氣化爐內下降管傳熱傳質(zhì)過(guò)程的模擬

第34卷第4期西安交通大學(xué)學(xué)報Vol.34 No42000年4月JOURNAL 0F XI'AN JIAOTONG UNIVERSITYApr. 2000文章編號0253-987X( 2000 )04-0082-04氣化爐內~下降管傳熱傳質(zhì)過(guò)程的模擬，李云，顧兆林，郁永章,馮霄(西安交通大學(xué),710049 ,西安)摘要:建立了氣化爐下降管傳熱傳質(zhì)過(guò)程的數學(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.研究表明渭河化肥廠(chǎng)氣化爐下降管內的氣體溫度可以從1 673 K降低到570 K ,且降低氣化溫度或氣化室的出口流速和增加下降管的長(cháng)度均對激冷室內氣體的降溫有利.關(guān)鍵詞:氣化爐;下降管傳熱傳質(zhì)數學(xué)模擬中圖分類(lèi)號: TK124文獻標識碼 :AHeat and Mass Transfer of Vertical Pipe Coal GasifierLi Yun，Gu Zhaolin，Yu Yongzhang , Feng Xiao( Xi'an Jiaotong University , Xi' an 710049 , China)Abstract: Turbulent flow and heat transfer of the synthetic gas stream flowing downward in aquenched pipe are analyzed numerically. The gas tempertature distributions are obtained for differentinlet velocity , pipe length and gasifying temperature. Numerical results showed that the sy nthetic gastemperature in quenched pipe of a coal gasified in W eihe Fertilizer Plant may be reduced from 1637 Kto 570 K. Numerical results also revealed that the reduction of gasifying temperature and the outlettemperature of the gasifier chamber ,or increase of the quenched pipe length can all profit the gas cool-ing in the quenched pipe. .Keywords: coal gasifier ;vertical pipe ;heat and mass transfer ;inumerical sim ulation .水煤漿加壓氣化技術(shù)因其煤碳轉化率高、氣化在激冷室下降管中氣體的工作過(guò)程建立了數學(xué)模爐結構簡(jiǎn)單及環(huán)境污染小,而在合成氨、甲醇等領(lǐng)域型并通過(guò)數值計算分析了下降管中氣體的工作過(guò)具有廣泛的應用.對于采用激冷流程的氣化爐來(lái)說(shuō)，程.其工作的可靠性和穩定性受到激冷室工作穩定性的嚴重影響因為在激冷室內氣體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程很1下降管工作過(guò)程和數學(xué)模型復雜所以對激冷室內工作過(guò)程的研究,-直受到企業(yè)及研究設計人員的重視.由于實(shí)驗研究相對比較1.1中國煤化工困難所以理論研究顯得非常重要.本文針對陜西渭MYHCNMHG氣化室與激冷室合為一河化肥廠(chǎng)30萬(wàn)t/a合成氨裝置的TEXACO氣化爐體激冷室主要由激冷環(huán)、下降管和上升管等組成收稿日期:1999-05-06.作者簡(jiǎn)介:李云,女,1968年12月生博士生馮霄聯(lián)系人),女化學(xué)工程學(xué)院化工機械與設備系教授施數掘導師.第4期李云籌:氣化爐內下降管傳熱傳質(zhì)過(guò)程的模擬(見(jiàn)圖1 ).其中激冷環(huán)下接下降管下降管下端浸想氣體.入黑水中.激冷水泵從碳黑洗滌塔底部把激冷水送針對合成氣,可列出圓柱坐標系下二維的連續入激冷環(huán)激冷水經(jīng)激冷環(huán)分配室24個(gè)小孔噴射進(jìn)方程、動(dòng)量方程和能量方程，以及水蒸氣擴散方程入激冷環(huán)室迅速吸收合成氣傳給激冷環(huán)的熱量以其坐標系見(jiàn)圖1.保持激冷環(huán)的表面溫度水溫略為上升再由8 mm .