煤炭地下气化点火装置燃烧特性数值研究*

张友军 王刚庆 王 峰 谭文锋 任 武 刘凯文 陈 展

(1.中石油江汉机械研究所有限公司2.中石油煤层气有限责任公司)

张友军,王刚庆,王峰,等.煤炭地下气化点火装置燃烧特性数值研究.石油机械,2022,50(11):98-103.

0 引言

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,简称UCG)是将埋藏于地下的煤就地进行有控制地燃烧,通过煤的热化学作用而生产煤气的过程,是一种集建井、采煤、气化工艺于一体的清洁能源技术,具有安全性高、环境友好及高效等优点[1-5]。我国含油气盆地煤系发育,超出煤炭企业井工开采深度,埋深1 000～3 000 m的煤炭资源量巨大,达到3.77×1012t,预计可气化煤炭折合天然气资源量为(272～332)×1012m3,是常规天然气资源量的3倍[1-5]。

由于UCG技术具有以上显著优点,国内外都在该技术上投入了大量资源进行研究和应用,逐渐形成了3种类型的煤炭地下气化技术,即长壁式气流法煤炭地下气化技术、渗透式煤炭地下气化技术和控制后退注气点煤炭地下气化技术。在钻井式气化过程中,注气管移动控制装备设置在地面;在矿井式气化过程中,注气管移动控制装备可设置在井下巷道中。因此,控制后退注气点煤炭地下气化技术适用于钻井式和矿井式气化。

由于气化煤层无法移动,要依靠气化工作面的移动以保持气化过程的连续,而长壁式和渗透式气化工艺中,气化工作面的移动是依靠气流流动自然推进,可控性差。利用注气点的后退移动注气可人为控制气化工作面的移动,从而实现对气化工作面的有效控制。在气化通道中设置注气管,利用注气管连续或间断后撤,实现注气点连续或间断后退移动。相关研究机构在气化通道注气点火设备的研制中已经开展了大量工作,例如中国矿业大学(北京)煤炭工业地下气化工程研究中心发明了“分离控制后退注气点-水雾化地下气化技术”等[6]。笔者设计了一种井下“火炬式”点火装置,并使用连续管将该点火装置送入井下预定位置,注入点火剂和氧气实现自燃引火,着火后持续注入主燃料和空气进行定点燃烧,进而点燃煤层;利用Fluent软件对其点火装置内部流场进行了数值模拟,分析各参数分布情况,确保其满足井下安全点火的要求。

1 模型建立

1.1 装置结构

本文设计的装置通过化学点火方式实现煤炭地下点火,采用中心扩散式的2级燃烧方案,利用点火剂引燃主燃料,空气为氧化剂,氮气作为保护气体。装置的结构如图1所示。装置工作时,从内直外旋气液同轴喷嘴外圈喷射出液态燃料,中心直孔喷射空气,液态燃料通过外侧旋孔注入,通过控制燃料和空气的质量流率之比使预燃室内的混合气体为富燃燃气,并控制燃烧温度使其对预燃室壁面的加热温度在其结构材料的许用温度以下。空气从入口进入后分别进入预燃室和二次空气腔,在点火器后端面设计了2组不同倾角的二次空气喷注孔,在端面切向设置了4个冷却气喷注孔,用以降低点火器后端壁面温度,保证装置的安全工作。预燃室富燃燃气进入可燃管内部后与二次空气掺混并进行二次燃烧,进一步提高燃气温度使可燃管燃烧,燃气中富余的氧气可与气化通道中的煤层进行反应。装置环隙中通入一定流速的氮气,在点火之后冷却点火器外壁,防止点火器外壁温度过高导致的结构破坏。

图1 煤炭地下气化点火装置结构示意图Fig.1 Schematic structure of ignition device of underground coal gasification

该点火装置的设计中利用了变截面定常等熵流在达到壅塞状态后,临界截面后的流动状态无法向上游传播的气体动力学原理,使得旋流同轴喷嘴及预燃室后部富燃燃气喷嘴的前后气流无法相互影响,保障了流动和火焰的稳定。这也是该设计区别于以往常规点火装置的创新之处。

