基于PIV技术的七喷嘴气化炉流场研究
摘 要：为研究七喷嘴气化炉的流场分布，建立了顶置七喷嘴气化冷模试验装置，采用激光粒子成像测速系统(PIV)在气化炉的上部、中部及下部视窗进行了流场测试，比较分析了颗粒流量、分散风流量对气化炉流场的影响。结果表明，在颗粒流量20～150 kg/h，分散风流量740～880 m3/h的工艺条件下，气化炉上部流场呈现自由射流特点，射流长度为40 cm，平均射流速度为25 m/s，中下部流场则以返混区为主，流速在8 m/s以下；颗粒流量增大会使得最大射流速度由40 m/s降低至15 m/s，且气化炉上部射流粒子束的径向脉动增强，造成射流弥散；分散风流量增大使得最大射流速度由25 m/s增至35 m/s，射流长度无明显变化。颗粒流量和分散风流量对流场的影响主要体现在气化炉上部，对中下部流场的影响逐渐减弱。
关键词：PIV；气化炉；七喷嘴；流场
0 引 言
喷嘴是煤气化技术的核心设备，其射流特性将直接影响气化炉内流场、停留时间等关键参数。喷嘴的性能、寿命与整个装置的运行周期、稳定性紧密相关，开展喷嘴射流特性研究，掌握气化炉内流场变化规律，对于优化喷嘴结构和气化炉的研发设计具有重要意义。气化炉的操作条件苛刻，难以在高温高压条件下表征气化喷嘴的射流特性。冷模装置投资小，操作简便，在气化技术研发过程中得到了广泛引用[1-3]。在气化冷模装置上可较容易得到常温常压下的气化炉内部流场、射流长度、停留时间等流体力学参数，进而通过相似理论为气化炉的放大设计提供理论指导[4]。当前主流气化炉主要分为顶置单喷嘴和对置式多喷嘴气化炉，如以顶置单喷嘴为代表的德士古、GSP气化炉[5-6]，以对置式多喷嘴为代表的壳牌气化炉[7]。激光粒子成像测速系统(PIV)技术在气固两相流的流场研究中得到广泛应用[8-10]，PIV通过非接触式流场测量方式，在同一时刻记录整个测量平面的流场信息。罗智等[11]运用PIV对矩形喷射器内部射流流场进行了测量，分析了整个喷射器内部流场的流动特性，发现受限射流发展经历了先扩张后收缩2个阶段，射流主流边缘的气体流动受到阻碍，产生回流和涡旋。王振南等[12]采用PIV测量平流射流煤粉燃烧器中心射流区域的流场特性。通过对不同示踪粒子特性的分析，选定SiC粉末表征气相流场，煤粉表征颗粒射流流场。结果表明，煤粉具有较好的散射特性，采用PIV可获得合理的煤粉颗粒流场。Lindstedt等[13]采用PIV研究两喷嘴对置湍流撞击流的速度应力特征,发现了撞击面和轴线的几何中心不重合。为研究顶置多喷嘴气化炉内的射流特性，笔者在自主研发的七喷嘴基础上，建立了顶置七喷嘴气化炉冷态试验装置。试验过程中，在离喷嘴口25、90、155 cm处，对气化炉内轴向剖面流场进行测试，得到顶置七喷嘴气化炉内的流场分布图。同时，为研究顶置七喷嘴的射流特性，通过调整颗粒流量和分散风流量，了解颗粒流量和分散风流量对气化炉内射流长度、射流速度的影响。
1 试验系统
气化冷模试验装置为稀相气力输送系统，输送压力60 kPa(表压，下同)，输送介质为玻璃微珠，平均粒径为58 μm,堆积密度为1 330 kg/m3。空气经由罗茨风机压缩后分成2股，一股作为输送风，另一股作为分散风。输送风夹带玻璃微珠输送至气化喷嘴，分散风进入喷嘴环隙将粒子束进行雾化。气化冷模试验系统如图1所示。
图1 气化冷模试验系统
Fig.1 Experiment system of gasification cold model
气化炉上方布置7个双通道喷嘴，相邻的3个喷嘴中心连线构成等边三角形，每个喷嘴外环供给分散风，喷嘴内环介质为分散风夹带煤粉。喷嘴平面分布及喷嘴结构如图2所示。
图2 喷嘴平面分布及喷嘴结构
Fig.2 Plane distribution and structure of nozzles
PIV测试技术作为一种瞬时全场测速技术，突破了空间单点测量技术的局限性，对流场不产生干扰，可在同一时刻记录整个测量平面的流场信息，适用于研究涡流等复杂流动。试验系统中，PIV激光面为气化炉轴向剖面，光电转换式CCD相机拍摄面与PIV激光面垂直。CCD相机拍摄区域为60 cm×60 cm，图像为2 048×2 048像素。CCD相机拍摄点分别位于气化炉上部、中部和下部3个视窗，拍摄点距离喷嘴口分别为25、90、155 cm，CCD相机所拍图像经过Insight 3g软件处理后即可得到相应区域的流场信息，PIV测试示意如图3所示。
图3 PIV测试示意
Fig.3 Measurement schematic diagram of PIV
2 结果与讨论
2.1 顶置七喷嘴气化炉流场分布
在颗粒流量50 kg/h，输送风流量200 m3/h，分散风流量820 m3/h的条件下，通过CCD相机在上部、中部、下部视窗对PIV激光面进行拍摄，得到的七喷嘴气化炉在距离喷嘴口25、90、155 cm处的流场如图4所示。
图4 顶置七喷嘴气化炉流场
Fig.4 Flow field of gasifier with seven nozzles
