Texaco氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)和湍流混合的數值模擬

第38卷第5期化學(xué)工程Vol. 38 No.52010年5月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)May 2010Texaco氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)和湍流混合的數值模擬曹月叢，陳彩霞,高晉生(華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200237)摘要:在直徑為1000 mm,高4000 mm的雙通道射流噴嘴的氣化爐上,以Texaco氣化爐冷模試驗為基準對象,將空氣經(jīng)環(huán)隙和中心射人氣化爐,以氫氣為示蹤劑，預測環(huán)隙和中心射流的混合程度。結合流體質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程和k-e湍流模型,用SIMPLER算法計算,對氣化爐內的冷態(tài)流場(chǎng)和湍流混合進(jìn)行了模擬,模擬了爐內速度分布量綱一濃度分布、混合分數分布和軸向衰減的情況。結果顯示:氣化爐內濃度分布極不均勻;爐內存在富氧和貧氧區;環(huán)院和中心通道射流動(dòng)最比加大,混合分數沿軸向衰減加快,達到充分混合的時(shí)間縮短。模擬結果與冷模試驗結果的比較表明計算值與試驗值吻合良好。關(guān)鍵詞:Texaco;氣化爐;數值模擬;冷態(tài)流場(chǎng);湍流中圖分類(lèi)號:TQ 021. I文獻標識碼:A文章編號:1005-9954(2010)05 0030.04Numerical simulation of cold-flow and turbulent mixing in Texaco gasifierCAO Yue-cong, CHEN Cai-xia, GAO Jin-sheng(School of Resource & Environmental Engineering, East China University ofScience and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract:A dual-channel jet nozle cold model for Texaco gasifier with diameter of 1 000 mm and height of4 000 mm was used as the benchmark. The air was injected into the gasifier through the annular and concentricchannel of the nozzle ，and the hydrogen was injected as a tracer for tracking the extent of mixing. The SIMPLERalgorithm was used to solve the fluid mass and momentum conservation equations which were coupled with theturbulent model. The cold-low field and turbulent mixing in the gasifier were simulated. The simulation calculatedthe distributions of gas velocity, dimension one concentration and mixture fraction, and the decay along the axialdirection. The results show that the distribution of gas concentration is non-uniform, and a rich and a poor oxygenregion exist in the gasifier. The mixture fraction decreases quickly along the axial direction, and the time requiredfor perfeet mixing shortens with increasing jet momentum ratio of annular to concentric jet. The simulation resulsagree with the experiment of cold flow.Key words :Texaco; gasifier; numerical simulation; cold-flow; turbulent flowTexaco煤氣化是由美國Texaco公司在重油氣擬。 上述數值模擬不能很好地模擬氣化爐內的湍流化基礎_上開(kāi)發(fā)成功的第二代煤氣化技術(shù),自1993年混合情況和組分濃度分布,模擬也沒(méi)有得到有效驗在我國實(shí)現工業(yè)化運行。Texaco氣化過(guò)程的試驗研證,需要開(kāi)發(fā)氣流床整體數值模型。