1.2 计算方案

本文模拟的主要问题为稳态三维多组分可燃气体的可压缩流动,计算模型采用三维多组分带化学反应的湍流燃烧流动,整个过程受多因素影响较为复杂。研究中假设流道中气体为理想气体。燃料与空气的化学反应机理涉及到多个基元化学反应,考虑数值模拟的可实现性以及相应设计优化的周期,使用了丙烷-空气的两步简化动力学机理作为研究数值模拟的化学动力学模型。湍流模型采用Menter k-ωSST湍流模型求解雷诺时均N-S方程。Menter k-ωSST湍流模型在近壁面使用Wilcox k-ω模型,在边界层边缘和自由剪切层采用标准的k-ε模型,其间通过一个混合函数进行过渡。对于自由剪切层、附着边界层以及适度分离流动具有较好的计算精度。

模拟采用商用CFD软件包ANSYSFluent进行。空气入口采用质量流率入口,液态丙烷喷注采用DPM模型,粒径和速度参考文献[7-8]的相关试验数据。可燃管选用密度2.15 g/cm3、比热容875 J/(kg·K)、导热系数87.3 W/(m·K)的镁铝合金。煤层物性参数参考文献[9-10]的孙村矿2层相关数据,点火器材料选用耐高温合金。装置出口为压力出口,其值亦为可燃管内压力值。文献[11-12]的计算结果表明,Fluent软件可以对丙烷的燃烧过程进行较为准确的数值模拟,使用该计算方法可以满足工程设计需要。

计算区域采用三维对称构型,全长5 m,直径114 mm,内部点火器外径77 mm,预燃室内径14 mm。整个计算域采用非结构网格,网格数量为3 101 569,网格质量满足计算要求。

2 结果分析

2.1 预燃室

点火装置运行时,为了顺利点燃可燃管并同时保护点火器结构,燃气对可燃管内的加热量需满足一定要求,但温度过高又会对点火器结构安全带来隐患。这里提出的点火装置通过一个预燃室来提供稳定的点火源。

图2为预燃室的液滴分布状况。

图2 丙烷液滴粒径分布Fig.2 Propane droplet size distribution

由图2可以看出,由于液态丙烷采用了涡流器离心式喷注方式,在喷嘴下游形成了空心锥形雾化区域,喷射的液滴粒径更小,雾化蒸发更快,有效提高了雾化效果。丙烷液滴在预燃室中已经完全雾化蒸发,没有丙烷液滴直接进入可燃管中的二次燃烧区域,这就保证了预燃室的压力和流量会维持在设计点附近,表明采用涡流离心喷注器起到了良好的雾化效果,有利于稳定快速点火。预燃室壁温分布如图3所示。从图3可以看出,预燃室温度前低后高,这是由于丙烷液滴在预燃室前部雾化蒸发,吸收了大量热量,蒸发后的丙烷蒸气与氧气逐渐掺混并发生燃烧反应。燃烧区域主要集中在点火器下游的中心区域,圆柱段内壁温度最高达1 576 K,可以通过气膜对预燃室壁面进行冷却,实现长时间工作。

图3 预燃室壁温分布Fig.3 Wall temperature distribution of pre-ignition chamber

2.2 可燃管

考虑到预燃室内壁温不宜过高,预燃室内的丙烷和氧气比例按照贫氧进行设计,随射流喷入可燃管内,与补燃空气进行二次燃烧。对称面的丙烷浓度分布如图4所示。由图4可以看出,丙烷在预燃室中并未完全燃烧,剩余的丙烷及富燃的一次燃气在点火器出口下游与二次空气进行掺混补燃。

