煤氣化裝置中黑水角閥內部流場(chǎng)優(yōu)化研究

第43卷第2期煤化工Vol.43 No.22015年4月Coal Chemical IndustryApr. 2015煤氣化裝置中黑水角閥內部流場(chǎng)優(yōu)化研究王永洲',陳暢?,李作為2(1.兗州煤業(yè)榆林能化有限公司甲醇廠(chǎng),陜西榆林 719000;2.北京航天石化技術(shù)裝備工程公司,北京100076)摘要為解決煤氣化裝置中黑水角閥閥體損壞嚴重的問(wèn)題，建立3種具有不同流動(dòng)曲面的黑水角閥幾何模型,采用CFD軟件Fluent中k-e模型,對黑水角閥內部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計算和分析。結果表明,通過(guò)改變閥體入口和出口的曲率半徑,在黑水角閥內部流場(chǎng)的不同位置產(chǎn)生渦流,可改變流體的流動(dòng)方向,從而影響閃蒸和氣蝕的發(fā)生位置,避免在閥體處發(fā)生氣蝕,減輕對閥體的損壞。關(guān)鍵詞煤氣化, 黑水角閥,內部流場(chǎng),曲率半徑,CFD,模擬,優(yōu)化文章編號: 1005-9598 (2015) -02-0024-03中 圈分類(lèi)號:T0055文獻標識碼:A引|言流道模型,用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格處理,用CFD數值模擬軟件Fluent進(jìn)行三維流場(chǎng)模擬[5],對具有3種黑水角閥是德士古煤氣化裝置上的關(guān)鍵閥門(mén),用不同流動(dòng)曲面的黑水角閥模擬結果進(jìn)行對比分析,為于控制氣化爐、洗滌塔和閃蒸罐出口處黑水的流量、進(jìn)一步優(yōu)化設計,提供理論依據。壓力,其工況具有高壓差、強沖刷、強腐蝕、介質(zhì)中含有固體顆粒的特點(diǎn)。在煤氣化工段中,介質(zhì)主要為高1黑水角 閥閥體受損情況溫的黑水、渣水或灰水,最高溫度可達240 C左右,最大壓差可達7. 5 MPa,使用工況非?？量蘙-2)。黑水、渣黑水角閥使用一定周期后,通過(guò)觀(guān)察閥座及閥體水及灰水中含有氯離子、氨鉀鹽、硫化氫或磷酸等強沖蝕情況,可以發(fā)現,在使用過(guò)程中,閥座的文丘里段腐蝕介質(zhì),并含有固體顆粒,因此流體在閥門(mén)中的流發(fā)生了嚴重的側向沖蝕,造成沖穿，對閥體相同部位場(chǎng)分布以及流速的分布對黑水角閥閥體及閥芯閥座造成損傷,嚴重影響了裝置的正常安全運行。同時(shí),由等節流零部件的使用壽命會(huì )產(chǎn)生較大的影響4。于閥體損壞嚴重,必須更換整閥,導致后期成本升高。具有不同結構的國內外黑水角閥,會(huì )使流體在閥經(jīng)初步分析,認為嚴重的單側沖蝕與閥門(mén)的內部體內的流向發(fā)生90°變化,其流路簡(jiǎn)單,阻力小,滲漏結構有著(zhù)緊密的關(guān)系。為了進(jìn)一步分析沖蝕原因,對內少,適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒狀物質(zhì)部流場(chǎng)流動(dòng)與閥門(mén)結構的關(guān)系,進(jìn)行了有關(guān)研究。流體的調節,可以避免結焦、堵塞,也便于自清洗。通過(guò)了解黑水角閥某現場(chǎng)使用情況.發(fā)現具有不2計算模型的建立同流動(dòng)曲面的閥體使用壽命相差較大。為了研究不同流動(dòng)曲面曲率對黑水角閥內部流場(chǎng)的影響,優(yōu)化黑水縱觀(guān)國內外廠(chǎng)商的角閥結構,發(fā)現所查閱過(guò)的角角閥內部流場(chǎng),北京航天石化技術(shù)裝備工程公司調節閥閥體入口和出口都呈90°,但是流動(dòng)曲率半徑各有閥組選用相同閥體口徑、相同內件結構和尺寸,相同差別,可以初步判斷流動(dòng)過(guò)程中的曲率半徑是關(guān)鍵參閥門(mén)開(kāi)度，不同流動(dòng)曲面的閥體結構的黑水角閥,利數之一。根據這一推斷,使用Solidworks2012三維設用三維造型軟件Solidworks2012 ,對黑水角閥建立了計軟件,建立幾何模型。不同閥體結構的黑水角閥物中國煤化工收稿日期:2014-11-23JYHCNMHG專(zhuān)業(yè)，現從事化作者簡(jiǎn)介:王永洲(1980- ), 男,陜西西安,工程師,學(xué)士,2004年畢業(yè)于空軍上在八月開(kāi)Ut議工儀表維護技術(shù)工作, E-mail:chench@calt11. cn。..26-煤化工2015年第2期6. 32e+066. 33e+055. 97e+065. 94e+t06s. 10e+064. 78+064. 69e+049510 .4.39<+064 28et4 26+063. 