究主要集中在冷態(tài)過(guò)程,有冷態(tài)流場(chǎng)的速度分Texaco氣流床氣化爐內湍流流動(dòng)與混合過(guò)程起布"、濃度分布2]等。近年來(lái),用商業(yè)軟件如Fluent決定作用。作為開(kāi)發(fā)整體數值模型的第1步,本文對Texaco氣化爐的數值模擬引人注目。賀阿特對氣化爐內的冷態(tài)流動(dòng)和湍流混合進(jìn)行了模擬,結等[3]用簡(jiǎn)化PDF模型對渣油復雜氣化過(guò)程進(jìn)行了合流體流動(dòng)質(zhì)量與動(dòng)量方程和k-8湍流模型,計算二維模擬;劉向軍等(引人渦量-流函數、k-e模型模出流場(chǎng)速度分布、濃度分布和混合分數的變化,并對擬Texaco氣化爐內煤氣化過(guò)程;吳玉新等(S)用簡(jiǎn)化揩蟻結果與試驗結果PDF模型對Texaco水煤漿氣化爐進(jìn)行三維數值?；局袊夯ご舱w數值模型HHCNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項日(20876049)作者簡(jiǎn)介:曹月叢(1983- -),女碩士研究生,研究方向為煤氣化過(guò)程的數值模擬;陳彩霞,通訊聯(lián)系人,電話(huà): (021 )64251092, E-mil:exchen@ ecust. edu. cn。曹月叢等Texaco 氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)和湍流混合的數值模擬●31●方面邁開(kāi)了堅實(shí)的一步。.H,先后加入中心和環(huán)隙流體中后試驗測定的同一位置處H2質(zhì)量分數,.和qm.o。分別為噴嘴中心1試驗分析通道和環(huán)隙通道流體的質(zhì)量流量。1.1試驗裝置及試驗條件充分混合時(shí)的混合分數試驗的主要裝置為直徑1000mm,高4000mm.f. =nmo/(qms.n +9m.on)(5)的有機玻璃模型爐。噴嘴中心通道直徑為49.5 mm ,外環(huán)直徑為112.5 mm。H2為示蹤劑,空2數值模擬氣為氣化介質(zhì),測定氣化爐內的濃度分布。根據工2.1控制方程業(yè)射流速度和環(huán)隙中心射流動(dòng)量比,不同體積流量控制方程包括質(zhì)量、動(dòng)量和能最守恒方程,這里的空氣分別通過(guò)噴嘴的中心和環(huán)隙,射人氣化爐。為冷態(tài)模擬,且是均-氣相,所以可以不考慮能量守氫氣先通過(guò)中心進(jìn)人氣化爐,再通過(guò)環(huán)隙進(jìn)入氣化恒和顆粒源項。由瞬時(shí)方程得出的Favre平均方程爐,保證二次所進(jìn)的氫氣體積流量相等。試驗條件如下門(mén):見(jiàn)表1[6] ,qv,;為中心射流體積流量, u;為中心射流連續性方程d(pn) =0.(6)流速,qr,。為環(huán)隙射流體積流量,u。為環(huán)隙射流流x速。動(dòng)量方程表1試驗條件武(西可)=-啞+(新+到)一點(diǎn)()ax; 'Table 1 Experimental conditions(7)中心射流環(huán)隙射流氣相組分方程9v;/9v./u。[/動(dòng)量比(m'.h1) (m.s~')_ (m'.h") (m.s")2(pJ)=-2(puY)(8)1 382.560.030.01.0444湍流動(dòng)能方程2574.090.0799.030.0 0. 46403765.0120.00.261 1然=點(diǎn)(告路)-,啊-e (9)“.xsxσx，x-4382.5985.037.01.5880湍動(dòng)能耗散率5574.0985. 00.705 56765.0120. 037.0 0. 397 0王(出de)+(影)畫(huà)吧+C(周)(10)1.2氣化爐內濃度分 布的計算采用與試驗一致的定 量方法[6] ,定義了量綱一式中:σk,σ,為交換系數,分別為0.9和1.22;C,Cz為模型常數,分別為1.44和1.92;p為氣體密度,濃度η:n:=(y;-y.)/y.(1)kg/m3 ;u為氣體速度, m/s;xr,x,xp為三維空間的坐式中:y為爐內任意位置中心流體的摩爾分數,標,m;p為靜壓,Pa;上標”為動(dòng)量的變動(dòng),“一”為均為以噴嘴中心通道流體為基準計算的充分混合時(shí)的值;Y,為不同氣體組分的產(chǎn)率;μ為湍流黏度，摩爾分數。.kg/(m.s);k為湍流動(dòng)能,m2/s2 ;&為湍流動(dòng)能耗y. =qv,/(qv.s +qr,o) .(2)散率,m-2.s-3 ;p u"u"和p u"Y,為湍流擴散項。y: =C;9v,/(cq9v. +c.9v.)(3)2.2氣相湍流模型 .式中:c;和c。分別為H2先后加入中心和環(huán)隙流體湍流是通:過(guò)速度分量和一些標量的時(shí)空波動(dòng)來(lái)后試驗測定的同- -位置H,濃度。表征的。在控制方程中,雷諾時(shí)均應力和雷諾通量1.3混合分數的計算通過(guò)k-8模型計算”]。模型中的參數使用標準混合分數定義為系數。9ni+9m. w9m.s +wo9m.onf=- 9m,wq9m.,.n(4)2.3中國煤化工上HCNMH G系表示"”。微分式中q9m.,為氣化爐內某點(diǎn)中心流體的質(zhì)量流量,9m,o方程被轉化為有限差分萬(wàn)程計算,區域網(wǎng)格劃分后，為相應點(diǎn)上環(huán)隙流體的質(zhì)量流量,w;和w。