激冷室内合成气穿越液池过程流动特性与带水问题

第27卷第8期中国电机工程学报VoL, 27 No 8 Mar 20072007年3月Proceedings of the cseeC2007 Chin. Soc. for Elec Eng文章编号:02588013(2007)08-0037-05中图分类号:TK284文献标识码:A学科分类号:47010激冷室内合成气穿越液池过程流动特性与带水问题谢海燕,袁竹林东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏省南京市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气化炉中,高温合成气经过激冷环-dimensional numerical simulation Theeffects of the space between the ascending and descending进入激冷室,在激冷室内进行冷却及除渣。激冷室pipes, gas velocity and liquid film velocity on the entrainil主要由激冷环、下降管、上升管和液池组成图1)water flux were discussed№ umerical results indicate that th激冷环位于下降管上方,下降管下端浸入液池中training water flux decreases with the increase of the space激冷水从激冷环内流出,沿下降管内壁流入液池between two pipes, and increases with the increase of gas高温合成气与下降管内壁水膜直接接触发生强烈velocity when the water inlet flux keeps constant. The relation的热质交换,合成气中熔融态灰渣发生聚并与凝between the level height and parameters are also obtained. The结。合成气沿着下降管进入液池后,从下降管与上iquid film velocity has obvious effect on the entraining water升管的环隙流出,在合成气穿越液池过程中,大部Ix asremains constant. It is found that the entraining water flux分凝渣与气体发生分离而留在液池中,合成气得到decreases at first. reaches a minimum. and then increases with初步净化。由于存在密度差,在激冷室床层和下the increase of the liquid film velocity降管与上升管的环隙间形成了一个黑水的整体、脉KEY WORDS: Texaco gasifier; quench chamber;εsqud冲式的循环流动,水的流动方向与气体流向相同,two-phase flow; entraining water; numerical simulation因此激冷室内液相的黑水极易被合成气大量夹带至后续的洗涤塔,从而影响装置正常运行。气化炉摘要:采用三维数值模拟方法对德士古气化炉激冷室内合成合成气带水的问题对气化系统稳定运行的危害很气穿越液池过程的流动特性以及合成气带水等关键问题进行了研究,探讨了两管(上升管和下降管)间隙、气流速度以大,而在气化炉下部激冷室内都不同程度地出现及液膜流速对带液量的影响。模拟结果表明:在进水流量保持一定的条件下,气流的带液量随着两管间隙的增加而减激冷环少,随着气流速度的增大而增大,并分别获得了带液量与两管间隙、带液量与气流速度的关系曲线;在两管间隙和气流下降管速度一定的条件下,液膜流速对气流的带液量也存在影响,随着液膜流速的增大带液量先减少后增加。上升管关键词: Texaco气化炉;激冷室:气液两相流动;带液数值模拟中国煤化工基金项目:国家重点基础研究发展规划基金项目(2004CB21CNMHGProject Subsidized by the Special Funds for Major State Basic图1激冷室Research Projects of China(2004CB217707)Fig 1 Quench chamber38中国电机工程学报第27卷“带水”问题,严重影响着装置的稳定运行。关于 Texaco气化炉内合成气带水实验,由于测试方法上有困难,目前很多文献上56仅仅分析了合成气带+G-p8水问题的影响因素,而数值模拟往往能有效地发挥出探讨其内在机理的作用9,本文采用VOFda+[(μ( volume of fluid模型对气化炉激冷室内合成气穿越液池的流动特性进行了数值模拟,并定性分析了两出)]+CG-C2p管(上升管和下降管)间隙、气流速度以及液膜流速对带液量的影响,在此基础上获得了相应的研究结果。1.2.2界面捕捉方法1数值模拟平台的建立VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积份额来模拟2种不能混合1.1物理模型的流体。