馮美艷，鄭斌黎，褚夢(mèng)雅，陳昌榮，黃旭

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建鼎信科技有限公司，福建 寧德 352000)

煤氣發(fā)生爐廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、冶金、建筑材料等領(lǐng)域[1-2]，適用于氣化焦煤和焦炭等燃料的生產(chǎn)，不受場(chǎng)合的限制，但可能發(fā)生煤氣泄漏、發(fā)生爐爆炸事故[3]。在煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)煤氣過(guò)程中，需要使用加煤系統(tǒng)向爐體中不斷加煤。當(dāng)閥門打開時(shí)，爐內(nèi)的煤氣極易從煤塊的空隙和閥門處泄漏，一部分通過(guò)儲(chǔ)煤倉(cāng)的開口逸散到大氣中，另一部分在緩沖煤倉(cāng)和儲(chǔ)煤倉(cāng)中停留。煤氣泄露不僅造成資源浪費(fèi)[4]，還會(huì)污染空氣，可能導(dǎo)致人員一氧化碳中毒；停留在緩沖煤倉(cāng)和儲(chǔ)煤倉(cāng)的煤氣與空氣混合成為可燃?xì)怏w，與掉落進(jìn)煤倉(cāng)的煤矸石產(chǎn)生火花，引發(fā)閃爆事故，還可能造成大規(guī)模爆炸事故[5]。

目前針對(duì)氣化爐燃?xì)庑孤都翱扇嘉锖糠植贾饕?類研究。第1類是針對(duì)氣化爐局部泄露的原因的研究，如石銳[6]等通過(guò)案例，分析天然氣氣化爐燒嘴泄露原因,并提出有效的解決對(duì)策；楊振峰[7]研究發(fā)現(xiàn)出渣口長(zhǎng)期堆積爐渣會(huì)引起夾套外筒體壁厚減薄，噴涂有效的防腐涂料、加裝防渣擋板、定期檢查測(cè)厚等措施可以避免煤氣泄漏。第2類是針對(duì)氣化爐內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的分析，預(yù)測(cè)氣化爐內(nèi)燃?xì)獾暮糠植?。如蔣少華[8]建立最小二乘向量機(jī) (LS-SVM)的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)發(fā)生爐的出口溫度和CO2含量；馮美艷[9]等采用MP-PIC方法模擬研究了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)氣化爐內(nèi)可燃物濃度在床內(nèi)分布規(guī)律的影響。第3類通過(guò)統(tǒng)計(jì)從整體上分析預(yù)測(cè)事故的原因。如王有紅[5]采用事故樹分析方法，分析了事故發(fā)生的原因，提出了加強(qiáng)發(fā)生爐安全生產(chǎn)的措施；付婷婷[10]采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法(QRA)分析封閉廠房?jī)?nèi)煤氣工藝系統(tǒng)，采用FLACS軟件預(yù)測(cè)事故的危害程度和影響范圍。

煤氣發(fā)生爐在加煤時(shí)煤氣很容易從加煤口逃逸到廠房室內(nèi)，如遇明火或高溫極易造成爆炸。但是，目前針對(duì)煤氣發(fā)生爐加煤時(shí)的煤氣泄露問(wèn)題研究不足，因此，為了最大限度封堵煤氣進(jìn)入儲(chǔ)煤倉(cāng)，同時(shí)有效地降低緩沖煤倉(cāng)煤氣含量，本研究采用FLUENT對(duì)新型發(fā)生爐防煤氣泄漏的兩級(jí)N2吹掃裝置進(jìn)行優(yōu)化。

1 計(jì)算方法

物質(zhì)輸運(yùn)方程采用守恒方程。FLUENT通過(guò)第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Yi。守恒方程采用以下的通用形式：

(1)

Ji=-ρDi,m?Yi

(2)

