粉煤调节阀内气固两相流动的研究

长江新城市

　　以煤气化系统中的粉煤调节阀为研究对象，采用CFD数值模拟方法对阀门内部的气固两相流动进行了数值模拟研究，得到了粉煤流量随阀门开度的变化情况及内流场特性。分析了粉煤输送过程中随着阀门开度增大，介质出口附近存在粉煤堆积的现象。给出了阀门节流元件结构改进，增大阀门的可调比，以减少流体卡塞满足大流量工况的使用需求。


1、概述　　高压粉煤流量调节阀( 简称粉煤调节阀) 是Shell、GSP、HT- L 煤气化工艺装置中，安装在粉煤给料罐和气化炉之间，用于调节进入气化炉粉煤流量、精确控制气化炉内氧- 煤比的关键设备，其性能优劣直接关系到气化炉能否实现安全、长期稳定运行。粉煤调节阀输送的介质是以高压氮气或二氧化碳为载体，具有一定硬度的固体粉煤颗粒，为气- 固两相控制系统。在系统的调节过程中，高浓度粉煤介质的浓度随工况发生变化，致使介质流动不稳定，甚至会堵塞阀门。粉煤颗粒的高速运动对阀门造成很大的冲蚀，容易造成粉煤流量不稳定，甚至会使粉煤调节失效，所以，粉煤调节阀具有耐高压、耐冲击、耐磨损及流量调节稳定等综合性能。


2、粉煤调节阀的结构原理
　　粉煤调节阀主要由阀体、阀座、阀杆及阀头组成( 图1) 。阀头上面开有朝向出口的n 形窗口，阀杆与阀头通过螺栓连接成一体。工作时，执行器带动阀杆上下运动，改变n 形窗口与出口的过流面积，从而控制阀门的开闭，n 形窗口与出口相接的地方形成节流口。


3、结果分析
　　选取粉煤调节阀(2.5in. ，600psi) 进行数值分析。计算所用边界条件及介质物性与在线使用工况近似一致。计算模型选用欧拉模型，介质为粉煤和二氧化碳，其中粉煤体积分数占30%，粉煤颗粒的平均粒径50μm。


　　通过模拟得到了粉煤流量随开度的变化情况(图2) ，在60% 开度之前，流量随阀门开度的增大明显增加，60%开度以后随开度的增大流量增加不明显。通过体积分数云图(图3) 可以发现，在较大开度下节流窗口上方发生了壅塞，已经不利于粉煤的输送。通过速度矢量图( 图4) 也可以看到，在节流口后方有明显的涡流，同样不利于粉煤的输送而且会造成能量损失。因此可以考虑对节流元件进行结构改进，最终减少壅塞，增大阀门的可调比，满足大流量工况的使用需求。

图1 粉煤调节阀

图2 粉煤调节阀(2.5in. ，600psi) 流量特性曲线

图3 粉煤调节阀(2.5in. ，600psi) 粉煤体积分数云图

图4 粉煤调节阀(2.5in. ，600psi) 出口粉煤速度矢量图

4、结语
　　CFD方法在粉煤调节阀上的应用是气固两相流研究的突破，也是对粉煤密相输送的探索，现阶段的研究得到了产品的流量特性曲线和内流场特性，对于已有产品的改进和新产品的研制可以起到指导作用。