它是基于时间和空间平均方程及耦合两相为着重探讨激冷室内合成气穿越液池的流动流体模型,采用界面跟踪算法来对两相流进行模过程,根据本文的工程背景,简化得到了以下的物拟,可用于模拟流体中大泡的运动和气液界面的稳理模型:液膜沿着下降管内壁流入液池,气流与液态和瞬态处理。针对气体与液体互不融和的特点,膜同向流动,穿越液池后从下降管与上升管间环隙即不考虑传质问题,本文中数学模型采用ⅤOF方向上流出,并携带一定的水量,如图2所示。在数法捕捉气液两相的界面。值计算中,不考虑气液两相间的传热问题和气流中连续性方程为凝渣的分离,在冷态条件下对相关流动问题进行研究。分析可知,若带水量与进入液池的水量相同+l2V,=0则液池高度基本保持不变。两相体积比满足归一化条件:气流入口C1+Cx,=1↓1气流出为了很好的求解VOF方程(3),本文采用DLYoungs提出的的单个网格内的斜直线近似,在单个网格上构造有斜率的直线逼近界面。1.23表面张力与壁面黏附液池高度本文采用连续表面张力模型模拟相界面上的表面张力其中,n为表面法向量。曲率k可从垂直于界面的图2计算示意图表面的局部梯度计算得出:Fig. 2 The drawing of calculation1.2数学模型其中:n°为单位法向量,n°=H。使用散度原理1.2.1动量方程与输运方程根据上述物理模型可见,合成气穿越液池的流可以将表面张力表示为体积力,即动过程为气液所构成的较为复杂的两相流动,考虑F到气体与液体的连续性,数学模型采用欧拉方法,另外,设流体与壁面的接触角,即壁面处界面的切建立连续介质流动控制方程。动量方程为线和界面的夹角为θ,壁面的单位法向量和单位切d(pu)向量分别是nw和τ,则近壁面单元的表面法向量为+V (puu)=-Vp+pg+at=n.cose.+τsine(8)v·μVa+u)+F,(1)13数学模中国煤化工其中:p为密度;u为速度;p为压力;g为重力加数值模拟CNMHG,压力项离速度;F3为外力;μ为粘性常数。散采用体积力方求解过程中假定压力与体标准kε模型的方程如下:积之差的法向梯度为定值。对压力速度耦合采用第8期谢海燕等:激冷室内合成气穿越液池过程流动特性与带水问题PSO算法,在 SIMPLE算法的基础上做了2个附流动时,在不同间隙下沿下降管轴向切面的流动状加修正:临近修正3和偏斜修正4。态如图4所示。由于气流的带液量通过数值模拟的气流入口和液膜入口均为速度边界条件,出口方法难以直接测量,用达到稳定流动时的液面高度为压力边界条件,下降管与上升管均为固体壁面边来近似反应气流带液量,从而得岀两管间隙对气流界条件1。本文在计算中考虑了重力和液体表面带液量的影响规律。由图4可得到两管间隙对液面张力的影响高度的影响曲线,如图5所示。随着两管间隙的增2数值模拟结果与分析大,液面高度也随之增加。因此,气流的带液量随着两管间隙的增加而减2.1计算条件为尽可能提高模拟结果的准确性,按最接近实际工况的条件建立数值模拟平台。模拟计算所需条件如表1所示。表1计算参数Tab. 1 The parameters of calculation气体密度p(kgm3)压力pPa01325WL=15m/s: vg=3m/s两管间隙ΔDm液膜厚度8m气流速度v(ms)液膜流速v/ms)图4不同两管间隙下流动状态0.06~0.180.5-6Fig. 4 The flowing state of different spacing between twe2.2没有降膜条件下的气体穿越液池的流动过程能否成功的模拟出气体穿越液池的流动过程是问题的关键,为着重探讨这一流动过程,取液膜厚度δ为Omm,即暂不考虑液膜对流动特性的影响,气体以6ms进入时,沿下降管轴向切面不同时刻的流动过程如图3所示。由模拟结果可见,气体沿0060.090.120.150.18下降管进入液池后,在压力的作用下先将水压入两两管间隙/m管之间的环隙中,然后气体绕过下降管底端进入上图5两管间隙与液面高度的关系图升管与下降管环隙,向上流动。数值模拟结果显示Fig.5 The relation between space出带液现象,由于水被带出,液池液面逐渐下降,of two pipes and fluid level直至液面高度低于下降管的出口位置,达到稳定流2.3.2气穿越液池的流动中气流速度对流动特性动时,液面不断上下波动。的影响保持上升管和下降管间隙ΔD为0.12m,液膜以15m/s速度沿下降管内壁流入,不断增大气流速度,达到稳定流动时,在不同气流速度下沿下降管轴向切面的流动状态如图6所示。由图6可得到气流速度对液面高度的影响曲线,如图7所示。气流速度t=0.09st=0.255st=0.525st=1.035st=1.425svg=6ms;△D=12c图3流动过程示意图Fig 3 The drawing of flowing process2.3不同降膜条件下气液流动的带水问题23.1合成气穿越液池的流动中两管间隙对流动中国煤化工特性的影响CNMHG液膜以15ms沿下降管内壁流入,气体以3ms图6不同气流速度下流动状态从下降管中间流入,不断增大两管间隙,达到稳定Fig. 6 The flowing state of different gas velocity中国电机工程学报第27卷3结论本文在不同的两管(上升管和下降管)间隙、气流速度和液膜流速条件下,利用ⅤOF模型模拟计算了合成气穿越液池过程的流动特性以及上升管与下降管环隙内的气液流动的带水问题,得出以下结论:在进水流量保持一定的条件下,气流的带液气流速度/(m/s)量随着两管间隙的增加而减少,随着气流速度的增图7气流速度与液面高度的关系图大而增大,并分别获得了带液量与两管间隙、带液Fig. 