氣化爐激冷室工作過(guò)程數學(xué)模擬

第14卷第2期高?；瘜W(xué)工程學(xué)報No.2 Vol142000年4月Jourmal of Chemical Engineering of Chinese UniversitiesApr. 2000文章編號: 1003-9015(2000)02-0134-05氣化爐激冷室工作過(guò)程數學(xué)模擬*李云，顧兆林，郁永章，馮霄(西安交通大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710049)摘要:針對水煤漿 氣化爐激冷室的工作特點(diǎn)建立了激冷室下降管的傳熱傳質(zhì)數學(xué)模型.并進(jìn)行了數值計算.據此分析了下降管內合成氣的溫度分布與進(jìn)口流速等參數的關(guān)系，為進(jìn)一步探討激冷室的工作過(guò)程，改進(jìn)氣化爐激冷室設計提供了- -定的理論依據。關(guān)鍵詞:氣化:下降管: 數學(xué)模擬中圖分類(lèi)號: TK124文獻標識碼: A1前言水煤漿加壓氣化技術(shù)因煤碳轉化率高，氣化爐結構簡(jiǎn)單，環(huán)境污染小而在合成氨、甲醇等領(lǐng)域具有廣泛的應用。對于采用激冷流程的氣化爐來(lái)說(shuō)，工作的可靠性、穩定性受到激冷室工作穩定性的嚴重影響，因為激冷室內進(jìn)行著(zhù)復雜的高溫高壓傳熱和傳質(zhì)過(guò)程。激冷室內工作過(guò)程的研究一直受到企業(yè)及研究設計人員的重視，但是實(shí)驗研究相對比較困難，因此理論研究顯得非常重要。本文針對陜西渭河化肥廠(chǎng)年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨裝置的氣化爐激冷室下降管工作過(guò)程建立了數學(xué)模型，并進(jìn)行了數值計算，分析了下降管內的工作過(guò)程。2下降管工作過(guò)程和數學(xué)模型2.1 工作過(guò)程High temperature gas氣化激冷流程中，氣化室與激冷室合為一體，激冷室主要由激冷環(huán)和下降管等組成，見(jiàn)圖1。其中激冷環(huán)下接下月降管，下降管下端浸入黑水中。激冷水泵從碳黑洗滌塔底部把激冷水送入激冷環(huán)，激冷水經(jīng)激冷環(huán)分配室24個(gè)小孔噴射進(jìn)入激冷環(huán)室，迅速吸收合成氣傳給激冷環(huán)的熱量，QuenchVerticalwaterpip保持激冷環(huán)的表面溫度，水溫略為上升，再由8mm寬的環(huán)ring形槽縫流出，沿下降管內表面呈膜狀下流，與高溫、高壓的合成氣并流接觸。工藝氣體流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)過(guò)程。一方面高溫的合成氣通過(guò)輻射和對流將熱量傳遞給日1 激冷室結構示意圖Fig. 1 The sketch of quench chamber structure水膜，使水膜內的水部分汽化，并進(jìn)入合成氣主流。合成氣的溫度急劇降低并增濕。另一方面激冷水要保持足夠水量，這樣水膜內雖然不斷有水蒸發(fā)，但水膜依然存在且均勻分布在下降管的內壁面，水膜的溫度保持不變，可以保護下降管,避免承受高溫。合成氣沖入黑水中是為了除去大部分碳黑和灰渣以滿(mǎn)足后續工段的需要。收稿日期19905.060 修訂日期199.9.94.94作者簡(jiǎn)介:李云(1968-)女山東文登人，西安交通大學(xué)講師。博士.中國煤化工MHCNMH G.氣化爐激冷室工作過(guò)程數學(xué)模擬1352.2 數學(xué)模型激冷過(guò)程中熱質(zhì)傳遞十分劇烈，建立下降管中工作過(guò)程的數學(xué)模型有助于分析解決其中存在的問(wèn)題。在建立數學(xué)模型之前，我們對下降管內的實(shí)際情況做了-定的簡(jiǎn)化，以便于問(wèn)題的分析。(1)由于下降管的壁面有水膜存在，可認為下降管的壁溫保持不變，即為下降管工作壓力相對應的激冷水的飽和溫度:(2) 壁面上有水蒸氣流入，速度為壁溫下的水蒸氣的蒸發(fā)速度，溫度為下降管工作壓力相對應的水蒸氣的飽和溫度;(3)氣體的入口為均勻流速，流動(dòng)處于紊流狀態(tài);(4)由于合成氣中的灰份濃度很低，故僅考慮合成氣的流動(dòng):忽略灰份對合成氣流場(chǎng)流動(dòng)和傳熱的影響:(5)合成氣可看作是理想氣體。