激冷室內合成氣穿越液池過(guò)程流動(dòng)特性與帶水問(wèn)題

第27卷第8期中國電機工程學(xué)報VoL, 27 No 8 Mar 20072007年3月Proceedings of the cseeC2007 Chin. Soc. for Elec Eng文章編號:02588013(2007)08-0037-05中圖分類(lèi)號:TK284文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:47010激冷室內合成氣穿越液池過(guò)程流動(dòng)特性與帶水問(wèn)題謝海燕,袁竹林東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇省南京市2100906)Flowing Characteristics and Problem of Entraining Water about mixedGas Crossing the Cistern in Quench ChamberXIE Hai-yan, YUAN Zhu-lin(The Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of the Ministry of Education, SoutheastUniversity, Nanjing 210096, Jiangsu Province, ChinaABSTRACT: The entrainment properties of mixed gas passing 0 3IEthrough a cistem in quench chamber of Texaco gasifier were在 Texaco氣化爐中,高溫合成氣經(jīng)過(guò)激冷環(huán)-dimensional numerical simulation Theeffects of the space between the ascending and descending進(jìn)入激冷室,在激冷室內進(jìn)行冷卻及除渣。激冷室pipes, gas velocity and liquid film velocity on the entrainil主要由激冷環(huán)、下降管、上升管和液池組成圖1)water flux were discussed№ umerical results indicate that th激冷環(huán)位于下降管上方,下降管下端浸入液池中training water flux decreases with the increase of the space激冷水從激冷環(huán)內流出,沿下降管內壁流入液池between two pipes, and increases with the increase of gas高溫合成氣與下降管內壁水膜直接接觸發(fā)生強烈velocity when the water inlet flux keeps constant. The relation的熱質(zhì)交換,合成氣中熔融態(tài)灰渣發(fā)生聚并與凝between the level height and parameters are also obtained. The結。合成氣沿著(zhù)下降管進(jìn)入液池后,從下降管與上iquid film velocity has obvious effect on the entraining water升管的環(huán)隙流出,在合成氣穿越液池過(guò)程中,大部Ix asremains constant. It is found that the entraining water flux分凝渣與氣體發(fā)生分離而留在液池中,合成氣得到decreases at first. reaches a minimum. and then increases with初步凈化。由于存在密度差,在激冷室床層和下the increase of the liquid film velocity降管與上升管的環(huán)隙間形成了一個(gè)黑水的整體、脈KEY WORDS: Texaco gasifier; quench chamber;εsqud沖式的循環(huán)流動(dòng),水的流動(dòng)方向與氣體流向相同,two-phase flow; entraining water; numerical simulation因此激冷室內液相的黑水極易被合成氣大量夾帶至后續的洗滌塔,從而影響裝置正常運行。氣化爐摘要:采用三維數值模擬方法對德士古氣化爐激冷室內合成合成氣帶水的問(wèn)題對氣化系統穩定運行的危害很氣穿越液池過(guò)程的流動(dòng)特性以及合成氣帶水等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究,探討了兩管(上升管和下降管)間隙、氣流速度以大,而在氣化爐下部激冷室內都不同程度地出現及液膜流速對帶液量的影響。模擬結果表明:在進(jìn)水流量保持一定的條件下,氣流的帶液量隨著(zhù)兩管間隙的增加而減激冷環(huán)少,隨著(zhù)氣流速度的增大而增大,并分別獲得了帶液量與兩管間隙、帶液量與氣流速度的關(guān)系曲線(xiàn);在兩管間隙和氣流下降管速度一定的條件下,液膜流速對氣流的帶液量也存在影響,隨著(zhù)液膜流速的增大帶液量先減少后增加。