德士古气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究 德士古气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究

德士古气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究

  • 期刊名字:东北电力大学学报
  • 文件大小:889kb
  • 论文作者:李铁,袁竹林
  • 作者单位:东北电力大学能源与动力工程学院,东南大学能源与环境学院
  • 更新时间:2020-07-13
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论文简介

第33卷第3期东北电力大学学报Vol. 33 ,No.32013年6月Journal of Northeast Dianli UniversityJun. ,2013 .文章编号:1005 -2992(2013)03 -0047 -05德士古气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究李铁',袁竹林2(1.东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012 ;2.东南大学能源与环境学院,江苏南京210096)要:采用VOF多相流模型建立德士古气化炉激冷室下降管内气液两相直接接触热质传递的二维数学模型。模型考虑了合成气内部组分扩散,表面张力作用和辐射热传递。同时进行了实验研究以验证模拟结果,数值预测的温度分布与实验吻合良好。采用所建立的模型预测了水蒸气浓度分布和有无相变时降膜流动流型。关键词:德士古气化炉;降膜;VOF模型;数值模拟中图分类号: TQ 546.5文献标识码: A德士古水煤浆气化炉激冷室采用下降管降膜冷却。由气化炉流出的合成气携熔融态灰渣与下降管内壁激冷水降膜直接接触传热,合成气被迅速冷却并增湿,熔融态灰渣骤冷凝固。这种冷却技术既高效又简单(3]。降膜动力学与热力学理论是衡量冷却与增湿效率的基础,尤其对了解下降管运行环境,防止降膜断裂具有重要作用。由于下降管内多相传热传质过程的复杂性,使得试验和管内动力学与热力学参数测量十分困难。采用数值模拟方法,能够在高温同时不破坏流场的条件下获得管内流场、温度场分布规律以及降膜流动特性等。赵永志[4采用焓分析方法对下降管内传热传质过程进行了数值模拟。李云[56] 对管内气相流场进行了数值模拟,模型将降膜蒸发产生的水蒸气处理为壁面边界条件,忽略降膜和熔渣流动传热影响,模拟获得了下降管内温度分布规律,研究证明管内的辐射传热是主要的传热方式。以上研究从不同角度描述了下降管内流动和传热传质过程,但没有对降膜流型、合成气增湿等降膜流动细节给出定性和定量描述。本文基于德士古结构的实验室规模水煤浆气化炉激冷室的运行数据建立数学模型。不考虑熔融态灰渣对流场的影响,采用Hirt'"]界面追踪技术的VOF方法描述下降管内的气液界面波动。由于问题涉及的传热传质过程不仅存在于气液两相间,也发生于水蒸气和合成气组分之间,因此能量方程、体积变化和组分传递方程都考虑了蒸发过程的影响,通过修改控制方程源项形式处理该过程。数值计算获得的管内轴向温度分布与实验研究吻合良好,进而预测了降膜流型和整个管内的水蒸气浓度分布规律。1数学模型1.1 自由界面追踪下降管内的两相流动相间互不贯穿非稳态流动。采用VOF技术对移动气液界面进行追踪。对于模型中的每一相都作 为计算网格内体积分数为的a变量。在每一一个控制容 积内,两相体积分数之和为1。ag +a。=1,(1)其中,下标w表示水相,g表示合成气。中国煤化工收稿日期:2012 -08-18基金项目:东北电力大学博士启动基金( BSJXM - 201201);国家重点基础研究发展计划.JHCNMH G作者简介:李铁(1979-),女, 吉林省吉林市人,东北电力大学能源与动力工程学院副教设,时工,土安研无力网:岁怕流理论及数值模拟.48东北电力大学学报第33卷流程内所有变量和属性由两相共享并表示为体积平均值。同时,出现在传递方程中的平均属性如密度粘度由下式计算,其他属性(如比热)也按此方法计算。