連續方程1]寬的環(huán)形槽縫流出沿下降管內表面呈膜狀下流與1 Xpu), Xou)=0(1)高溫、高壓的合成氣并流接觸.工藝氣體在流動(dòng)過(guò)程r Ardx中進(jìn)行傳熱和傳質(zhì).-方面高溫的合成氣通過(guò)輻射式中:p為合成氣的密度;r、x分別為下降管的徑向和對流將熱量傳遞給水膜使水膜內的水部分汽化,和軸向坐標(見(jiàn)圖1 );u、v為軸向和徑向速度.并進(jìn)入合成氣主流,使合成氣的溫度急劇降低并增動(dòng)量方程1]濕另一方面激冷水要保持足夠水量這樣水膜內x(0u2)+ LXrup)= [(μ+)票]+ .雖然不斷有水蒸發(fā)但水膜依然存在,且均勻分布在drax下降管的內壁面,因此水膜的溫度保持不變，可以保,[(μ +μ)1-線(xiàn)+ μx)+王(du護下降管免受高溫熱應力的破壞.同時(shí)為了除去大1.日TPeff部分碳黑和灰渣把合成氣沖入黑水中，以滿(mǎn)足后續r di工段的需要.Xouv)+ 1 (02)=尋((μ+從)鄂]+Jxx高溫氣體1錄(μ+心)號]-au1. ar+o:r drdu、2μeffD澉冷水激冷環(huán)下降管.邊界條件:x =0,u= uimir=1u=uw J(2)式中u μ分別為合成氣動(dòng)力粘性系數及湍流動(dòng)力粘性系數ipa=μ+μ ip為壓力;un為下降管進(jìn)口流速;uw為壁面上激冷水的流速.圖1激冷室結構示意圖能量方程1]1.2數學(xué)模型XpuT)+ 1 pvT)_ 3[(叢+些+在建立數學(xué)模型之前我們對下降管內的實(shí)際日xpr σ'子x情況做^了-定的簡(jiǎn)化，以便于問(wèn)題的解決.1(,[(叢+凹)]+ Sn( 1 )由于下降管的壁面有水膜存在,可認為下降Dr管的壁溫保持不變,即為下降管工作壓力相對應激邊界條件:r = 1 ,T= Twx =0,T= Tin冷水的飽和溫度.(3)(2壁面上有水蒸氣蒸發(fā)并進(jìn)入到主流中速式中:T為合成氣溫度;Tw. Tm分別為合成氣在下度為壁溫下水蒸氣的蒸發(fā)速度溫度為下降管工作降管水膜的壁面溫度及下降管入口溫度ip,為壓力相對應的水蒸氣的飽和溫度.Prandtl數iσ,為Schimdt數;Sp為能量方程的源(3)氣體的入口為均勻流速流動(dòng)處于紊流狀項.中國煤化工態(tài).YHCNMHG射換熱計算中多通量(4)由于合成氣中灰份的體積濃度比較低模型中的雙通量模型,由于氣體的輻射傳熱作用在(0.03% ~ 0.05% )所以?xún)H考慮合成氣的流動(dòng)忽略徑向比軸向大得多,因此可只考慮徑向的雙通量模氣體相中的灰份對合成氣流場(chǎng)流動(dòng)和傳熱的影響.型2]在柱坐標系中( 5 )根搪煢倦爐設計工藝包,合成氣可看作是理SR = 2a( qμ- σT4)(4)34西安交通大學(xué)學(xué)報第34卷1d_r_dqr1.0-rdra+σ。dr)= d(qR-σT4)邊界條件:0.6)w =Ew( 9n-σT*)}了0.2| ●:實(shí)驗rdra+σ。drw(2- εw )8一:計算(5)-0.20.0 02- o.40.6 08 To式中:qp為合成氣輻射換熱量;a、σ、σ。分別為吸收圖2軸向平均速度分布系數、輻射換熱系數和散射系數;e w為壁面發(fā)射率.狀態(tài)方程●:實(shí)驗p=ρRT(6)一;計算g0.0.02|水蒸氣擴散方程3]x pum)+ Xpum)_ 1 ?( oD.rami0.00%.0 0.2二0.4o.0.8 T0.日xJrrJr.Rr=1 ,m;=1 ir= 0 ,m; = m;o圖3紊動(dòng)能分布(7)式中:m;為水蒸氣的質(zhì)量濃度;m;為下降管進(jìn)口圖4~圖6顯示了在已知條件下經(jīng)過(guò)計算后水蒸氣的質(zhì)量濃度;D;為擴散系數.的下降管溫度場(chǎng).結果表明氣體溫度從1 600 K可由于沒(méi)有下降管出口邊界條件的任何信息故以降低到570 K ,且主要溫度降是在下降管的上半假設在出口邊界的擴散系數較小，此處呈強烈單向部完成的.如圖4所示氣體在下降管的0~2 m內,狀態(tài)，可按照局部單向化處理1].溫度從1600K降低到800K溫度差近800K,這1.3 方程求解說(shuō)明氣體在下降管上半部分傳熱非常劇烈.實(shí)際運利用有限差分法對所有微分方程和邊界條件行情況也表明,下 降管的損壞大多發(fā)生在其上半部進(jìn)行離散求解.離散格式為QUICK格式紊流計算分.圖4還對不同氣體的進(jìn)口溫度對降溫過(guò)程的影模型用K-c模型4]壁面處采用壁面函數法,利用響進(jìn)行了比較不同氣體的進(jìn)口溫度說(shuō)明了氣化爐Gauss-Seiudel方法進(jìn)行迭代并使用松弛因子.氣化溫度的變化而氣化溫度往往取決于不同的煤種.