46e+063. 23e+063. 05++063. 58e-062.84e+062 64e+061.68e+061. 41e-062. 2+01. 30e+061.00-661.870+069. 10e+055 94et95-2.26e-05-2 50e+05長(cháng)36e-058 37e+05-1. 05e+06-1. 410+06-1. 87e+06(a)曲率半徑350 mm(b)曲率半徑150 mm(c )曲率半徑100mm圖3黑水角閥靜壓分布云圖和局部放大圖可以得到以下結論:(1)當閥體曲率半徑作為唯一變量,而其他條件恒定的情況下,不同曲率半徑對總壓分布的影響不大。(2)流體對閥體的沖蝕程度遠小于對出口管道的氣蝕和沖蝕。(3)閥體的曲率半徑直接影響出口流體流向和汽(a)曲率半徑(b)曲率半徑 (c)曲率半徑蝕發(fā)生的位置,選擇合適的曲率半徑(R=150mm,350350mm150mm100mmmm),可以有效地避免在閥座單側壁面發(fā)生氣蝕,縮短圖4黑水角閥速度矢量圖壓力恢復時(shí)間,從而縮短閥座長(cháng)度,優(yōu)化設計。面,產(chǎn)生了很大的壓差阻力。(4)選擇合適的曲率半徑(R=150 )可以有效地通過(guò)調整流動(dòng)曲面的曲率半徑(見(jiàn)圖4b),改善避免由于邊界層分離產(chǎn)生的渦流，降低壓差阻力,使了流體流動(dòng)性,避免了閥座出口處渦流的產(chǎn)生,降低閥座出口處速度云圖呈倒錐狀分布,在流道中部產(chǎn)生了壓差阻力,同時(shí)閥體出口速度分布均勻,過(guò)節流面汽蝕,減輕了氣蝕對出口流道的破壞,增加了閥門(mén)的后,速度迅速降低，這樣可以有效地縮短氣蝕等對出使用壽命?？诹鞯榔茐牡拈L(cháng)度,可延長(cháng)閥座使用壽命,保證閥門(mén)參考文獻:長(cháng)期安全可靠運行。3.4結果分析[1]郭鳳忠.煤化工用黑水角閥的研制[J].閥門(mén),2011(3):存在黏性和逆壓力梯度是流體發(fā)生邊界層分離31-32.的必要條件",在黑水角閥中的流體滿(mǎn)足這兩種條件,[2]張玉卓.中國煤炭液化技術(shù)發(fā)展前景[J].煤炭科學(xué)技所以就有可能產(chǎn)生邊界層分離。邊界層分離后,有可術(shù),2006 ,34(1):19-22.能會(huì )產(chǎn)生倒流,即產(chǎn)生漩渦,如圖1(C)模型所示，渦[3]王新昶,孫方宏,孫樂(lè )申,等.高壓差高固含量減壓閥的仿真優(yōu)化設計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2011 ,45(11):流的產(chǎn)生會(huì )導致很大的壓差阻力,使壓力恢復時(shí)間較1 597-1 601.長(cháng),擴大了氣蝕區域,縮短了閥座的壽命,所以應該盡[4]偶國富,饒杰,章利特,等.煤液化高壓差調節閥空量避免渦流的產(chǎn)生。通過(guò)改變閥體的曲率半徑,可有蝕/沖蝕磨損預測[J].摩擦學(xué)學(xué)報, 2013,33(2):155效地避免渦流的產(chǎn)生(如圖1a模型和圖1b模型所-161示),并且保持流體呈倒錐狀分布流動(dòng)(如圖1a模型[5]王福軍.計算流體力學(xué)分析-CFD軟件原理與應用[M].所示),使汽蝕發(fā)生在閥座出口流道的中心部位,遠離北京:清華大學(xué)出版社, 2004: 122- 125.壁面,有效減輕了汽蝕對閥座出口流道的破壞。[6]劉芳.控制閥閃菜和空化現魚(yú)乃陽(yáng)塞流的計算[J].4結論石油化]中國煤化工[7]陳懋章.|YHCN M H G.京:高等教育出根據CFD計算結果與現場(chǎng)實(shí)際使用情況的比較,版社,2002. .(下轉第38頁(yè)).- 38-煤化工2015年第2期醇中平均雜醇質(zhì)量分數均為0.04%,使用兩種催化劑MK151的產(chǎn)能最大化。生成的粗甲醇品質(zhì)方面差別不大。因此，初期活性階段,MK151與MK121在催化劑的選擇性方面基本相當。參考文獻: .[1]韓文光.化工裝置實(shí)用操作技術(shù)指南[M].北京:化學(xué)4結語(yǔ)工業(yè)出版社, 2001: 148.通過(guò)對比MK151催化劑與MK121催化劑初期活[2]趙紹民合成氣成分對甲醇合成生產(chǎn)的影響[J].煤化工, 2003.31(4):42.性階段的實(shí)際運行情況，可以得出: MK151的平均CO[3]馮元奇，李關(guān)云.甲醇生產(chǎn)操作向答[M].北京:化學(xué)工單程轉化率較MK121的C0單程轉化率高5. 6%，業(yè)出版社, 2008 : 186-188.MK151的最大生產(chǎn)負荷較MK121的最大生產(chǎn)負荷高[4]錢(qián)盛,李衛東.影響甲醇合成催化劑時(shí)空收率的因6. 