μ +aJue + aw,(2)ρ=agPg+aPw.(3)合成气与水相界面的追踪由求解第二相(水被定义为第二相)体积分数方程得到。aa。at合成气体积分数由公式1得到。1.2动量方程VOF模型求解单--的动量方程,计算的速度场由两相共享。动量方程求解依赖于两相体积分数密度和粘度。(pi)+V(in) =- Vp+pg+ V●[u(Vi+ V")] +户.(5)1.3水蒸 气组分传输方程合成气内部水蒸气组分传递由下式求解:(p.Y) + V●(p.iY) =- VJ +S,(6)其中, Y和ρ,分别为水蒸气质量分数和密度。S,为蒸发源项,数值上等于Sm,J为水蒸气扩散通量,由下式计算:1=-(.D+ e川,(7)S式中:D为水蒸气扩散系数,Sa湍流施密特数Pu,为湍流粘度。1.4 能量方程点(ρE) + V●[i(pE+p)] = V●(hgjVT) +Q,(8)VOF模型将能量E作为质量平均值:cPE. +asp.Ee(9)aPw + agPg其中,E。和E。基于该相比热和共享温度。有效热传导系数keg由两相共享。Q来自辐射和蒸发。.5质量传递降膜自由表面蒸发处理为体积分数和组分传递方程中质量源项Sm和S。采用商业软件Fluent6.3用户自定义函数求解。本文假设水为当地压力下的饱和温度,由高温合成气传递到水的热量全部被水降膜蒸发而吸收。当温度高于饱和温度时降膜蒸发公式如下:S。= s,=c,(T- T.)/L,(10)式中:C,为常压下水的比热;T为网格内温度;Tm为当地压力下水的饱和温度;L为水的潜热。.6表面张力采用连续表面张力模型( CFS)描述自由表面张力。在VOF模型中,表面张力作为动量方程的源项。每个网格内仅存两相介质,方程如下:pk。Va,F =σw°(P。+p.)/2’(11)式中:p为公式3计算得到的体积平均密度;σp为界面张力系数;|中国煤化工i散度::TYHCNMHG(12)h.=V.n= V品(n= Va.I第3期李铁等:德士古气化炉激冷室 下降管内气液传热传质过程研究491.7 辐射传热能量方程中,源项S,由以下辐射传递方程求解:v .(I3) +(a +σ,)l(r,5) = an?oT + σ ["(G,)(s,9)dQ,(13)其中:s方向向量,s'散射方向,s沿程长度,a吸收系数,n折射系数,σ,散射系数,σ斯蒂芬-玻耳兹曼常数,I辐射强度,T当地温度,φ相位函数,.2空间立体角。采用DOM模型计算下降管内辐射热传递。2数值求解采用二维结构网格划分下降管计算区间。在VOF模型中,在两相之间存在大温差情况下,界面的温度计算精度非常有限。引入各相异性系数考虑方程中各相较大的物性差异以加速收敛。在本文的模拟中,对壁面附近的网格进行加密尽量降低物性差异的影响。采用控制容积隐式求解法求解控制方程。压力与速度耦合采用基于SIMPLE法则的PISO算法。首先计算冷态流场,将冷态流场参数作为热态模拟的初始条件。以确保整个下降管内充分发展的边界条件并加速收敛。3结果与讨论3.1模型验证为了验证模拟的准确性,将模拟预测结果与华东理工大学王亦飞等人[8]的实验相对比。王根据相似原理,建立实验室规模的气流床气化炉冷却室实验系统。气化炉进料采用柴油和氧气,忽略炭灰对下降管内气液流动的影响,并假设管内燃烧产物只有CO和H2。实验条件见表1。图1给出了管内温度分布,沿轴向温度下降明显,出表1实验室规模气流床 气化炉实验工况[8]现了明显的高温区和低温区。取3s时下降管内气液合成气流量/Nm3●.h6.82两相温度分布,此时管内两相流动得到充分发展。由于柴油流量/Kg. h .4.02 .合成气人口温度远高于饱和水的温度,在下降管上部区人口合成气流率/m●s1. 86人口合成气温度/K1 200域,热质传递过程迅速剧烈。图2对比了模拟预测温度人口冷却水流速/m●s0.55与实验测量温度分布规律,两条曲线的温度变化趋势基人口冷却水温度/K280工作压力/MPa本相一致,即在距离管口0.3m处,温度由1200K降至400K,而在较低位置区域内,温度降变化不太明显。王等人在气流床气化炉冷却室实验研究方面具有国内领先水平,但由于受实验环境和测量手段的限制,仅对常压、合成气人口温度为1200K的条件下对管内温度分布规律进行研究,本文将模拟与该实验获得的温度分布规律一致,验证了所建立的数学模型具有一定的可行性。