喷嘴偏转角与喷嘴倾角对恩德加压粉煤气化炉(EPCG)冷态气固流动特性影响的数值模拟研究

《Processes》：Numerical Simulation Study on the Effects of Nozzle Deflection Angle and Nozzle Inclination Angle on Cold-State Gas–Solid Flow Characteristics in an EPCG

　　

为探究恩德加压粉煤气化炉(Ende pressurized pulverized-coal gasifier, EPCG)中存在的不均匀气固流动及颗粒停留时间不足的问题，研究人员建立了产气量45,000 Nm3/h工业级气化炉的三维冷态数值模型，研究了喷嘴偏转角(deflection angle, 30–50°)与喷嘴倾角(inclination angle, 15–23°)对气固流动特性的影响。(1) 鉴于加压气化炉内颗粒流动行为难以直接测量，采用工业级冷态模拟分析了不同喷嘴结构下的颗粒输运与流动演化；(2) 综合采用轴向速度、颗粒体积分数、停留时间及径向对称性评价流动均匀性与稳定性，并对比分析了喷嘴偏转角与喷嘴倾角的不同影响。结果表明：床层内形成典型的贴壁上行流与中心回流结构，颗粒呈螺旋上升输运，流动均匀性随床层高度增加逐渐改善。增大喷嘴偏转角主要增强颗粒输运能力，而喷嘴倾角对流动对称性与稳定性影响更为显著。喷嘴倾角19–21°与喷嘴偏转角40–45°较有利于稳定流动的形成，其中40°偏转角配19°倾角的组合给出了最佳的流动均匀性与稳定性。

论文解读：喷嘴偏转角与喷嘴倾角对恩德加压粉煤气化炉(EPCG)冷态气固流动特性影响的数值模拟研究

一、研究背景与意义

煤炭是我国主要能源，煤气化是煤炭高效清洁转化的重要路线。恩德气化炉(Ende gasifier)属典型循环流化床气化装置，但现有加压粉煤气化炉(EPCG)存在炉内气固流动不均、颗粒停留时间不足等问题，影响气化效率并导致飞灰含碳量偏高。已有研究多关注旋流角、叶片角及烧嘴布置对气流床气化炉的影响，而针对循环流化床气化炉中不同喷嘴倾角(inclination angle)与偏转角(deflection angle)诱导的流场重构、环核(annulus–core)流结构演变及气固混合均匀性影响的系统性研究仍较缺乏。为此，研究人员以产气量45,000 Nm³/h的EPCG为对象，采用欧拉-欧拉双流体模型(Eulerian–Eulerian Two-Fluid Model, TFM)进行冷态数值模拟，系统考察喷嘴偏转角(30°, 35°, 40°, 45°, 50°，倾角固定19°)与喷嘴倾角(15°, 17°, 19°, 21°, 23°，偏转角固定40°)对炉内气固速度分布、颗粒体积分数及流场结构的影响，旨在为热态模拟、喷嘴结构优化及工业运行提供理论依据。该论文发表于《Processes》。

二、主要技术方法概述

研究人员建立EPCG全尺寸三维几何模型(6.4 m × 6.4 m × 22.7 m)，包含喷嘴、加煤口、返料口及反应器腔体。气相与颗粒相均采用连续介质描述，选用欧拉-欧拉双流体模型(TFM)，气固相间曳力采用Gidaspow曳力模型封闭，颗粒相应力基于颗粒动力学理论(Kinetic Theory of Granular Flow, KTGF)封闭，湍流采用标准k–ε模型。喷嘴设为速度入口(70 m/s)，加煤口为质量入口，上部出口为压力出口，返料口及壁面为无滑移壁面边界，工质气体为氮气。网格独立性验证后选用约100万结构化六面体网格进行计算。在基准工况(偏转角40°)下选取H=2.5 m、5 m、8 m、12 m横截面及笛卡尔坐标系进行定量后处理分析，共设10组模拟工况。