其中，Di,m是混合物中第i種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。

2 物理模型和邊界條件

2.1 物理模型

兩級(jí)N2吹掃裝置如圖1所示，本研究建立三維緩沖煤倉(cāng)模型，采用FLUENT模擬倉(cāng)內(nèi)煤氣的置換情況[11]。如圖2所示，緩沖煤倉(cāng)左側(cè)為長(zhǎng)度為L(zhǎng)的N2進(jìn)氣管；頂端為環(huán)向均布的N2進(jìn)氣孔，其直徑3 mm；頂端右側(cè)為直徑80 mm的煤氣出口。緩沖煤倉(cāng)側(cè)壁的進(jìn)氣管利用吹掃流速及壓力將通過(guò)第二加煤閥進(jìn)入緩沖煤倉(cāng)并滯留的煤氣吹至頂端煤氣出口管道中，實(shí)現(xiàn)一級(jí)吹掃。緩沖煤倉(cāng)進(jìn)煤口側(cè)壁上設(shè)置的環(huán)向均布的N2進(jìn)氣孔以一定吹掃流速和角度形成氣墻，主要用于第一加煤閥開啟時(shí)實(shí)現(xiàn)二級(jí)吹掃，封堵緩沖煤倉(cāng)中的煤氣，以免向上泄漏至儲(chǔ)煤倉(cāng)。環(huán)向均布的N2進(jìn)氣孔直徑僅有3.0 mm，因此進(jìn)氣孔的網(wǎng)格尺寸相應(yīng)較小，設(shè)為0.6 mm。為了提高運(yùn)算的效率，倉(cāng)體的網(wǎng)格尺寸設(shè)為5.0 mm，總網(wǎng)格數(shù)為247 364個(gè)，網(wǎng)格劃分后的模型如圖2(c)所示。

圖1 兩級(jí)氮?dú)獯祾哐b置

圖2 緩沖煤倉(cāng)模型

2.2 邊界條件及初始條件

模型設(shè)置了兩部分N2入口，分別是緩沖煤倉(cāng)側(cè)壁下方的進(jìn)氣管和緩沖煤倉(cāng)進(jìn)煤口側(cè)壁上環(huán)向均布的進(jìn)氣孔，如圖2(a)、圖2(b)所示。頂部出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，其余部分設(shè)置為壁面，初場(chǎng)溫度設(shè)置為300 K。初始時(shí)煤氣各組分及含量如表1所示。所有N2入口總的流量為1 000 m3/h ，進(jìn)氣壓力為450 000 Pa，y方向重力為-9.81 m/s2，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。

表1 儲(chǔ)煤倉(cāng)煤氣組分及含量

3 模擬結(jié)果與討論

通過(guò)改變與水平方向進(jìn)氣夾角和進(jìn)氣管長(zhǎng)進(jìn)行單因素模擬，監(jiān)測(cè)緩沖煤倉(cāng)內(nèi)N2和CO濃度，模擬工況如表2所示。

表2 模擬工況表

3.1 基本工況

基本工況1(0°進(jìn)氣孔、進(jìn)氣管長(zhǎng)665 mm)模擬所得倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)分布情況如圖3所示。0.2 s以后緩沖煤倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)形成，且流速穩(wěn)定。緩沖煤倉(cāng)側(cè)壁下方的N2進(jìn)氣管實(shí)現(xiàn)一級(jí)吹掃，在吹掃流速及壓力作用下，緩沖煤倉(cāng)滯留的煤氣從倉(cāng)底不斷向上直至頂部煤氣出口。緩沖煤倉(cāng)的環(huán)向均布N2進(jìn)氣孔實(shí)現(xiàn)二級(jí)吹掃，以一定的流速和角度形成氣墻，在第一加煤閥開啟時(shí)，防止緩沖煤倉(cāng)內(nèi)的煤氣向上泄漏至儲(chǔ)煤倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)煤氣封堵目的。

圖3 2 s時(shí)倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)分布情況

緩沖煤倉(cāng)內(nèi)N2濃度隨置換時(shí)間的變化如圖4(a)所示。0.2 s時(shí)倉(cāng)內(nèi)N2濃度僅有65.82%，隨著置換時(shí)間的不斷增加，N2進(jìn)氣管和頂端進(jìn)氣孔進(jìn)行兩級(jí)協(xié)同吹掃，隨著N2的吹入，倉(cāng)內(nèi)N2濃度逐漸增大，8 s后倉(cāng)內(nèi)N2濃度超過(guò)99%。

圖4(b)、圖4(c)分別為N2和CO濃度隨置換時(shí)間的變化曲線。觀察圖4(b)可知，0至8 s內(nèi)，倉(cāng)內(nèi)N2濃度隨置換時(shí)間增加急劇增加，8 s后變化趨于平緩。這主要因?yàn)? s后倉(cāng)內(nèi)N2濃度超過(guò)99%，隨置換時(shí)間的變化不再明顯。如圖4(c)可知，隨置換時(shí)間的增加，緩沖煤倉(cāng)內(nèi)CO濃度由初始值30%急劇下降，8 s后趨于平緩。這主要因?yàn)殡S著兩級(jí)吹掃裝置的開啟，倉(cāng)內(nèi)的CO在吹掃流速和壓力作用下被吹至頂部煤氣出口，CO濃度逐漸降低，8 s后緩沖煤倉(cāng)內(nèi)剩余CO濃度較小，模擬測(cè)得的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅有0.005 9。

