气化炉激冷室工作过程数学模拟

第14卷第2期高校化学工程学报No.2 Vol142000年4月Jourmal of Chemical Engineering of Chinese UniversitiesApr. 2000文章编号: 1003-9015(2000)02-0134-05气化炉激冷室工作过程数学模拟*李云，顾兆林，郁永章，冯霄(西安交通大学化工学院，陕西西安710049)摘要:针对水煤浆 气化炉激冷室的工作特点建立了激冷室下降管的传热传质数学模型.并进行了数值计算.据此分析了下降管内合成气的温度分布与进口流速等参数的关系，为进一步探讨激冷室的工作过程，改进气化炉激冷室设计提供了- -定的理论依据。关键词:气化:下降管: 数学模拟中图分类号: TK124文献标识码: A1前言水煤浆加压气化技术因煤碳转化率高，气化炉结构简单，环境污染小而在合成氨、甲醇等领域具有广泛的应用。对于采用激冷流程的气化炉来说，工作的可靠性、稳定性受到激冷室工作稳定性的严重影响，因为激冷室内进行着复杂的高温高压传热和传质过程。激冷室内工作过程的研究一直受到企业及研究设计人员的重视，但是实验研究相对比较困难，因此理论研究显得非常重要。本文针对陕西渭河化肥厂年产30万吨合成氨装置的气化炉激冷室下降管工作过程建立了数学模型，并进行了数值计算，分析了下降管内的工作过程。2下降管工作过程和数学模型2.1 工作过程High temperature gas气化激冷流程中，气化室与激冷室合为一体，激冷室主要由激冷环和下降管等组成，见图1。其中激冷环下接下月降管，下降管下端浸入黑水中。激冷水泵从碳黑洗涤塔底部把激冷水送入激冷环，激冷水经激冷环分配室24个小孔喷射进入激冷环室，迅速吸收合成气传给激冷环的热量，QuenchVerticalwaterpip保持激冷环的表面温度，水温略为上升，再由8mm宽的环ring形槽缝流出，沿下降管内表面呈膜状下流，与高温、高压的合成气并流接触。工艺气体流动过程中进行传热、传质过程。一方面高温的合成气通过辐射和对流将热量传递给日1 激冷室结构示意图Fig. 1 The sketch of quench chamber structure水膜，使水膜内的水部分汽化，并进入合成气主流。合成气的温度急剧降低并增湿。另一方面激冷水要保持足够水量，这样水膜内虽然不断有水蒸发，但水膜依然存在且均匀分布在下降管的内壁面，水膜的温度保持不变，可以保护下降管,避免承受高温。合成气冲入黑水中是为了除去大部分碳黑和灰渣以满足后续工段的需要。收稿日期19905.060 修订日期199.9.94.94作者简介:李云(1968-)女山东文登人，西安交通大学讲师。博士.中国煤化工MHCNMH G.气化炉激冷室工作过程数学模拟1352.2 数学模型激冷过程中热质传递十分剧烈，建立下降管中工作过程的数学模型有助于分析解决其中存在的问题。在建立数学模型之前，我们对下降管内的实际情况做了-定的简化，以便于问题的分析。(1)由于下降管的壁面有水膜存在，可认为下降管的壁温保持不变，即为下降管工作压力相对应的激冷水的饱和温度:(2) 壁面上有水蒸气流入，速度为壁温下的水蒸气的蒸发速度，温度为下降管工作压力相对应的水蒸气的饱和温度;(3)气体的入口为均匀流速，流动处于紊流状态;(4)由于合成气中的灰份浓度很低，故仅考虑合成气的流动:忽略灰份对合成气流场流动和传热的影响:(5)合成气可看作是理想气体。针对合成气可列出圆柱坐标系下二维的连续方程、动量方程和能量方程以及水蒸气扩散方程。连续方程":12(pu) + 2(p)=0(1))r动量方程":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边界条件: x=0,u=um;r=1,u=uw (壁面处激泠水流速)，v=v. (壁面上水蒸汽的蒸发速度);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边界条件: r=1, T=Tn; x=0, T=Tm;其中S,的计算采用多通量模型中的双通量模型，由于气体的辐射传热作用在径向比轴向大得多，因此可只考虑径向的双通量模型。在柱坐标系中21S, =2o(q, -E)(4)1d_dqrdr|a+σ; d=oq, - E)(5)E。=σT4方程(5)的边界条件是:1d(. _ _ dq,ε(q, -Ew)r dr( 0+σs dr状态方程:将合成气看作是理想气体。p= ρRT(6)水蒸汽扩散方程01:a(pum) a(pm)_ 1 8am(7))x5 r orpa边界条件: r=1， m,=1; r=0， m,=mo2.3方程求解利用有限差分法对所有微分方程和边界条件进行离散求解，紊流计算模型用K-ε模型，壁面处采用壁面函数法。中国煤化工MHCNMH G.136高校化学工程学报3计算结果及分析已知设计条件:气体进口流速3m-s',气体主要成分CO、CO2、 H2、 H20等,下降管进口温度1400C,进口密度9.91kg m',激冷水进水温度250~C,降管管径0.86m,管长4.5m。 主要计算结果见图2~图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图3不同气化温 度时下降管中心温度变化图2 气化温度1673K下降管不同截面温度分布rig.3 Vertical pipe central temperature varying withig.2 Temperature distibution of vertical pipegasifying temperature图2、3显示了在设计条件下经过计算的下降管的温度场。