由图4a可知，在气化炉上部流场中存在3股射流向下发展，呈现自由射流特征，射流长度约40 cm，平均射流速度约25 m/s。因3股射流的横向脉动，会碰撞靠近射流边界的空气，并带动其一起向前运动。随着射流向下发展，射流边界与周围空气之间产生动量交换，周围空气不断被卷入，导致在3股射流区旁边形成卷吸现象。
由图4b可知，七喷嘴的射流没有发展到中部窗口，在离喷嘴70～110 cm处，气化炉内粒子整体从左壁面到右壁面由下向上运动，流速降至8 m/s以下，在靠近右壁面处形成涡流区。
由图4c可知，下部流场与中部流场类似，在离喷嘴140～170 cm处，流场内存在大量粒子返混，整体流速降至3 m/s以下，右壁面存在涡流区与图4b中的涡流能够很好地衔接。
由以上分析可知，通过PIV测试可得到气化炉内轴向剖面的流速及流动迹线等信息，受颗粒流量及分散风流量的影响，射流发展到一定长度将停止，七喷嘴射流主要集中在气化炉上部窗口，中、下部流场则主要以返混为主。根据这些流场特性，可将气化炉内的物理空间划分为不同分区(图5)。其中Ⅰ区因顶部七喷嘴的高速气流产生，可近似为自由射流，I区的流动特性与平推流反应器类似。在靠近壁面的Ⅱ区是因流体卷吸作用引起的涡流区，在射流区下方的Ⅲ区是较明显的涡流区，Ⅱ区和Ⅲ区可近似为全混流区。根据平推流和全混流的特点，该气化炉可形成由平推流和全混流反应器构成的组合模型，在气化炉热模模拟中，此组合模型结合气化反应动力学参数和反应器结构参数，比通用的吉布斯能最小化模型更全面反映出气化炉内的反应特性[14-15]。
图5 七喷嘴气化炉流场分布
Fig.5 Flow field distribution of gasifier with seven nozzles
2.2 颗粒流量对流场的影响
固定输送风流量和分散风流量，通过调节下料量将玻璃微珠流量从20 kg/h逐步增大到150 kg/h，观察流场的变化，测试工况见表1。
在以上4种工况下，七喷嘴气化炉的上部流场如图6所示。
表1 不同颗粒流量下的测试工况
Table 1 Measurement conditions for different particles flow rate
图6a、6b中射流中心的红色区域为高速区，图6a中的最大射流速度达到40 m/s，随着颗粒流量的增大，高速区面积明显减小，颗粒流量进一步增大。在图6c、6d中已无法观测到射流中心的高速区，最大射流速度降低到15 m/s。在颗粒流量较小的条件下(工况1和工况2)，3股射流速度分布均匀，射流长度约40 cm；在颗粒流量较高的条件下(工况3和工况4)，射流速度分布逐渐变得弥散。图6c、6d中3股射流均已变得弥散，其原因可能为气化炉内的颗粒浓度增大导致粒子束湍流运动产生的径向脉动增强，颗粒有向其他方向发展的趋势，增加了气化炉内流场的无序性，造成射流弥散。因此，颗粒流量是气化炉上部流场的流速及流动方向的影响因素。
图6 颗粒流量对七喷嘴气化炉上部流场的影响
Fig.6 Influence of particles flow rate on upper flow field of gasifier with seven nozzles
2.3 颗粒流量对等高轴向速度的影响
颗粒流量对七喷嘴气化炉的上部流场有较大影响，对气化炉中下部流场的影响则可通过对等高轴向速度进行对比。试验测试点分别为距喷嘴口90、155 cm处，颗粒流量50～150 kg/h逐渐增大，分散风为820 m3/h，输送风为200 m3/h。气化炉内距喷嘴口90、155 cm处的等高轴向速度如图7所示。
由图7a可知，随着颗粒流量从50 kg/h增至150 kg/h，距喷嘴口90 cm处的轴向速度逐渐减小，速度波动最大为4 m/s；而距喷嘴口155 cm处的轴向速度几乎没有波动。因此，颗粒流量对气化炉中部流场的影响要强于对下部流场的影响。由图6也可知，七喷嘴的3股射流仅发展到距离喷嘴口40 cm处，射流束带来的卷吸作用对上部流场的影响较为明显，因此，气化炉由上向下，颗粒流量的增加对流场的影响逐渐减弱。
2.4 分散风流量对流场的影响
七喷嘴的射流长度约40 cm，射流对流场的影响主要集中在气化炉上部，在工艺条件相近的条件下，分散风对流场的影响也应集中在气化炉上部，因此，试验拍摄点选择为气化炉上部视窗，测试工况见表2。
4种工况下的流场分布如图8所示。
由图8可知，在当前工艺条件下，分散风流量的增大不会使得射流弥散。分散风流量从740 m3/h增加到880 m3/h，在分散风流量较小的工况下(工况1和工况2)，射流速度约25 m/s，在3股射流的中心处几乎无法观测到高速区，随着分散风流量的增大，可明显观测到射流束中出现高速区，高速区最大速度为35 m/s。由此可知，射流速度会随着分散风流量的增大而增大。同时，与图8a、8b相比，图8c、8d中的3股射流长度均在30～40 cm，无明显变化，这充分说明随着分散风流量增大，射流长度无明显变化。
图7 七喷嘴气化炉等高轴向速度对比
Fig.7 Comparison of axial velocity of gasifier with seven nozzles
表2 不同分散风下的测试工况
Table 2 Mesurement conditions for different dispersed-gas flow rate