分別為用SIMPLER算法進(jìn)行網(wǎng)格內的迭代計算?！?2.化學(xué)工程2010年第38卷第5期.3網(wǎng)格劃分及模擬條件4.2濃度分布的模擬結果3.1網(wǎng)格劃分對試驗2和試驗6進(jìn)行模擬,計算出w0;和w。,模擬直徑1 000 mm,高4000 mm的氣化爐,拱然后轉化成c,和c。,利用式(1)-(3),計算出量綱頂為直徑1 000 mm的半球體,直段高度3 500 mm，- -濃度n,試驗結果參考文獻[6]。在氣化爐的不出口在直簡(jiǎn)底部。若以31 x31的網(wǎng)格,計算結果不同軸向高度處,研究了η沿徑向的分布。試驗2和夠精確。所以,網(wǎng)格劃分以51 x51 x 130,局部進(jìn)6的模擬與試驗結果的比較見(jiàn)圖2和圖3。其中,r行網(wǎng)格細化,分別在出口高度0- -20 mm處,軸向為氣化爐內離中心軸線(xiàn)的徑向距離。序號1- 4對3個(gè)網(wǎng)格,在高度3000-4000mm處，軸向29個(gè)應的軸向高度分別為離噴嘴距離17. 2,41.1,65.5,網(wǎng)格。105.5 cm。3.2射流條件2.0[ ■試驗值模擬值模擬時(shí)H2體積流量是中心通道空氣體積流量的1%,由表1計算出中心和環(huán)隙通道空氣的質(zhì)量+pr n流量和H2的質(zhì)量分數,列于表2中。模擬條件為-1.06 102030400 10203040 0 102040 0 1020304050r/cm298 K, 100 kPa。迭代次數為3000次。圖2試驗2的模擬與試驗結果比較Fig.2 Contrast of simulation to experimental reult of Tet 2表2射流條件Table 2 Jet conditions.[■試驗值1[3[中心射流環(huán)隙射流一模擬值9m.s.n/w/10-*min/w./10-*動(dòng)量比(kg.s")(kg.s)-0.1 0.1376.9710. 2873.3281.044-0 102030400 102030400 10203040 0 102030405020. 2066. 9560.2874. 9930. 464030. 2756. 9456. 6550.261 1圈3試驗6的模擬與試驗結果比較40.1376. 9710.3542. 6981.588 0Fig.3 Contrast of simulation to experimental result of Test 650.2064.0480. 705560.2750.397 0試驗2和6的模擬與試驗結果基本吻合,軸向和徑向濃度梯度顯著(zhù),隨著(zhù)軸向距離的增加,混合越充分,當η;>0,為富氧區;當η; <0,為貧氧區。4模擬結果及討論為便于與試驗結果比較,只對試驗2和6進(jìn)行了模4.1流場(chǎng)分布圖1所示分別為氣化爐內的流線(xiàn)圖和速度分布擬。圖。從圖中可以看出氣化爐內的射流區,回流區和4.3混合分數變化的模擬結果管流區。噴嘴附近速度最大,中心軸線(xiàn)附近速度大,對試驗3和試驗5進(jìn)行模擬,計算出w;和wo,根據表2,利用式(4) ,計算出混合分數,以便與試驗距離噴嘴遠的地方,速度漸小。結果[')對比。在氣化爐的不同軸向高度處,研究了混合分數f沿徑向的分布。試驗3和5的模擬結果與試驗結果的比較如圖4和圖5所示。序號1-4209對應的軸向高度分別為離噴嘴17.2,41.1,65. 5,23.316.7 :1.04 ■試驗值13.3 昌08一模擬值10.0.66.67圖4r廿3.33中國煤化工304001020 30 4050(a)流線(xiàn)(b)速度^fYHCNMHG圈1流線(xiàn)與速度分布田4 試驗3的模擬與試驗結果比較Fig. 1 Streamline and velocity distributionFig. 4 Contast of simulation to experimental result of Test 3曹月叢等Texaco 氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)和湍流混合的數值模擬●33●1.09●試驗值|[3[由圖7得出,環(huán)隙與中心通道射流動(dòng)量比加" 0.0.8 --模擬值大,混合分數沿軸向衰減加快,達到充分混合點(diǎn)的距離距噴嘴越近,混合情況就好。所以,適度01020304001020304001020304001020304050增加環(huán)隙射流的動(dòng)量,有利于改善爐內的混合過(guò)程。圈5試驗5的模擬與試驗結果比較Fig.5 Contrast of simulation to experimental result of Test 55結論試驗3與試驗5的模擬結果基本與試驗結果相(1)模擬了Texaco氣化爐內的冷態(tài)濃度分布和符合,在距離噴嘴65.5 cm附近,即在拱頂以下一定混合情況。結果表明,計算值與試驗值吻合較好。距離附近,有回流區,用k-E模型各向同性的假定不證明了本文的模型及計算程序是可靠的。能精確模擬回流區各向異性的湍流結構,致使模擬(2)冷態(tài)氣化爐內的軸向和徑向濃度分布極不結果與試驗結果-致性不太好,還有待于進(jìn)一步的均勻,混合分數的變化也表明,氣化爐內混合情況不研究。當f>f.時(shí),為富氧區,f