將對漿粒氣化、著火、V.2,1987,57穩(wěn)定燃燒及燃燒室內(nèi)空氣動(dòng)力流場的合理組織起〖6〕 Dan tomohisa, Ohishi Naoki, Senda jiro,etal.AtFLUID MACHINERYvol.35,No.3,2007omization mechanisms in diesel fuel spray [J]. Nip-Science& Engineering A, 2006, 417: 1-7.pon Kikai Gakkai Ronbunshu,BHen/ Transactions of[14]黃鎮(zhèn)宇,張傳名,李習(xí)臣,等,6h撞擊式水煤漿the Japan Society of Mechanical Engineers, 1994, 577噴嘴霧化特性試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),(60):319231972004,.24(6):201-2047]岑可法姚強(qiáng).煤漿燃燒、流動(dòng)、傳熱和氣化的理論「15] Kadja M, Bergeless G. Modeling of slurry droplet dr-與應(yīng)用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1997ying [J]. 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