新型發生爐防煤氣泄漏裝置優化

馮美艷，鄭斌黎，褚夢雅，陳昌榮，黃旭

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

煤氣發生爐廣泛應用于機械、化工、冶金、建筑材料等領域[1-2]，適用于氣化焦煤和焦炭等燃料的生產，不受場合的限制，但可能發生煤氣泄漏、發生爐爆炸事故[3]。在煤氣發生爐生產煤氣過程中，需要使用加煤系統向爐體中不斷加煤。當閥門打開時，爐內的煤氣極易從煤塊的空隙和閥門處泄漏，一部分通過儲煤倉的開口逸散到大氣中，另一部分在緩沖煤倉和儲煤倉中停留。煤氣泄露不僅造成資源浪費[4]，還會污染空氣，可能導致人員一氧化碳中毒；停留在緩沖煤倉和儲煤倉的煤氣與空氣混合成為可燃氣體，與掉落進煤倉的煤矸石產生火花，引發閃爆事故，還可能造成大規模爆炸事故[5]。

目前針對氣化爐燃氣泄露及可燃物含量分布主要有3類研究。第1類是針對氣化爐局部泄露的原因的研究，如石銳[6]等通過案例，分析天然氣氣化爐燒嘴泄露原因,并提出有效的解決對策；楊振峰[7]研究發現出渣口長期堆積爐渣會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、定期檢查測厚等措施可以避免煤氣泄漏。第2類是針對氣化爐內流動狀態的分析，預測氣化爐內燃氣的含量分布。如蔣少華[8]建立最小二乘向量機 (LS-SVM)的預測模型，預測發生爐的出口溫度和CO2含量；馮美艷[9]等采用MP-PIC方法模擬研究了反應器結構對氣化爐內可燃物濃度在床內分布規律的影響。第3類通過統計從整體上分析預測事故的原因。如王有紅[5]采用事故樹分析方法，分析了事故發生的原因，提出了加強發生爐安全生產的措施；付婷婷[10]采用定量風險分析方法(QRA)分析封閉廠房內煤氣工藝系統，采用FLACS軟件預測事故的危害程度和影響范圍。

煤氣發生爐在加煤時煤氣很容易從加煤口逃逸到廠房室內，如遇明火或高溫極易造成爆炸。但是，目前針對煤氣發生爐加煤時的煤氣泄露問題研究不足，因此，為了最大限度封堵煤氣進入儲煤倉，同時有效地降低緩沖煤倉煤氣含量，本研究采用FLUENT對新型發生爐防煤氣泄漏的兩級N2吹掃裝置進行優化。

1 計算方法

物質輸運方程采用守恒方程。FLUENT通過第i種物質的對流擴散方程預估每種物質的質量分數，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種物質的擴散系數。

2 物理模型和邊界條件

2.1 物理模型

兩級N2吹掃裝置如圖1所示，本研究建立三維緩沖煤倉模型，采用FLUENT模擬倉內煤氣的置換情況[11]。如圖2所示，緩沖煤倉左側為長度為L的N2進氣管；頂端為環向均布的N2進氣孔，其直徑3 mm；頂端右側為直徑80 mm的煤氣出口。緩沖煤倉側壁的進氣管利用吹掃流速及壓力將通過第二加煤閥進入緩沖煤倉并滯留的煤氣吹至頂端煤氣出口管道中，實現一級吹掃。緩沖煤倉進煤口側壁上設置的環向均布的N2進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實現二級吹掃，封堵緩沖煤倉中的煤氣，以免向上泄漏至儲煤倉。環向均布的N2進氣孔直徑僅有3.0 mm，因此進氣孔的網格尺寸相應較小，設為0.6 mm。為了提高運算的效率，倉體的網格尺寸設為5.0 mm，總網格數為247 364個，網格劃分后的模型如圖2(c)所示。

圖1 兩級氮氣吹掃裝置

圖2 緩沖煤倉模型

2.2 邊界條件及初始條件

模型設置了兩部分N2入口，分別是緩沖煤倉側壁下方的進氣管和緩沖煤倉進煤口側壁上環向均布的進氣孔，如圖2(a)、圖2(b)所示。頂部出口邊界條件設置為壓力出口，其余部分設置為壁面，初場溫度設置為300 K。初始時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 ，進氣壓力為450 000 Pa，y方向重力為-9.81 m/s2，設置時間步長為0.01 s。

表1 儲煤倉煤氣組分及含量

3 模擬結果與討論

通過改變與水平方向進氣夾角和進氣管長進行單因素模擬，監測緩沖煤倉內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°進氣孔、進氣管長665 mm)模擬所得倉內流場分布情況如圖3所示。0.2 s以后緩沖煤倉內流場形成，且流速穩定。緩沖煤倉側壁下方的N2進氣管實現一級吹掃，在吹掃流速及壓力作用下，緩沖煤倉滯留的煤氣從倉底不斷向上直至頂部煤氣出口。緩沖煤倉的環向均布N2進氣孔實現二級吹掃，以一定的流速和角度形成氣墻，在第一加煤閥開啟時，防止緩沖煤倉內的煤氣向上泄漏至儲煤倉，實現煤氣封堵目的。