圖4 倉(cāng)內(nèi)氣體濃度隨置換時(shí)間變化

本模型成功實(shí)現(xiàn)兩級(jí)吹掃，通過(guò)環(huán)形進(jìn)氣孔和進(jìn)氣管的兩級(jí)協(xié)同吹掃，既能避免緩沖煤倉(cāng)中的煤氣向上泄漏至儲(chǔ)煤倉(cāng)，又能將腔內(nèi)煤氣吹至頂部煤氣出口，實(shí)現(xiàn)向緩沖煤倉(cāng)吹掃N2置換煤氣的目的。為了減少置換時(shí)間，降低倉(cāng)內(nèi)煤氣濃度，提高煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)時(shí)的安全性，針對(duì)緩沖煤倉(cāng)腔體結(jié)構(gòu)，以及N2、煤氣的特性，采用FLUENT軟件，對(duì)緩沖煤倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)一步優(yōu)化，探究進(jìn)氣孔角度和進(jìn)氣管的長(zhǎng)度對(duì)置換時(shí)間的影響。

3.2 進(jìn)氣角度對(duì)置換時(shí)間的影響

為了探究進(jìn)氣角度對(duì)煤氣置換時(shí)間的影響，設(shè)置0°和90°兩種角度的進(jìn)氣孔,以進(jìn)氣管長(zhǎng)330 mm進(jìn)行模擬，如圖5所示。由N2濃度隨置換時(shí)間變化曲線所知，隨著置換時(shí)間的增加，腔內(nèi)N2濃度由初始時(shí)60%顯著升高，8 s后趨近平緩。由CO濃度隨置換時(shí)間變化曲線所知，倉(cāng)內(nèi)CO濃度隨置換時(shí)間的增加急劇降低，8 s后濃度變化變緩，倉(cāng)內(nèi)剩余CO濃度接近于0。8 s時(shí)設(shè)置0°進(jìn)氣孔的倉(cāng)內(nèi)N2濃度更高，為99.54%，因此 0°進(jìn)氣孔比90°更快完成置換。流場(chǎng)速度如圖5(b)和(c)所示，相同吹掃時(shí)間下，對(duì)比流場(chǎng)內(nèi)的最大速度，明顯進(jìn)氣孔為0°時(shí)的氣速大于90°時(shí)的氣速。因此，0°進(jìn)氣孔的吹掃速度明顯高于90°進(jìn)氣孔，且0°分布的進(jìn)氣孔更有利于在頂端對(duì)緩沖煤倉(cāng)內(nèi)的滯留煤氣形成封堵，所以0°分布進(jìn)氣孔優(yōu)于90°進(jìn)氣孔，與氣體濃度隨置換時(shí)間變化曲線所示規(guī)律一致，后續(xù)模擬均采用0°進(jìn)氣孔。

圖5 不同進(jìn)氣角度的置換情況

3.3 進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)置換時(shí)間的影響

為了探究N2進(jìn)氣管長(zhǎng)對(duì)置換時(shí)間的影響,分別模擬了L為140、330 mm和665 mm三種管長(zhǎng)，其中二級(jí)進(jìn)氣孔采用0°分布。如圖6所示，對(duì)于3種不同長(zhǎng)度的進(jìn)氣管，倉(cāng)內(nèi)N2濃度都隨置換時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。當(dāng)置換時(shí)間為10 s時(shí)，進(jìn)氣管長(zhǎng)為140 mm的倉(cāng)內(nèi)N2濃度為99.82%，進(jìn)氣管長(zhǎng)為330 mm時(shí)倉(cāng)內(nèi)N2濃度為99.84%，進(jìn)氣管長(zhǎng)為665 mm時(shí)倉(cāng)內(nèi)N2濃度為99.73%。330 mm的進(jìn)氣管長(zhǎng)明顯更有利于減小置換時(shí)間，提高工作效率，降低煤氣泄漏事故的發(fā)生率。