1200K1200-◆experiment1000-0- smuation800400200 0中国煤化工280K:TYHCNMH G图1下降管温度分布图2轴向温度分布的实验与模拟值对比.0东北电力大学学报第33卷3.2 降膜流型图3分别给出了考虑相变和不考虑相变条件下,管内液膜流型图。由图3(a)可见,当不考虑相变过程时,降膜流型光滑、连续。而考虑相变影响条件下,如图3(b)所示,气液界面平滑当气液界面发生质量交换时,液膜稳定性与连续性被破坏,表面不再平滑,甚至有液体被携带出液膜主体区域。下降管底部区域的流型扰动和夹带现象比顶部区域显著。由于实验测量手段的限制,工业实践中,合成气实际入口温度(1700 K)高于实验温度(1200 K)。图4给出了不同合成气入口温度下降膜流型的瞬时图片。由图可见入口温度越高,降膜的不稳定性与不连续性越显著。随着人口合成气温度的升高,降膜断裂的初始位置距离管口的距离较小。在T=1 500 K,T=1700 K条件下,降膜几乎完全断裂。在T=1200K,T=1500K,T=1700K时,出现液滴夹带现象,这表明管内剧烈的流动与热质传递耦合过程的发生。夹带处的液滴引起壁面降膜流率的减小,加速降膜断裂。夹带的液滴也增大了气液接触面积进而提高了热质传递效率。a)b)(a)T=1000K (b)T=1200K (c)T=1500K (d)T=1700K图3相变对降膜流 型的影响图4不同合成气人口温度下降膜流型3.3 合成气增湿;0.8降膜表面蒸发产生水蒸气,使合成气增湿。图5给出了不同横截面水蒸气质量流率。可见,下降管着内水蒸气质量流率分布沿高度方向上具有较大的变0.4 t化梯度。表明在下降管下半段合成气增湿效果较好。4结论0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Distance form pipe inlet/m建立了大温差下相间直接接触热质传递与组分图5不同横截面 上水蒸气浓度分布传递模型,研究下降管内气液两相介质的流动传热传质规律。模型给出了控制方程的质量、动量和能量源项,考虑了表面蒸发与界面张力影响。在实验验证了模型可行性基础上,进--步对不同实验温度进行模拟,获得了管内温度分布,降膜流型以及水蒸气质量流率。模拟结论如下:(1)下降管上部区域具有较大的温度降,合成气温度降至饱和水温度。应选取较好的耐高温材料作为下降管管材防止管壁烧损。(2)人口合成气温度越高,降膜流型越不稳定,液滴夹带现中国煤化工温度变化是应调整合理的激冷水流量。YHCNMH G(3)轴线方向上水蒸气质量流量梯度变化较大。管下部增湿效果比上部好。应进-步考虑合成气..第3期李铁等:德士古 气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究51流动对水蒸气分布的影响以完善模型。表1主要符号表英文符号_C水的比热T计算网格内温度水蒸气扩散系数T.当地压力下水的饱和温度动量方程源项时间重力加速度Sm质量源项辐射强度蒸发源项有效导热系数湍流施密特数ke曲率法向向量散度沿程长度水蒸气扩散通量方向向量水的潜热散射方向气体折射系数4; i 方向上的速度界面法向向量VOF模型中两相共享的速度P压力水蒸气质量分数辐射方程源项希腊字母吸收系数σ斯蒂芬 -玻耳兹曼常数a.ag流体相体积分数界面张力系数流体动力粘度气体散射系数湍流黏度相位函数密度空间立体角主要下角标_g,w 气相,液相水蒸气组分参考文献[1] Schlinger, W. 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With this model ,the中国煤化工flow pattemof the flling water film with or without phase change were predicted.:YHCNM HGKey words: Texaco gasifier; Flling water film; VOF ;Simulation

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