上升管關(guān)鍵詞: Texaco氣化爐;激冷室:氣液兩相流動(dòng);帶液數值模擬中國煤化工基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃基金項目(2004CB21CNMHGProject Subsidized by the Special Funds for Major State Basic圖1激冷室Research Projects of China(2004CB217707)Fig 1 Quench chamber38中國電機工程學(xué)報第27卷“帶水”問(wèn)題,嚴重影響著(zhù)裝置的穩定運行。關(guān)于 Texaco氣化爐內合成氣帶水實(shí)驗,由于測試方法上有困難,目前很多文獻上56僅僅分析了合成氣帶+G-p8水問(wèn)題的影響因素,而數值模擬往往能有效地發(fā)揮出探討其內在機理的作用9,本文采用VOFda+[(μ( volume of fluid模型對氣化爐激冷室內合成氣穿越液池的流動(dòng)特性進(jìn)行了數值模擬,并定性分析了兩出)]+CG-C2p管(上升管和下降管)間隙、氣流速度以及液膜流速對帶液量的影響,在此基礎上獲得了相應的研究結果。1.2.2界面捕捉方法1數值模擬平臺的建立VOF模型通過(guò)求解單獨的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區域的每一流體的容積份額來(lái)模擬2種不能混合1.1物理模型的流體。它是基于時(shí)間和空間平均方程及耦合兩相為著(zhù)重探討激冷室內合成氣穿越液池的流動(dòng)流體模型,采用界面跟蹤算法來(lái)對兩相流進(jìn)行模過(guò)程,根據本文的工程背景,簡(jiǎn)化得到了以下的物擬,可用于模擬流體中大泡的運動(dòng)和氣液界面的穩理模型:液膜沿著(zhù)下降管內壁流入液池,氣流與液態(tài)和瞬態(tài)處理。針對氣體與液體互不融和的特點(diǎn),膜同向流動(dòng),穿越液池后從下降管與上升管間環(huán)隙即不考慮傳質(zhì)問(wèn)題,本文中數學(xué)模型采用ⅤOF方向上流出,并攜帶一定的水量,如圖2所示。在數法捕捉氣液兩相的界面。值計算中,不考慮氣液兩相間的傳熱問(wèn)題和氣流中連續性方程為凝渣的分離,在冷態(tài)條件下對相關(guān)流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究。分析可知,若帶水量與進(jìn)入液池的水量相同+l2V,=0則液池高度基本保持不變。兩相體積比滿(mǎn)足歸一化條件:氣流入口C1+Cx,=1↓1氣流出為了很好的求解VOF方程(3),本文采用DLYoungs提出的的單個(gè)網(wǎng)格內的斜直線(xiàn)近似,在單個(gè)網(wǎng)格上構造有斜率的直線(xiàn)逼近界面。1.23表面張力與壁面黏附液池高度本文采用連續表面張力模型模擬相界面上的表面張力其中,n為表面法向量。曲率k可從垂直于界面的圖2計算示意圖表面的局部梯度計算得出:Fig. 2 The drawing of calculation1.2數學(xué)模型其中:n°為單位法向量,n°=H。使用散度原理1.2.1動(dòng)量方程與輸運方程根據上述物理模型可見(jiàn),合成氣穿越液池的流可以將表面張力表示為體積力,即動(dòng)過(guò)程為氣液所構成的較為復雜的兩相流動(dòng),考慮F到氣體與液體的連續性,數學(xué)模型采用歐拉方法,另外,設流體與壁面的接觸角,即壁面處界面的切建立連續介質(zhì)流動(dòng)控制方程。動(dòng)量方程為線(xiàn)和界面的夾角為θ,壁面的單位法向量和單位切d(pu)向量分別是nw和τ,則近壁面單元的表面法向量為+V (puu)=-Vp+pg+at=n.cose.+τsine(8)v·μVa+u)+F,(1)13數學(xué)模中國煤化工其中:p為密度;u為速度;p為壓力;g為重力加數值模擬CNMHG,壓力項離速度;F3為外力;μ為粘性常數。散采用體積力方求解過(guò)程中假定壓力與體標準kε模型的方程如下:積之差的法向梯度為定值。對壓力速度耦合采用第8期謝海燕等:激冷室內合成氣穿越液池過(guò)程流動(dòng)特性與帶水問(wèn)題PSO算法,在 SIMPLE算法的基礎上做了2個(gè)附流動(dòng)時(shí),在不同間隙下沿下降管軸向切面的流動(dòng)狀加修正:臨近修正3和偏斜修正4。態(tài)如圖4所示。由于氣流的帶液量通過(guò)數值模擬的氣流入口和液膜入口均為速度邊界條件,出口方法難以直接測量,用達到穩定流動(dòng)時(shí)的液面高度為壓力邊界條件,下降管與上升管均為固體壁面邊來(lái)近似反應氣流帶液量,從而得岀兩管間隙對氣流界條件1。本文在計算中考慮了重力和液體表面帶液量的影響規律。由圖4可得到兩管間隙對液面張力的影響高度的影響曲線(xiàn),如圖5所示。隨著(zhù)兩管間隙的增2數值模擬結果與分析大,液面高度也隨之增加。因此,氣流的帶液量隨著(zhù)兩管間隙的增加而減2.1計算條件為盡可能提高模擬結果的準確性,按最接近實(shí)際工況的條件建立數值模擬平臺。模擬計算所需條件如表1所示。表1計算參數Tab. 