Texaco气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟

第38卷第5期化学工程Vol. 38 No.52010年5月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)May 2010Texaco气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟曹月丛，陈彩霞,高晋生(华东理工大学资源与环境工程学院，上海200237)摘要:在直径为1000 mm,高4000 mm的双通道射流喷嘴的气化炉上,以Texaco气化炉冷模试验为基准对象,将空气经环隙和中心射人气化炉,以氢气为示踪剂，预测环隙和中心射流的混合程度。结合流体质量与动量守恒方程和k-e湍流模型,用SIMPLER算法计算,对气化炉内的冷态流场和湍流混合进行了模拟,模拟了炉内速度分布量纲一浓度分布、混合分数分布和轴向衰减的情况。结果显示:气化炉内浓度分布极不均匀;炉内存在富氧和贫氧区;环院和中心通道射流动最比加大,混合分数沿轴向衰减加快,达到充分混合的时间缩短。模拟结果与冷模试验结果的比较表明计算值与试验值吻合良好。关键词:Texaco;气化炉;数值模拟;冷态流场;湍流中图分类号:TQ 021. I文献标识码:A文章编号: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煤气化是由美国Texaco公司在重油气拟。 上述数值模拟不能很好地模拟气化炉内的湍流化基础_上开发成功的第二代煤气化技术,自1993年混合情况和组分浓度分布,模拟也没有得到有效验在我国实现工业化运行。Texaco气化过程的试验研证,需要开发气流床整体数值模型。究主要集中在冷态过程,有冷态流场的速度分Texaco气流床气化炉内湍流流动与混合过程起布"、浓度分布2]等。近年来,用商业软件如Fluent决定作用。作为开发整体数值模型的第1步,本文对Texaco气化炉的数值模拟引人注目。贺阿特对气化炉内的冷态流动和湍流混合进行了模拟,结等[3]用简化PDF模型对渣油复杂气化过程进行了合流体流动质量与动量方程和k-8湍流模型,计算二维模拟;刘向军等(引人涡量-流函数、k-e模型模出流场速度分布、浓度分布和混合分数的变化,并对拟Texaco气化炉内煤气化过程;吴玉新等(S)用简化揩蚁结果与试验结果PDF模型对Texaco水煤浆气化炉进行三维数值模基本中国煤化工床整体数值模型HHCNMHG基金项目:国家自然科学基金资助项日(20876049)作者简介:曹月丛(1983- -),女硕士研究生,研究方向为煤气化过程的数值模拟;陈彩霞,通讯联系人,电话: (021 )64251092, E-mil:exchen@ ecust. edu. cn。曹月丛等Texaco 气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟●31●方面迈开了坚实的一步。.H,先后加入中心和环隙流体中后试验测定的同一位置处H2质量分数,.和qm.o。分别为喷嘴中心1试验分析通道和环隙通道流体的质量流量。1.1试验装置及试验条件充分混合时的混合分数试验的主要装置为直径1000mm,高4000mm.f. =nmo/(qms.n +9m.on)(5)的有机玻璃模型炉。喷嘴中心通道直径为49.5 mm ,外环直径为112.5 mm。H2为示踪剂,空2数值模拟气为气化介质,测定气化炉内的浓度分布。根据工2.1控制方程业射流速度和环隙中心射流动量比,不同体积流量控制方程包括质量、动量和能最守恒方程,这里的空气分别通过喷嘴的中心和环隙,射人气化炉。为冷态模拟,且是均-气相,所以可以不考虑能量守氢气先通过中心进人气化炉,再通过环隙进入气化恒和颗粒源项。由瞬时方程得出的Favre平均方程炉,保证二次所进的氢气体积流量相等。试验条件如下门:见表1[6] ,qv,;为中心射流体积流量, u;为中心射流连续性方程d(pn) =0.(6)流速,qr,。为环隙射流体积流量,u。为环隙射流流x速。动量方程表1试验条件武(西可)=-哑+(新+到)一点()ax; 'Table 1 Experimental conditions(7)中心射流环隙射流气相组分方程9v;/9v./u。[/动量比(m'.h1) (m.s~')_ (m'.h") (m.s")2(pJ)=-2(puY)(8)1 382.560.030.01.0444湍流动能方程2574.090.0799.030.0 0. 46403765.0120.00.261 1然=点(告路)-,啊-e (9)“.xsxσx，x-4382.5985.037.01.5880湍动能耗散率5574.0985. 00.705 56765.0120. 037.0 0. 397 0王(出de)+(影)画吧+C(周)(10)1.2气化炉内浓度分 布的计算采用与试验一致的定 量方法[6] ,定义了量纲一式中:σk,σ,为交换系数,分别为0.9和1.22;C,Cz为模型常数,分别为1.44和1.92;p为气体密度,浓度η:n:=(y;-y.)/y.(1)kg/m3 ;u为气体速度, m/s;xr,x,xp为三维空间的坐式中:y为炉内任意位置中心流体的摩尔分数,标,m;p为静压,Pa;上标”为动量的变动,“一”为均为以喷嘴中心通道流体为基准计算的充分混合时的值;Y,为不同气体组分的产率;μ为湍流黏度，摩尔分数。.kg/(m.s);k为湍流动能,m2/s2 ;&为湍流动能耗y. =qv,/(qv.s +qr,o) .