圖6 進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)置換時(shí)間的影響

不同進(jìn)氣管長(zhǎng)時(shí)緩沖煤倉(cāng)的內(nèi)部流場(chǎng)如圖7所示。相同吹掃時(shí)間下，進(jìn)氣管管長(zhǎng)660 mm時(shí)流場(chǎng)速度最小。從圖7(d)看出，雖然進(jìn)氣管長(zhǎng)140 mm時(shí)N2入射速度高于330 mm的進(jìn)氣管，但由于進(jìn)氣管管長(zhǎng)過(guò)短，N2從進(jìn)口流入后，在緩沖煤倉(cāng)側(cè)壁中部分成兩束分別向上和下形成環(huán)流，向上環(huán)流的一部分N2只能吹出倉(cāng)內(nèi)中上部的煤氣，不利于倉(cāng)內(nèi)煤氣的置換。同時(shí)，倉(cāng)底速度減小，利用進(jìn)氣管N2將緩沖煤倉(cāng)底部煤氣吹至頂部煤氣管道的效果減弱，所以置換效率低于330 mm進(jìn)氣管。因此330 mm的進(jìn)氣管的吹掃位置和N2入射速度都更有利于緩沖煤倉(cāng)內(nèi)煤氣的置換，優(yōu)于140、665 mm的進(jìn)氣管，此時(shí)進(jìn)氣管L的長(zhǎng)度占緩沖煤倉(cāng)總高度的比例約為1/3。

圖7 不同進(jìn)氣管長(zhǎng)2 s時(shí)速度云圖

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

由3.2和3.3可知，工況2為最佳工況。與水平方向成0°的環(huán)向進(jìn)氣孔更有利于在頂部形成氣墻，在第一加煤閥開啟時(shí)，封堵緩沖煤倉(cāng)中的煤氣，避免向上泄漏至儲(chǔ)煤倉(cāng)。330 mm長(zhǎng)的進(jìn)氣管吹掃位置和N2入射速度更有利于緩沖煤倉(cāng)內(nèi)煤氣的置換，提高吹掃效率及安全生產(chǎn)的可行性。按工況2設(shè)計(jì)試驗(yàn)，使用優(yōu)化后的兩級(jí)N2吹掃裝置對(duì)煤氣發(fā)生爐進(jìn)行煤氣置換測(cè)試。首先按照指定進(jìn)氣管長(zhǎng)和進(jìn)氣孔角度完成裝置安裝，分別在緩沖煤倉(cāng)內(nèi)和操作平臺(tái)處各設(shè)置1只CO濃度測(cè)量?jī)x，通過(guò)操作系統(tǒng)中“開氮?dú)庋訒r(shí)”和“關(guān)氮?dú)庋訒r(shí)”兩個(gè)參數(shù)控制吹掃時(shí)間。分別測(cè)量在無(wú)吹掃條件下加煤時(shí)和二級(jí)吹掃加煤時(shí)緩沖煤倉(cāng)內(nèi)和操作平臺(tái)處的CO濃度。CO測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比如圖8所示，N2吹掃時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為8 s，0°進(jìn)氣孔和330 mm進(jìn)氣管的緩沖煤倉(cāng)模擬所得倉(cāng)內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003 9，實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003 0，說(shuō)明本模型對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到指導(dǎo)意義。

圖8 CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨置換時(shí)間變化(工況2)

4 結(jié)論

本研究通過(guò)兩級(jí)協(xié)同吹掃，有效解決緩沖煤倉(cāng)的煤氣外泄問(wèn)題和儲(chǔ)煤倉(cāng)閃爆問(wèn)題。利用FLUENT對(duì)緩沖倉(cāng)進(jìn)氣管長(zhǎng)和環(huán)孔進(jìn)氣方向進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工況并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：

1)相同進(jìn)氣管長(zhǎng)度下，在緩沖煤倉(cāng)進(jìn)煤口側(cè)壁上呈0°環(huán)向均布的進(jìn)氣孔置換效果優(yōu)于90°進(jìn)氣孔。相同置換時(shí)間下，設(shè)置0°進(jìn)氣孔的緩沖煤倉(cāng)內(nèi)N2含量更高，封堵效果更好。

2)采用與水平方向成0°角的環(huán)向均布的進(jìn)氣孔，相同吹掃時(shí)間下，長(zhǎng)度為330 mm的進(jìn)氣管優(yōu)于140 mm及665 mm的進(jìn)氣管，不僅能利用吹掃流速和壓力將緩沖倉(cāng)內(nèi)滯留煤氣吹至頂部煤氣出口管道中，且N2的入射速度更快，置換時(shí)間更短，更有利于提高生產(chǎn)的安全性。