1 The parameters of calculation氣體密度p(kgm3)壓力pPa01325WL=15m/s: vg=3m/s兩管間隙ΔDm液膜厚度8m氣流速度v(ms)液膜流速v/ms)圖4不同兩管間隙下流動(dòng)狀態(tài)0.06~0.180.5-6Fig. 4 The flowing state of different spacing between twe2.2沒(méi)有降膜條件下的氣體穿越液池的流動(dòng)過(guò)程能否成功的模擬出氣體穿越液池的流動(dòng)過(guò)程是問(wèn)題的關(guān)鍵,為著(zhù)重探討這一流動(dòng)過(guò)程,取液膜厚度δ為Omm,即暫不考慮液膜對流動(dòng)特性的影響,氣體以6ms進(jìn)入時(shí),沿下降管軸向切面不同時(shí)刻的流動(dòng)過(guò)程如圖3所示。由模擬結果可見(jiàn),氣體沿0060.090.120.150.18下降管進(jìn)入液池后,在壓力的作用下先將水壓入兩兩管間隙/m管之間的環(huán)隙中,然后氣體繞過(guò)下降管底端進(jìn)入上圖5兩管間隙與液面高度的關(guān)系圖升管與下降管環(huán)隙,向上流動(dòng)。數值模擬結果顯示Fig.5 The relation between space出帶液現象,由于水被帶出,液池液面逐漸下降,of two pipes and fluid level直至液面高度低于下降管的出口位置,達到穩定流2.3.2氣穿越液池的流動(dòng)中氣流速度對流動(dòng)特性動(dòng)時(shí),液面不斷上下波動(dòng)。的影響保持上升管和下降管間隙ΔD為0.12m,液膜以15m/s速度沿下降管內壁流入,不斷增大氣流速度,達到穩定流動(dòng)時(shí),在不同氣流速度下沿下降管軸向切面的流動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。由圖6可得到氣流速度對液面高度的影響曲線(xiàn),如圖7所示。氣流速度t=0.09st=0.255st=0.525st=1.035st=1.425svg=6ms;△D=12c圖3流動(dòng)過(guò)程示意圖Fig 3 The drawing of flowing process2.3不同降膜條件下氣液流動(dòng)的帶水問(wèn)題23.1合成氣穿越液池的流動(dòng)中兩管間隙對流動(dòng)中國煤化工特性的影響CNMHG液膜以15ms沿下降管內壁流入,氣體以3ms圖6不同氣流速度下流動(dòng)狀態(tài)從下降管中間流入,不斷增大兩管間隙,達到穩定Fig. 6 The flowing state of different gas velocity中國電機工程學(xué)報第27卷3結論本文在不同的兩管(上升管和下降管)間隙、氣流速度和液膜流速條件下,利用ⅤOF模型模擬計算了合成氣穿越液池過(guò)程的流動(dòng)特性以及上升管與下降管環(huán)隙內的氣液流動(dòng)的帶水問(wèn)題,得出以下結論:在進(jìn)水流量保持一定的條件下,氣流的帶液氣流速度/(m/s)量隨著(zhù)兩管間隙的增加而減少,隨著(zhù)氣流速度的增圖7氣流速度與液面高度的關(guān)系圖大而增大,并分別獲得了帶液量與兩管間隙、帶液Fig. 7 The relation between gas velocity and fluid level增大,液面高度隨之降低,氣流穿過(guò)液池對液體的量與氣流速度的關(guān)系曲線(xiàn);在兩管間隙和氣流速度攜帶量將增加。數值模擬結果發(fā)現了液面的波動(dòng)定的情況下,液膜流速對氣流的帶液量也存在影性,也就是說(shuō)液面一直處于不穩定狀態(tài)(如圖6、8)響,隨著(zhù)液膜流速的増大帶液量減少后增加液面的選取具有隨機性,因而圖7中的結果呈現離參考文獻散性,這恰恰能反映出實(shí)際情況「]李云,顧兆林,祃霄.利用雙流體模型研究不同煤種對煤氣化激23.3合成氣穿越液池的流動(dòng)中液膜流速對流動(dòng)冷過(guò)程的影響].西安交通大學(xué)學(xué)報,2004,34(8):83-87.特性的影響Li Yun, Gu Zhaolin, Feng Xiao Two-fluid model for quench chamber保持上升管和下降管間隙不變,氣流以3mof coal gasifier[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2004, 34(8)速度沿下降管內壁流入,不斷增大液膜流速,達到[2」吳韜,何元,王輔臣,等. Texaco氣化爐激冷室熱質(zhì)傳遞過(guò)程模穩定流動(dòng)時(shí),在不同液膜流速下沿下降管軸向切面擬[.華東理工大學(xué)學(xué)報,1997,23(1):25-32的流動(dòng)狀態(tài)如圖8所示。由圖8得到液膜流速對液Wu Tao, He Yuan, Wang Fuchen, et al. Simulation on heat and mass面高度的影響曲線(xiàn),如圖9所示。液膜流速增大quench chamber of texaco gasifier[J]. Journal of EastChina University of Science and Technology, 1997, 23(1): 25-32(in液面高度先明顯増加,而后隨著(zhù)液膜流速的繼續增大,液面高度降低。由此可見(jiàn),液膜流速對氣流穿13趙永志,顧兆林,李云,等,水煤漿氣化爐激冷室下降管內流動(dòng)過(guò)液池的帶液量也存在影響,隨著(zhù)液膜流速的增大與傳熱數學(xué)模型.