三、研究结果

4.1. Volume Fraction Distribution of Pulverized-Coal Particles in the Fluidized Bed at Different Time Instants

不同时刻颗粒体积分数云图显示，颗粒经历"进口附近聚集→沿壁面上行→趋于稳定"的整体演化。0.5 s时颗粒滞留于加煤口附近受射流影响；3.5 s沿下部壁面上行但高浓度区偏加煤侧；6 s分布不对称，返料侧浓度高于加煤侧；9 s后弥散范围扩大，上行与回流均增强；11.5–12 s基本达稳态，呈现下部高于上部、近壁高于中心、返料侧高于加煤侧的分布特征。

4.2. Analysis of Particle Flow Characteristics

颗粒在床内呈整体螺旋上升运动，近壁区速度高、流线连续，为中心下行回流与近壁上行喷动(spouting zone)、顶部喷泉区(fountain zone)及回流区(recirculation zone)共存结构。颗粒停留时间空间分布呈"下部短、上部长"，表明主流循环区位于床中心区域，利于颗粒滞留与混合，停留时间差异主要与沿程气流强度衰减相关。

4.3. Axial Velocity Distribution of Particles

4.3.1. Effect of Nozzle Deflection Angle on Axial Particle Velocity

偏转角变化(倾角固定19°)下，颗粒轴向速度径向呈典型分层——近壁正向(上行)、中心负向(下行回流)。偏转角增大至40–45°时壁面附着上行通道更连续、循环形态更稳定；50°时无显著进一步改善，可能因射流过贴近侧壁致碰壁耗能。随床高增加速度整体降低，曲线由陡变缓；偏转角对下部射流区影响小，中部敏感性强，上部因重力与耗散影响渐弱。

4.3.2. Effect of Nozzle Inclination Angle on the Axial Velocity of Particles

倾角变化(偏转角固定40°)下整体环核结构不变。倾角由15°增至19°、21°时，回流区收缩且对称性改善，表明夹带与流动稳定性增强；倾角达23°时回流区向壁面扩展并出现局部不对称，过大倾角破坏原有稳定循环。15°工况因表观气速低于最小流化风速且射流直冲壁面耗能大未做深入讨论。21°时速度分布最规整稳定。

4.4. Particle Volume Fraction Distribution

4.4.1. Influence of Nozzle Deflection Angle on Particle Concentration

不同高度径向颗粒体积分数沿床高由入口区单峰不对称逐步演化为U形或多峰且对称性明显改善。H=12 m、偏转角40°时左右峰值接近、分布最均匀，利于稳定气固混合。

4.4.2. Influence of Nozzle Inclination Angle on Particle Concentration

随高度增加同样由单峰不对称转为U形/多峰对称分布，倾角有助于流场稳定化。H=12 m、倾角19°时左右峰值几近相等、分布最均匀，利于稳定气固混合与燃烧/气化。

四、讨论与结论(翻译浓缩)

研究表明：炉内颗粒呈螺旋上升运动，形成典型"贴壁上行—中心回流"循环结构；近壁为主要高速输运通道，中心易回流与颗粒滞留；停留时间呈下部短上部长分布。喷嘴偏转角30–50°范围内，增大偏转角强化颗粒输运与循环强度，40–45°产生较连续的贴壁上行通道与相对稳定循环结构，推荐偏转角40–45°，其中40°综合表现最佳。喷嘴倾角15–23°范围内，19–21°使回流区收缩、流场对称性改善，推荐倾角19–21°，其中19°给出最均匀的颗粒体积分数分布，21°给出最稳定的速度分布。沿床高颗粒体积分数由单峰不对称演变为U形对称分布，偏转角40°配倾角19°在H=12 m处获得最佳颗粒分布均匀性与最稳定流场结构。综上，喷嘴偏转角40°与喷嘴倾角19°的组合可提供更合理的颗粒循环路径、更稳定的流场结构及最佳整体气固流动性能。