(2)散率,m-2.s-3 ;p u"u"和p u"Y,为湍流扩散项。y: =C;9v,/(cq9v. +c.9v.)(3)2.2气相湍流模型 .式中:c;和c。分别为H2先后加入中心和环隙流体湍流是通:过速度分量和一些标量的时空波动来后试验测定的同- -位置H,浓度。表征的。在控制方程中,雷诺时均应力和雷诺通量1.3混合分数的计算通过k-8模型计算”]。模型中的参数使用标准混合分数定义为系数。9ni+9m. w9m.s +wo9m.onf=- 9m,wq9m.,.n(4)2.3中国煤化工上HCNMH G系表示"”。微分式中q9m.,为气化炉内某点中心流体的质量流量,9m,o方程被转化为有限差分万程计算,区域网格划分后，为相应点上环隙流体的质量流量,w;和w。分别为用SIMPLER算法进行网格内的迭代计算。●32.化学工程2010年第38卷第5期.3网格划分及模拟条件4.2浓度分布的模拟结果3.1网格划分对试验2和试验6进行模拟,计算出w0;和w。,模拟直径1 000 mm,高4000 mm的气化炉,拱然后转化成c,和c。,利用式(1)-(3),计算出量纲顶为直径1 000 mm的半球体,直段高度3 500 mm，- -浓度n,试验结果参考文献[6]。在气化炉的不出口在直简底部。若以31 x31的网格,计算结果不同轴向高度处,研究了η沿径向的分布。试验2和够精确。所以,网格划分以51 x51 x 130,局部进6的模拟与试验结果的比较见图2和图3。其中,r行网格细化,分别在出口高度0- -20 mm处,轴向为气化炉内离中心轴线的径向距离。序号1- 4对3个网格,在高度3000-4000mm处，轴向29个应的轴向高度分别为离喷嘴距离17. 2,41.1,65.5,网格。105.5 cm。3.2射流条件2.0[ ■试验值模拟值模拟时H2体积流量是中心通道空气体积流量的1%,由表1计算出中心和环隙通道空气的质量+pr n流量和H2的质量分数,列于表2中。模拟条件为-1.06 102030400 10203040 0 102040 0 1020304050r/cm298 K, 100 kPa。迭代次数为3000次。图2试验2的模拟与试验结果比较Fig.2 Contrast of simulation to experimental reult of Tet 2表2射流条件Table 2 Jet conditions.[■试验值1[3[中心射流环隙射流一模拟值9m.s.n/w/10-*min/w./10-*动量比(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试验6的模拟与试验结果比较40.1376. 9710.3542. 6981.588 0Fig.3 Contrast of simulation to experimental result of Test 650.2064.0480. 705560.2750.397 0试验2和6的模拟与试验结果基本吻合,轴向和径向浓度梯度显著,随着轴向距离的增加,混合越充分,当η;>0,为富氧区;当η; <0,为贫氧区。4模拟结果及讨论为便于与试验结果比较,只对试验2和6进行了模4.1流场分布图1所示分别为气化炉内的流线图和速度分布拟。图。从图中可以看出气化炉内的射流区,回流区和4.3混合分数变化的模拟结果管流区。喷嘴附近速度最大,中心轴线附近速度大,对试验3和试验5进行模拟,计算出w;和wo,根据表2,利用式(4) ,计算出混合分数,以便与试验距离喷嘴远的地方,速度渐小。结果[')对比。在气化炉的不同轴向高度处,研究了混合分数f沿径向的分布。试验3和5的模拟结果与试验结果的比较如图4和图5所示。序号1-4209对应的轴向高度分别为离喷嘴17.2,41.1,65. 5,23.316.7 :1.04 ■试验值13.3 昌08一模拟值10.0.66.67图4r廿3.33中国煤化工304001020 30 4050(a)流线(b)速度^fYHCNMHG圈1流线与速度分布田4 试验3的模拟与试验结果比较Fig. 1 Streamline and velocity distributionFig. 4 Contast of simulation to experimental result of Test 3曹月丛等Texaco 气化炉冷态流场和湍流混合的数值模拟●33●1.09●试验值|[3[由图7得出,环隙与中心通道射流动量比加" 0.0.8 --模拟值大,混合分数沿轴向衰减加快,达到充分混合点的距离距喷嘴越近,混合情况就好。所以,适度01020304001020304001020304001020304050增加环隙射流的动量,有利于改善炉内的混合过程。圈5试验5的模拟与试验结果比较Fig.5 Contrast of simulation to experimental result of Test 55结论试验3与试验5的模拟结果基本与试验结果相(1)模拟了Texaco气化炉内的冷态浓度分布和符合,在距离喷嘴65.5 cm附近,即在拱顶以下一定混合情况。结果表明,计算值与试验值吻合较好。距离附近,有回流区,用k-E模型各向同性的假定不证明了本文的模型及计算程序是可靠的。能精确模拟回流区各向异性的湍流结构,致使模拟(2)冷态气化炉内的轴向和径向浓度分布极不结果与试验结果-致性不太好,还有待于进一步的均匀,混合分数的变化也表明,气化炉内混合情况不研究。当f>f.时,为富氧区,f