化工學(xué)報,2003,54(1):115-118帶液量減少后增加Zhao Yongzhi, Gu Zhaolin, Li Yun, et al. Numerical simulation oncoal gasifier[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 20034(1):115-118(in Chinese4]步學(xué)朋,彭萬(wàn)旺,徐振剛.煤炭氣化氣流床氣化爐的數學(xué)模擬[J.煤of coal entrainedbed gasifier[J]. Coal Conversion, 2001, 24(4):7-12(in Chinese)Ⅵ=15m/su=20m/s35m/s5]丁振偉,王偉.德士古煤氣化合成氣帶水問(wèn)題的分析與探討.化vg=3ms:△D=12ms圖8不同液膜流速下流動(dòng)狀態(tài)Ding Zhenwei, Wang Wei. Analysentrained in syngas from texaco coal gasifier[J]. Journal of ChemicaFig 8 The flowing state of different liquid velocityFertilizer Industry, 2003, 30(3): 52-54(in Chinese)阿6]王旭賓,德士古煤氣化爐激冷室帶水問(wèn)題的探討J].上?；ang Xubin. Study on problem of entraining water in quenchchamber of texaco coal gasifier[J]. Shanghai Chemical Industr]陳敏,袁竹林,郜時(shí)旺,移動(dòng)床過(guò)濾除塵的直接數值模擬研究及實(shí)驗對比門(mén)1520253035and experimeHtN M.bed dust filter圖9液膜流速與液面高度的關(guān)系圖[JI. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(11): 195-199(in Chinese)Fig.9 The relation between liquid velocity and fluid level8]蔡桂英,袁竹林·用離散顆粒數值模擬對陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾特性的第8期謝海燕等:激冷室內合成氣穿越液池過(guò)程流動(dòng)特性與帶水問(wèn)題41研究,中國電機工程學(xué)報,2003,23(12):203-207[13] Issa R I. Solution of implicitly discretized fluid flow equations byCai Guiying, Yuan Zhulin. A study on the filtration performance ofperator splitting[j]. J.coMPut. Phys., 1986, 62(5):40-6ceramic filter by numerical simulation[J]. Proceedings of the Csee114| Ferzieger J L, Peric M. Computational methods for fluid dynamics2003,23(12):203-207( in Chinese).[M]. Heidelberg: Springer-Verlag, 19969」袁竹林,許世森,顆粒層過(guò)濾除塵和分級過(guò)濾特性的數值模擬及5]韓占忠,王敬,蘭小平, FLUENT:流體工程仿真計算實(shí)例與應實(shí)驗對比門(mén).中國電機工程學(xué)報,2002,22(4):414用[M.北京:北京理工大學(xué)出版社,2004Yuan Zhulin, Xu Shi sen. Simulation research on the moving granular[6]王福軍.計算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應用[M]北京bed dust filter and experimental contrastD. Proceedings of the清華大學(xué)出版社,2004[10郭烈錦.兩相與多相流動(dòng)力學(xué)M]西安:西安交通大學(xué)出版社收稿日期:2006-09-212002作者簡(jiǎn)介:[11 Youngs D L, Morton K W, Baines M J Time-dependent multi-material海燕(1982-—),女,碩士研究生,主要從事氣固兩相流數值模擬flow with large fluidrtion(CI. Numerical Methods for Fluid的研究, haiyan0503@ Tom con。Dynamics. New York: Academic Press, 1982(編輯車(chē)德竟)J. Journal of Computational Physics, 1992, 100(3): 335-354中國煤化工CNMHG