图8 分散风流量对七喷嘴气化炉上部流场的影响
Fig.8 Influence of dispersed-gas flow rate on upper flow field of gasifier with seven nozzles
3 结 论
1)七喷嘴气化炉上部流场呈现出自由射流的特点，平均射流速度为25 m/s，射流长度为40 cm。在3股射流束的旁边出现流体卷吸现象；而在气化炉中、下部，流场主要以返混区为主。
2)随着颗粒流量的增大，射流速度逐渐减小，当颗粒流量增大到一定程度，射流将逐渐弥散，沿气化炉从上向下，颗粒流量的增加对流场的影响逐渐减弱。
3)分散风流量的增大不会造成射流弥散。随着分散风流量的增大，射流速度增大，最大射流速度由25 m/s增至35 m/s；射流长度均在30～40 cm，无明显变化。
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Research on flow field of gasifier with seven nozzles based on PIV technology
Abstract:A cold model unit was built to study the flow field distribution of gasifier with seven nozzles.The experimental method of PIV was used to measure the flow fields of the upper,middle and lower parts of gasifier,the influence of particles flow rate and dispersed-gas flow rate on flow field were analyzed.The results showed that,when the particles flow rate ranged from 20 kg/h to 150 kg/h and the dispersed-gas flow rate ranged from 740 m3/h to 880 m3/h,the upper flow filed of the gasifier had the characteristics of free jet significantly,the length of jet flow was 40 cm,the average efflux velocity was 25 m/s.Meanwhile,the middle and lower flow filed was mainly formed with mixing zone,and the velocity of the whole field was below 8 m/s.As particles flow rate increased,the maximum jet velocity decreased from 40 m/s to 15 m/s,and the pattern of jet flow was tend to disperse.As the dispersed-gas flow rate increased,the maximum jet velocity decreased from 25 m/s to 35 m/s,while the length of jet flow had no significant change.The influence of the two factors on the flow field mainly reflected in the top of gasifier,and gradually weakened in the middle and lower flow fields.
Key words:PIV;gasifier,seven nozzles;flow field
收稿日期：2016-03-02；
责任编辑：白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.06.007
基金项目：神华集团科技创新项目(ST930014SH0)
引用格式：方薪晖，巩志坚，冯子洋,等.基于PIV技术的七喷嘴气化炉流场研究[J].洁净煤技术，2016，22(6)：34-39.
FANG Xinhui,GONG Zhijian,FENG Ziyang,et al.Research on flow field of gasifier with seven nozzles based on PIV technology[J].Clean Coal Technology，2016，22(6)：34-39.
中图分类号：TQ54
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)06-0034-06