針對合成氣可列出圓柱坐標系下二維的連續方程、動(dòng)量方程和能量方程以及水蒸氣擴散方程。連續方程":12(pu) + 2(p)=0(1))r動(dòng)量方程":a(p2), 1 a(rup)_ d「1du 1du7_ dp. 日du).1d(μ+μ )+=r(μ+μ)Peffr arxLdx」' r dr)x)' r or(2)a(puv)，1 a(rv2p)_. 8 「(μ+μ,+-→r(μ+μ)°)u).1子dr drdx」 r drl'adx)' r dr“f d邊界條件: x=0,u=um;r=1,u=uw (壁面處激泠水流速)，v=v. (壁面上水蒸汽的蒸發(fā)速度);能量方程":a(puT). 1 a(rpvT)_ a[(μμ )ar]1 [(μ_ h )d7+S,(3)2xrdr0x|( Pr Sc Jax| rdr|( Pr Sc ) dr邊界條件: r=1, T=Tn; x=0, T=Tm;其中S,的計算采用多通量模型中的雙通量模型，由于氣體的輻射傳熱作用在徑向比軸向大得多，因此可只考慮徑向的雙通量模型。在柱坐標系中21S, =2o(q, -E)(4)1d_dqrdr|a+σ; d=oq, - E)(5)E。=σT4方程(5)的邊界條件是:1d(. _ _ dq,ε(q, -Ew)r dr( 0+σs dr狀態(tài)方程:將合成氣看作是理想氣體。p= ρRT(6)水蒸汽擴散方程01:a(pum) a(pm)_ 1 8am(7))x5 r orpa邊界條件: r=1， m,=1; r=0， m,=mo2.3方程求解利用有限差分法對所有微分方程和邊界條件進(jìn)行離散求解，紊流計算模型用K-ε模型，壁面處采用壁面函數法。中國煤化工MHCNMH G.136高?；瘜W(xué)工程學(xué)報3計算結果及分析已知設計條件:氣體進(jìn)口流速3m-s',氣體主要成分CO、CO2、 H2、 H20等,下降管進(jìn)口溫度1400C,進(jìn)口密度9.91kg m',激冷水進(jìn)水溫度250~C,降管管徑0.86m,管長(cháng)4.5m。 主要計算結果見(jiàn)圖2~圖9。.2000●x=1.125m●x=2.5m- --T= 1873K1800一T=1673K▲x=3.625m.▼x=4.5m1600●T= 1400K1200g 02806000.0 0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0400010001400Temperature, K圖3不同氣化溫 度時(shí)下降管中心溫度變化圖2 氣化溫度1673K下降管不同截面溫度分布rig.3 Vertical pipe central temperature varying withig.2 Temperature distibution of vertical pipegasifying temperature圖2、3顯示了在設計條件下經(jīng)過(guò)計算的下降管的溫度場(chǎng)。結果表明氣體溫度從1673K可以降低到570K,而且主要的溫度降是在下降管的.上半部分完成的。如圖2所示，氣體在下降管的0~2米內溫度從1673K降低到800K,溫度差近800度。這說(shuō)明氣體在下降管上半部分傳熱非常劇烈，工作條件比較惡劣，實(shí)際運行情況也表明下降管的損壞多在下降管的上半部分。圖3還對不同氣體進(jìn)口溫度對降溫過(guò)程的影響進(jìn)行了比較。不同氣體的進(jìn)口溫度意味著(zhù)氣化爐氣化溫度的變化，而氣化溫度往往取決于煤種。為了正常排渣，灰渣粘度不宜超過(guò)250Pa. s,而不同煤種由于含灰量比例和成分不同，灰熔點(diǎn)和灰渣粘度也不同，因此不同煤種的氣化溫度也會(huì )不同，通?？刂茪饣瘻囟瘸^(guò)灰熔點(diǎn)50C~100C。 從圖3中還可以看出，盡管進(jìn)口溫度從1873K 降低到1400K,但是下降管下端的氣體出口溫度變化并不大。這是由于進(jìn)口溫度的提高，使下降管上半段的氣體溫度與蒸汽溫度相差更大，傳熱更多，到了下降管的出口影響就小多了。