圖3 2 s時倉內流場分布情況

緩沖煤倉內N2濃度隨置換時間的變化如圖4(a)所示。0.2 s時倉內N2濃度僅有65.82%，隨著置換時間的不斷增加，N2進氣管和頂端進氣孔進行兩級協同吹掃，隨著N2的吹入，倉內N2濃度逐漸增大，8 s后倉內N2濃度超過99%。

圖4(b)、圖4(c)分別為N2和CO濃度隨置換時間的變化曲線。觀察圖4(b)可知，0至8 s內，倉內N2濃度隨置換時間增加急劇增加，8 s后變化趨于平緩。這主要因為8 s后倉內N2濃度超過99%，隨置換時間的變化不再明顯。如圖4(c)可知，隨置換時間的增加，緩沖煤倉內CO濃度由初始值30%急劇下降，8 s后趨于平緩。這主要因為隨著兩級吹掃裝置的開啟，倉內的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后緩沖煤倉內剩余CO濃度較小，模擬測得的CO質量分數僅有0.005 9。

圖4 倉內氣體濃度隨置換時間變化

本模型成功實現兩級吹掃，通過環形進氣孔和進氣管的兩級協同吹掃，既能避免緩沖煤倉中的煤氣向上泄漏至儲煤倉，又能將腔內煤氣吹至頂部煤氣出口，實現向緩沖煤倉吹掃N2置換煤氣的目的。為了減少置換時間，降低倉內煤氣濃度，提高煤氣發生爐生產時的安全性，針對緩沖煤倉腔體結構，以及N2、煤氣的特性，采用FLUENT軟件，對緩沖煤倉內部流場進一步優化，探究進氣孔角度和進氣管的長度對置換時間的影響。

3.2 進氣角度對置換時間的影響

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

圖5 不同進氣角度的置換情況

3.3 進氣管長度對置換時間的影響

為了探究N2進氣管長對置換時間的影響,分別模擬了L為140、330 mm和665 mm三種管長，其中二級進氣孔采用0°分布。如圖6所示，對于3種不同長度的進氣管，倉內N2濃度都隨置換時間的延長而增大。當置換時間為10 s時，進氣管長為140 mm的倉內N2濃度為99.82%，進氣管長為330 mm時倉內N2濃度為99.84%，進氣管長為665 mm時倉內N2濃度為99.73%。330 mm的進氣管長明顯更有利于減小置換時間，提高工作效率，降低煤氣泄漏事故的發生率。

圖6 進氣管長度對置換時間的影響

不同進氣管長時緩沖煤倉的內部流場如圖7所示。相同吹掃時間下，進氣管管長660 mm時流場速度最小。從圖7(d)看出，雖然進氣管長140 mm時N2入射速度高于330 mm的進氣管，但由于進氣管管長過短，N2從進口流入后，在緩沖煤倉側壁中部分成兩束分別向上和下形成環流，向上環流的一部分N2只能吹出倉內中上部的煤氣，不利于倉內煤氣的置換。同時，倉底速度減小，利用進氣管N2將緩沖煤倉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進氣管。因此330 mm的進氣管的吹掃位置和N2入射速度都更有利于緩沖煤倉內煤氣的置換，優于140、665 mm的進氣管，此時進氣管L的長度占緩沖煤倉總高度的比例約為1/3。

圖7 不同進氣管長2 s時速度云圖

3.4 試驗驗證

由3.2和3.3可知，工況2為最佳工況。與水平方向成0°的環向進氣孔更有利于在頂部形成氣墻，在第一加煤閥開啟時，封堵緩沖煤倉中的煤氣，避免向上泄漏至儲煤倉。330 mm長的進氣管吹掃位置和N2入射速度更有利于緩沖煤倉內煤氣的置換，提高吹掃效率及安全生產的可行性。按工況2設計試驗，使用優化后的兩級N2吹掃裝置對煤氣發生爐進行煤氣置換測試。首先按照指定進氣管長和進氣孔角度完成裝置安裝，分別在緩沖煤倉內和操作平臺處各設置1只CO濃度測量儀，通過操作系統中“開氮氣延時”和“關氮氣延時”兩個參數控制吹掃時間。分別測量在無吹掃條件下加煤時和二級吹掃加煤時緩沖煤倉內和操作平臺處的CO濃度。CO測試結果如表3所示。

表3 測試結果

實驗和模擬結果對比如圖8所示，N2吹掃時長設置為8 s，0°進氣孔和330 mm進氣管的緩沖煤倉模擬所得倉內CO質量分數為0.003 9，實際試驗測得CO質量分數為0.003 0，說明本模型對實際生產起到指導意義。

圖8 CO質量分數隨置換時間變化(工況2)

4 結論

本研究通過兩級協同吹掃，有效解決緩沖煤倉的煤氣外泄問題和儲煤倉閃爆問題。利用FLUENT對緩沖倉進氣管長和環孔進氣方向進行優化，得到最優工況并進行試驗驗證。結果表明：

1)相同進氣管長度下，在緩沖煤倉進煤口側壁上呈0°環向均布的進氣孔置換效果優于90°進氣孔。相同置換時間下，設置0°進氣孔的緩沖煤倉內N2含量更高，封堵效果更好。

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