图4 对称面丙烷质量分数分布Fig.4 Propane mass factor distribution of symmetric plane

对称面氧气质量分布如图5所示。

图5 对称面氧气质量分数分布Fig.5 Oxygen mass factor distribution of symmetric plane

从图5可以看出:二次空气与一次射流燃气进行燃烧后体积分数逐渐降低;在与丙烷完全反应后,可燃管中下游大部分区域氧气体积分数为6.8%,可供给煤层的燃烧。预燃室及可燃管对称面温度分布如图6所示。

图6 预燃室及可燃管对称面温度分布Fig.6 Temperature distribution of symmetric plane of pre-ignition chamber and combustible tube

从图6可以看出,预燃室内未完全燃烧的一次燃气射流进入可燃管后与二次空气掺混,发生二次燃烧。由于预燃室起到火焰稳定的作用,高温火焰可以一直稳定维持在预燃室后部位置,实现了值班火焰的作用。可燃管中最高燃烧温度可达2 004 K,高温燃气将附近的氮气加热。图7为可燃管壁面温度分布云图。

图7 可燃管壁面温度分布Fig.7 Temperature distribution of combustible tube wall

由图7可知,可燃管壁面的平均温度1 058 K,最高温度1 113 K,确保可燃管可控燃烧。图8为可燃管XY截面上的温度分布。由图8可以看出,由于点火器下游大尺度回流的作用,使得回流方向的燃气掺混更快、温度更高,较大尺度的回流区域也起到了火焰稳定的作用。此外,火焰在可燃管中径向扩展效果较好,在点火器喷嘴下游500 mm处已经较为均匀,结合图7的壁温分布可以看出,二次燃气能够有效引燃可燃管。

图8 可燃管中XY部分截面温度分布Fig.8 Temperature distribution of some XY sections in the combustible tube

图9全设备轴线上温度曲线及上游区域放大图Fig.9 Temperature curve on the whole axis of the device and the enlarged view of upstream area

图9 为全设备长度轴线及点火装置上游轴线上 的温度曲线。图9中x=0的位置位于预燃室头部表面。从图9可以看出,在点火前预燃室中心轴线前部温度较低。随着空气与丙烷发生燃烧反应,在预燃室中后部温度迅速上升,之后燃气在拉瓦尔喷管中速度上升,静温下降,在进入可燃管后与二次空气再次发生燃烧反应,温度迅速上升。二次燃气和环隙的氮气掺混后温度再次降低,在下游趋于平稳,并且随着壁面向外部的热传导,温度也沿轴线方向略有所下降。

点火器还需考虑的一个问题是其外侧的热防护。由于氮气的速度远低于一次燃气和二次空气,在点火器后部形成了多组旋流,将部分高温二次燃气及被加热的氮气卷入点火器外壁附近,使点火器外壁面温度升高,最高达1 107 K。在二次补燃喷嘴的上下各有2个冷却气帘喷孔,从点火器外壁温分布图中可以看出,气帘的冷却作用显著,高温燃气出口壁面附近温度较低。该工况下,环隙进入的氮气流量较大,冷却能力较强,使高温回流燃气的回流距离较短,在台阶上游45 mm附近,点火器外壁温度已迅速降低至400 K以下,满足该处相关结构件的使用温度需求。

3 结束语

依据气体动力学的壅塞原理设计了一种适用于煤炭地下气化点火的井下“火炬式”点火装置,该装置能够稳定控制流量和点火能量。使用计算流体力学软件对其稳态燃烧条件下的燃烧流场进行了三维数值模拟。根据计算结果可以看出,气体中心直流、液体涡流器离心式气液同轴喷嘴可以使液态丙烷雾化效果更好,预燃室起到了良好的火焰稳定作用。在一次燃气出口附近实现了二次空气喷射进行补燃,并配合冷却气帘对一次燃气出口附近的壁面进行有效冷却,既可以满足加热可燃管的要求,使可燃管可控燃烧,又可以降低点火器外壁面温度,实现长时间工作。计算结果表明,该点火装置能够实现稳定点火,二次燃烧后的温度和和氧气含量达到了点燃可燃管的要求。