粉煤调节阀内气固两相流动的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天长征机械设备制造有限公司 作者:颜震

  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。

粉煤调节阀内气固两相流动的研究

图1 粉煤调节阀

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图2 粉煤调节阀(2.5in. ,600psi) 流量特性曲线

粉煤调节阀内气固两相流动的研究

图3 粉煤调节阀(2.5in. ,600psi) 粉煤体积分数云图

粉煤调节阀内气固两相流动的研究

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。

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