结果表明气体温度从1673K可以降低到570K,而且主要的温度降是在下降管的.上半部分完成的。如图2所示，气体在下降管的0~2米内温度从1673K降低到800K,温度差近800度。这说明气体在下降管上半部分传热非常剧烈，工作条件比较恶劣，实际运行情况也表明下降管的损坏多在下降管的上半部分。图3还对不同气体进口温度对降温过程的影响进行了比较。不同气体的进口温度意味着气化炉气化温度的变化，而气化温度往往取决于煤种。为了正常排渣，灰渣粘度不宜超过250Pa. s,而不同煤种由于含灰量比例和成分不同，灰熔点和灰渣粘度也不同，因此不同煤种的气化温度也会不同，通常控制气化温度超过灰熔点50C~100C。 从图3中还可以看出，尽管进口温度从1873K 降低到1400K,但是下降管下端的气体出口温度变化并不大。这是由于进口温度的提高，使下降管上半段的气体温度与蒸汽温度相差更大，传热更多，到了下降管的出口影响就小多了。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图4不同长度的下降 管中心温度变化图5不同进口流速 下降管中心温度变化Fig.4 Vertical pipe central temperature varyingFig.5 Vertical pipe central temperature varyingwith pipe lengthwith inlet gas velocity图4显示了下降管长度对合成气温度的影响。下降管长度越长中国煤化工°这是因YHCNMHG.气化炉激冷室工作过程数学模拟137为合成气和激冷水之间的传热面积增加，故降温效果好。但是由于下降管要承受高温、高压还要耐腐蚀，常由特殊材料制造，材料价格昂贵,因此必须在追求良好降温效果和材料成本之间寻找到最佳点，使产品的最终成本最低。图5则表明气体在下降管的降温和气体进口流速关系很大，不同气体进口流速意味着操作工况是部分负荷、额定负荷或超负荷。流速越低气体出口温度越低。这是因为进口速度高意味着换热负荷较大。图6是选取不同辐射系数时下降管中心温度变化。比较吸收系数、壁面发射率和散射系数对辐射换热量影响，可以得出影响比较大的是气体的吸收系数和散射系数。而本文计算的气体成分主要是水蒸气、二氧化碳、-氧化碳和氢气, 它们对辐射能的散射作用并不明显，可不考虑散射作用。图7是考虑辐射和不考虑辐射时下降管截面平均温度比较。不考虑辐射换热时，下降管内温度仅下降了285°C，和考虑辐射换热相比，温度下降很少。这说明在气化炉下降管中辐射换热所占的比例较大,因此还应对下降管采取某些措施，以防高温损坏。.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备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 .图6不同辐射吸收率和发射率时 下降管中心温度变化图7下降 管截面平均温度比较(考虑辐射和不考虑辐射)Fig.6 Vertical pipe central temperature varying withrig.7 Vertical pipe temperature comparisonwith or without radiationabsorptivity and emissivity4结仑本文采用Kε紊流模型对下降管内的气体的传热传质过程建立了数学模型，并利用有限差分法进行数值计算，求解了气体的速度、温度等参数，通过计算表明:(1)降低气化温度有利于激冷室下降管的降温过程。但气化温度受到煤种性质的限制。(2)降低下降管进口流速也有利于激冷室下降管的降温过程，同时合成气的出口流速也会降低，这也有利于合成气在上升管内进行气固分离和减少带灰带水。进口流速的降低在气化炉尺寸-定的情况下意味着气化炉操作负荷的减少。反之，在设计气化炉时可以通过改变炉内径向尺寸来降低流速,以适应较高的操作负荷。(3) 增加下降管的长度有利于激冷室下降管的降温过程。但下降管由于是特殊材料制造的，价格非常昂贵，应综合权衡。(4)辐射换热在下降管热质传递过程中很重要，有必要进-步研究辐射换热计算的数学模型。中国煤化工MHCNMH G.138高校化学工程学报符号说明:T。.Tim-分别为合成气在下降管水膜壁面温度和下降- -水蒸汽浓度. kmolm3管入口温度，Knn下降管进口水蒸汽浓度，kmol-m3一分 别为下降管轴向速度和径向速度，m-s'1-合成气压力Pauin、uw - 下降管合成气进口流速和下降管壁面上激冷-Prandtl 数水的流速，m:s'-合成气辐射换热量. JXL-下降管的长度，m-气体常数，kJ(kgK)r+a，σ， 一分别为合成气吸收系数、斯波兹曼常数、散一分别为 下降管轴向坐标和径向坐标，mq.ε 6w射系数、辐射发射率和壁面发射率一能 量方程的源项μ4一分 别为合成气动力粘性系数、湍流动力粘性Schimdt数系数，Pas .一合成气温度，KUhr一Hr=4+H-合成气的密度，kgm3参考文献:1] 陶文铨.数值传热学[M].安:西安交通大学出版社, 1988.2] 范维澄.流动及燃烧的模型与计算[M]. 北京:中国科技大学出版社，1992.3] 陈汉平.计算流体力学[M].北京:水利电力出版社, 1995.[4] PH Perry. Perry化学工程手册(上)[M].北京:化学工业出版社, 1992.5] 杨世铭.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1985.6] 杨强生.对流传热与传质[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中国煤化工MHCNMH G.