7 The relation between gas velocity and fluid level增大,液面高度随之降低,气流穿过液池对液体的量与气流速度的关系曲线;在两管间隙和气流速度携带量将增加。数值模拟结果发现了液面的波动定的情况下,液膜流速对气流的带液量也存在影性,也就是说液面一直处于不稳定状态(如图6、8)响,随着液膜流速的増大带液量减少后增加液面的选取具有随机性,因而图7中的结果呈现离参考文献散性,这恰恰能反映出实际情况「]李云,顾兆林,祃霄.利用双流体模型研究不同煤种对煤气化激23.3合成气穿越液池的流动中液膜流速对流动冷过程的影响].西安交通大学学报,2004,34(8):83-87.特性的影响Li Yun, Gu Zhaolin, Feng Xiao Two-fluid model for quench chamber保持上升管和下降管间隙不变,气流以3mof coal gasifier[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2004, 34(8)速度沿下降管内壁流入,不断增大液膜流速,达到[2」吴韬,何元,王辅臣,等. Texaco气化炉激冷室热质传递过程模稳定流动时,在不同液膜流速下沿下降管轴向切面拟[.华东理工大学学报,1997,23(1):25-32的流动状态如图8所示。由图8得到液膜流速对液Wu Tao, He Yuan, Wang Fuchen, et al. Simulation on heat and mass面高度的影响曲线,如图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液面高度先明显増加,而后随着液膜流速的继续增大,液面高度降低。由此可见,液膜流速对气流穿13赵永志,顾兆林,李云,等,水煤浆气化炉激冷室下降管内流动过液池的带液量也存在影响,随着液膜流速的增大与传热数学模型.化工学报,2003,54(1):115-118带液量减少后增加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]步学朋,彭万旺,徐振刚.煤炭气化气流床气化炉的数学模拟[J.煤of coal entrainedbed gasifier[J]. Coal Conversion, 2001, 24(4):7-12(in Chinese)Ⅵ=15m/su=20m/s35m/s5]丁振伟,王伟.德士古煤气化合成气带水问题的分析与探讨.化vg=3ms:△D=12ms图8不同液膜流速下流动状态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]王旭宾,德士古煤气化炉激冷室带水问题的探讨J].上海化工Wang Xubin. Study on problem of entraining water in quenchchamber of texaco coal gasifier[J]. Shanghai Chemical Industr]陈敏,袁竹林,郜时旺,移动床过滤除尘的直接数值模拟研究及实验对比门1520253035and experimeHtN M.bed dust filter图9液膜流速与液面高度的关系图[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·用离散颗粒数值模拟对陶瓷过滤器过滤特性的第8期谢海燕等:激冷室内合成气穿越液池过程流动特性与带水问题41研究,中国电机工程学报,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,许世森,颗粒层过滤除尘和分级过滤特性的数值模拟及5]韩占忠,王敬,兰小平, FLUENT:流体工程仿真计算实例与应实验对比门.中国电机工程学报,2002,22(4):414用[M.北京:北京理工大学出版社,2004Yuan Zhulin, Xu Shi sen. Simulation research on the moving granular[6]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M]北京bed dust filter and experimental contrastD. Proceedings of the清华大学出版社,2004[10郭烈锦.两相与多相流动力学M]西安:西安交通大学出版社收稿日期:2006-09-212002作者简介:[11 Youngs D L, Morton K W, Baines M J Time-dependent multi-material海燕(1982-—),女,硕士研究生,主要从事气固两相流数值模拟flow with large fluidrtion(CI. Numerical Methods for Fluid的研究, haiyan0503@ Tom con。Dynamics. New York: Academic Press, 1982(编辑车德竟)J. Journal of Computational Physics, 1992, 100(3): 335-354中国煤化工CNMHG