9%, MK151的實(shí)際產(chǎn)能大于MK121的產(chǎn)能。咸陽(yáng)化素[J].中氮肥,2002(1):3-5.工在總結MK121催化劑使用經(jīng)驗的基礎上，使用[5]周道康.甲醇合成催化劑1K-101在國內某裝置上的MK151的過(guò)程中，充分地利用MK151的活性，可使應用探討[J].云南化工, 2002(4):20.Comparison of the MK151 and MK121 Methanol Catalyst in the 600 000 t/a UnitAn Bo(Shaanxi Xianyang Chemical Industry Co., Ltd., Xianyang Shaanxi 712000, China)Abstract The HTAS methanol synthesis process was sketched and the performance and characteristics of the MK151and MK121 catalysts were introduced, respectively. Analysis and comparison of the service of the two catalysts were madebased on their data of loading, reduction and initial activity, which indicated that the average CO conversion per pas of MK151was better than that of MK121, the maximum production capacity of MK151 was greater than that of MK121 and the productionload of MK151 was 6.9% higher than that of MK121.Key words methanol, synthesis, MK151 catalyst, MK121 catalyst, activity(上接第26頁(yè))Research on the Optimization of Intermal Flow Field of the Black WaterAngle Valve in the Coal Gasification UnitWang Yongzhou', Chen Chang' and Li Zuowei?(1. Yulin Enengy & Chemical Co., Ltd, Yanzhou Coal Mining, Yulin Shaanxi 719000, China;2. Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Corporation, Beijing 100076, China)Abstract Black water angle valves used for commercial direct coal gasification suffered serious damages on their bodies.Three geometric models of black water angle valves with different curved flow surfaces were built up. Simulating calculationand analysis were performed with the help of the k-ε model of the CFD for the intemal flow field of the valve. The resultindicated that there existed vortexes at diferent locations of the intemal flow fields with the change of the curvature radius ofthe inlet and outlet of the valve body, which changed the direction of the flow, and that caused an impact on the location of theflash and cavitation. This change avoided cavitation at the valve body, thus alleviated its damage.Key words coal gasification, black water angle valve, intemal flow field, curvature radius, CFD, simulation, optimization中國煤化工MYHCNMHG .