U, m.s'XL = 3.8m16001XL = 4.3m- +- XL=5m▲28000.0.20.4 0.0..00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0圖4不同長(cháng)度的下降 管中心溫度變化圖5不同進(jìn)口流速 下降管中心溫度變化Fig.4 Vertical pipe central temperature varyingFig.5 Vertical pipe central temperature varyingwith pipe lengthwith inlet gas velocity圖4顯示了下降管長(cháng)度對合成氣溫度的影響。下降管長(cháng)度越長(cháng)中國煤化工°這是因YHCNMHG.氣化爐激冷室工作過(guò)程數學(xué)模擬137為合成氣和激冷水之間的傳熱面積增加，故降溫效果好。但是由于下降管要承受高溫、高壓還要耐腐蝕，常由特殊材料制造，材料價(jià)格昂貴,因此必須在追求良好降溫效果和材料成本之間尋找到最佳點(diǎn)，使產(chǎn)品的最終成本最低。圖5則表明氣體在下降管的降溫和氣體進(jìn)口流速關(guān)系很大，不同氣體進(jìn)口流速意味著(zhù)操作工況是部分負荷、額定負荷或超負荷。流速越低氣體出口溫度越低。這是因為進(jìn)口速度高意味著(zhù)換熱負荷較大。圖6是選取不同輻射系數時(shí)下降管中心溫度變化。比較吸收系數、壁面發(fā)射率和散射系數對輻射換熱量影響，可以得出影響比較大的是氣體的吸收系數和散射系數。而本文計算的氣體成分主要是水蒸氣、二氧化碳、-氧化碳和氫氣, 它們對輻射能的散射作用并不明顯，可不考慮散射作用。圖7是考慮輻射和不考慮輻射時(shí)下降管截面平均溫度比較。不考慮輻射換熱時(shí)，下降管內溫度僅下降了285°C，和考慮輻射換熱相比，溫度下降很少。這說(shuō)明在氣化爐下降管中輻射換熱所占的比例較大,因此還應對下降管采取某些措施，以防高溫損壞。.1800口x=0.3, ε=0.9! Without radiation16(1600。x=0.5, ε=0.7o a=0.5, ε=0.91400c 1400-x=0.3, ε=0.71200備1001000[5 1000800 t00[With radiation6000.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.04024x, mx,m .圖6不同輻射吸收率和發(fā)射率時(shí) 下降管中心溫度變化圖7下降 管截面平均溫度比較(考慮輻射和不考慮輻射)Fig.6 Vertical pipe central temperature varying withrig.7 Vertical pipe temperature comparisonwith or without radiationabsorptivity and emissivity4結侖本文采用Kε紊流模型對下降管內的氣體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程建立了數學(xué)模型，并利用有限差分法進(jìn)行數值計算，求解了氣體的速度、溫度等參數，通過(guò)計算表明:(1)降低氣化溫度有利于激冷室下降管的降溫過(guò)程。但氣化溫度受到煤種性質(zhì)的限制。(2)降低下降管進(jìn)口流速也有利于激冷室下降管的降溫過(guò)程，同時(shí)合成氣的出口流速也會(huì )降低，這也有利于合成氣在上升管內進(jìn)行氣固分離和減少帶灰帶水。進(jìn)口流速的降低在氣化爐尺寸-定的情況下意味著(zhù)氣化爐操作負荷的減少。反之，在設計氣化爐時(shí)可以通過(guò)改變爐內徑向尺寸來(lái)降低流速,以適應較高的操作負荷。(3) 增加下降管的長(cháng)度有利于激冷室下降管的降溫過(guò)程。但下降管由于是特殊材料制造的，價(jià)格非常昂貴，應綜合權衡。(4)輻射換熱在下降管熱質(zhì)傳遞過(guò)程中很重要，有必要進(jìn)-步研究輻射換熱計算的數學(xué)模型。中國煤化工MHCNMH G.138高?