液態(tài)排渣氣化爐的操作實(shí)踐表明,為了正常排2計算結果及分析渣灰渣粘度不宜超過(guò)250 Pa s而不同的煤種由于含灰量的比例和成分不同灰溶點(diǎn)和灰渣粘度也不利用本模型對圓管突擴流動(dòng)進(jìn)行了計算,并和同.因此不同煤種的氣化溫度是不同的通?？刂茖?shí)驗數據'5]進(jìn)行了比較.其中,Re=8.4x 104半徑的氣化溫度超過(guò)灰溶點(diǎn)50~ 100 C.從圖4中還可比R2/R為1.9 ,突擴圓管進(jìn)口流速Uo= 27.9以看出,盡管出口溫度從1800K降低到1350K,m/s.圖2和圖3是軸向平均速度Ux和紊動(dòng)能K在軸向長(cháng)度x/突擴臺階高度H( H= R2- R;)=22 00-:T=1 800 K時(shí)圓管徑向截面分布的比較其中圖3的實(shí)驗值是1 600●:T-i 350 K按照K=(+u經(jīng))(2U$S]將實(shí)驗數據處理后得到的紊動(dòng)力能值.可以看出,計算結果和實(shí)驗數據送1 200是比較吻合的.已知氣化爐的主要參數有:氣體進(jìn)口流速為3中國煤化工m/s氣體成分有CO、CO2、H2、H2O等,下降管進(jìn)口YHCNMHG.δ 4.0 5.0溫度為1400 C進(jìn)口密度為9.91 kg/m3激冷水進(jìn)L.UL /m口溫度為250 C ,下降管的半徑R為0.43 m管長(cháng).圖4不同氣化溫度時(shí)下降管截面平均溫度的變化L為4.5 m主要計算結果見(jiàn)圖4~圖7.第4期李云籌:氣化爐內下降管傳熱傳質(zhì)過(guò)程的模擬85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所以到了下降管的出口影響就小多了.0.8~圖5則表明氣體在下降管的降溫與氣體進(jìn)口.流速的關(guān)系很大不同氣體的進(jìn)口流速表明操作工0.6況是氣化爐的部分負荷、額定負荷或超負荷.流速越0.400.0 0.10.20.).4o.s1 600p-:U=3 m/sR/m+:U=2m/s圖7不同位置'下降管水蒸氣的分布1 200-8003結論400.01.0203.0403.0L/m(1)降低氣化溫度有利于激冷室下降管氣體的圖5不同進(jìn)口流速時(shí)下降管截面平均溫度的變化降溫但氣化溫度會(huì )受到煤種性質(zhì)的限制.(2)降低下降管進(jìn)口流速，有利于激冷室內下降低氣體出口溫度也越低.因為一方面進(jìn)口速度高，管氣體的冷卻. 同時(shí),合成氣出口流速的降低,也有說(shuō)明換熱負荷較大;另一方面進(jìn)口速度高使氣體利于合成氣在上升管內進(jìn)行氣固分離,以減少氣體與激冷水的換熱時(shí)間減少，氣體的熱量還沒(méi)有來(lái)得的帶灰帶水.在氣化爐尺寸一定的情況下進(jìn)口流速.及傳給激冷水就已經(jīng)到了出口.的降低,說(shuō)明氣化爐操作負荷的減少。反之,在設計圖6研究了不同下降管的長(cháng)度對合成氣溫度的氣化爐時(shí),可以通過(guò)改變爐內徑向尺寸來(lái)降低流速，影響.下降管的長(cháng)度越長(cháng),合成氣的出口溫度就越以適應較高的操作負荷.低,因為合成氣和激冷水之間傳熱面積的增加使得(3 )增加下降管的長(cháng)度，有利于激冷室內下降管降溫效果會(huì )越好.但是,由于下降管不僅要承受高氣體的降溫.但是,由于下降管是特殊材料制造的,溫、高壓還要耐腐蝕所以常由特殊材料制造材料所以?xún)r(jià)格非常昂貴應綜合權衡.價(jià)格也昂貴，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),以降低產(chǎn)品的最終成本.參考文獻:圖7描述了下降管內的水蒸氣在擴散過(guò)程中，其分壓p;與飽和壓力pw之比在不同位置( x )的變[1]陶文銓. 數值傳熱學(xué)[ M ].西安西安交通大學(xué)出版社,化.計算說(shuō)明水蒸氣的擴散過(guò)程主要是在2 m內的[2]范維澄. 流動(dòng)及燃燒的模型與計算[ M ].安徽:中國科管長(cháng)中完成的.技大學(xué)出版社,1992.1 800p二一最大符長(cháng)Lm=3.8m[3]楊強生.對流傳熱與傳質(zhì)M ]北京高等教育出版社,.-+:最大管長(cháng)Lm=5m19851400-. [4] 陳漢平.計算流體力學(xué)[ M ].北京:冰利電力出版社,1995.1 000[5] Durret R P. Radial and axial turbulent flow measure-60.σ0 02- 0.4 0.6三草。nmetric sudden expansion air0.8 1T.o中國煤化Igieering .1988 ,1 12):Lx' L'YHCNMHG圖6不同長(cháng)度 下降管截面溫度的變化(編輯管詠梅)