；瘜W(xué)工程學(xué)報符號說(shuō)明:T。.Tim-分別為合成氣在下降管水膜壁面溫度和下降- -水蒸汽濃度. kmolm3管入口溫度，Knn下降管進(jìn)口水蒸汽濃度，kmol-m3一分 別為下降管軸向速度和徑向速度，m-s'1-合成氣壓力Pauin、uw - 下降管合成氣進(jìn)口流速和下降管壁面上激冷-Prandtl 數水的流速，m:s'-合成氣輻射換熱量. JXL-下降管的長(cháng)度，m-氣體常數，kJ(kgK)r+a，σ， 一分別為合成氣吸收系數、斯波茲曼常數、散一分別為 下降管軸向坐標和徑向坐標，mq.ε 6w射系數、輻射發(fā)射率和壁面發(fā)射率一能 量方程的源項μ4一分 別為合成氣動(dòng)力粘性系數、湍流動(dòng)力粘性Schimdt數系數，Pas .一合成氣溫度，KUhr一Hr=4+H-合成氣的密度，kgm3參考文獻:1] 陶文銓.數值傳熱學(xué)[M].安:西安交通大學(xué)出版社, 1988.2] 范維澄.流動(dòng)及燃燒的模型與計算[M]. 北京:中國科技大學(xué)出版社，1992.3] 陳漢平.計算流體力學(xué)[M].北京:水利電力出版社, 1995.[4] PH Perry. Perry化學(xué)工程手冊(上)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1992.5] 楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 1985.6] 楊強生.對流傳熱與傳質(zhì)[M].北京:高等教育出版社, 1985.Heat and Mass Transfer inside a Vertical Pipe of QuenchChamber in Coal GasifierLI Yun， GU Zhao-lin, YU Yong-zhang, FENG Xiao(School of Chemical Engineering, Xi' an Jiaotong University，Xi an 710049, China)Abstract: Based on the flow and heat transfer features of vertical pipe in quench chamber, a mathematicalmodel is proposed according to K -ε model and turbulent flow theory. The partial differential equations arededuced in detail. The synthetic gas heat and mass transfers in vertical pipe of coal gasifier are calculated bynumerical simulation. The temperature variation of synthetic gas is obtained. The influences of coal gasifierworking condition and vertical pipe parameters on the gas cooling process are discussed. It shows that thegas can be cooled from 1673K to 570K. Most of the heat is transferred in the inlet end of pipe within thelength of 0~2m. Therefore, the upper half of vertical pipe can be apt to be damaged. Decreasing coalsgasifying temperature or load, increasing vertical pipe length will benefit synthetic gas cooling. Radiationalso plays an important role in gas cooling because the heat is transferred by radiation mostly.Key words: coal gasifier; vertical pipe; numerical simulation中國煤化工MHCNMH G.