第39卷第4期东南大学学报(自然科学版)Vol. 39 No. 42009年7月JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition)July 2009doi: 10.3969/j. issn. 1001 - 0505.2009. 04. 030Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟刘升'郝英立12('东南大学能源与环境学院,南京210096)(2东南大学空间科学与技术研究院,南京210096)摘要:应用Eulerian-Lagrangian方法对国内某工厂实际运行的Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动进行了模拟.采用Realzable k-e模型计算炉内复杂气体湍流运动,应用颗粒轨道模型追踪煤粉颗粒在湍流气流中的运动轨迹.通过数值计算取得了炉内气相速度矢量、颗粒运动轨迹、颗粒碰撞壁面并沉积于壁面的沉积通量和颗粒在炉内的停留时间分布.揭示了该气化炉的气固两相流动特性,并分析了运行工况对壁面沉积通量分布的影响规律.结果表明:气化炉内的气体流场存在回流,回流延长了颗粒在气化炉内的停留时间,颗粒沉积通量最大的位置为简体段下部和锥体段上部;绝大部分颗粒在气化炉内的停留时间在5s以内,气体流量降低时颗粒在炉内的停留时间减少.关键词:气流床煤气化炉;颗粒轨迹;沉积率;停留时间中图分类号:0359文献标志码:A文章编号 :1001 -0505(2009 )04 0803-05Numerical simulation of gas-solid two-phase flowin a Texaco entrained-flow coal gasifierLiu Sheng'Hao Yinglil-2(' School of Energy and EnviROnment, Southeast University ,Nanjing 210096 . China)(2 Institute of Space Science and Technology ,Southeast University ,Nanjing 210096 ,China)Abstract :Numerical simulation of gas-solid two-phase flow in a Texaco coal gasifier operated in adomestic factory in China was carried out using the Eulerian-Lagrangian approach. The realizable k-&model was used to describe the turbulence gas flow in an Eulerian frame while the coal particle traj-ectories were calculated by a stochastic tracking model in a Lagrangian frame. The velocity vector ofgas , particle trajectories , particle deposition on inner wall , and particle residence time in the gasifierwere acquired through numerical calculation. The results indicate that back flow exists in the gas flowfield, which increases the particle resistance time in the gasifer. The largest deposition rate appears atthe bottom of cylinder part and the top of pyramid part of the gasifier. Most of the particle has a re-sistance time of less than 5 s in the gasifier , and the resistance time decreases with the reduction ofgas flow rate.Key words :entrained-flow coal gasifier; particle trajectory; deposition rate; residence time煤气化技术是煤炭清洁及其高效利用的主要应用最多的气流床煤气化炉.途径之一.气流床煤气化技术以其单位体积处理量Texaco气化炉为耐火砖炉壁结构,采用液态大、气化强度高碳转化率高合成气中不含焦油和排渣技术. 炉内熔融态煤灰渣沉积到耐火砖壁面形酚等物质而得到广泛应用. Texaco气流床煤气化成稳定渣层,渣层在向下流动过程中对耐火砖有侵炉是典型的水煤浆气流床煤气化炉,也是目前国内蚀作用”中国煤化主多出现的渣堵、收稿日期2008-1202.作者简介 :刘升(1982- -) ,男,博士生;郝英立(联系人),TYHCNMHG.ecdu.cm.基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项(2004CB217703).引文格式:刘升郝英立Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟[J].东南大学学报:自然科学版209 ,39(4) :803 - 807. [doi:10. 3969/j. is.100 -0505. 2009.04.030]804东南大学学报(自然科学版)第39卷耐火砖寿命缩短、运行不稳定等问题暴露出对其中与氧气流混合后高速喷人炉膛.在炉内高温环境下气固两相流、热质传递、化学反应等基本规律的掌煤浆液滴的水分瞬间汽化,进而经历挥发分挥发、握还不充分.燃烧、气化等一系列过程,最终形成合成气.所以,研究气流床气化炉内气固两相流动和分析壁进入炉膛的水煤浆和氧气混合物可近似看作高速面上灰渣颗粒沉积规律,对于研究影响气化炉安全喷入炉膛的气固两相流.炉内煤/灰渣颗粒体积浓稳定运行的壁面渣层形成、流动、传热传质及相变度低于10% ,属稀相气固两相流,可用Eulerian-La-等运动具有重要意义. Choi等"对一个1 Vd实验grangian方法描述.规模Texaco气化炉内的气体流动进行了分析,研Texaco气化炉内的气体流动是伴有射流、回究了氧气人口角、氧气流量以及喷嘴位置对气化炉流和旋转的剧烈湍流.Realizablek-e模型在湍动内气体流场的影响. Chen等[2) 对两段式空气气流黏度计算公式中引入了与旋流和曲率有关的内容,床煤气化炉进行了模拟,研究了化学反应、气体流改善了湍动黏度的计算方法,建立了一个新的可变动和颗粒运动等问题,着重研究了喉部直径对颗粒涡黏性公式;同时修正了耗散率方程中的产生项.运动轨迹的影响.龚欣等i3]通过实验研究了实验已有的研究表明,采用Realizablek-e模型对气流室规模Texaco气化炉的颗粒停留时间分布.郝英床气化炉内的气体流场进行计算得到的结果较其立等|4]对多喷嘴对置式气化炉内气固两相流和壁他湍流模型得到的结果与实验值更加吻合[.].故面沉积率进行了模拟,得到了炉内气体流场、颗粒本文采用带旋流修正的Ralizablek-&湍流模型[8])流场颗粒分布、颗粒运动轨迹以及壁面颗粒沉积计算气相运动:通量分布,并分析了气体速度和炉体上部高度对壁e +号(pun) =0(1)面颗粒沉积通量的影响.梁万才等[5]对西安热工at ax研究院两段式千粉气流床煤气化炉内气固两相流最(ou) +(omun) =-0 +号[(u +u)憋]+动进行了模拟,研究了炉体喉口直径和两段气固进an'axaxx,」料量变化对气固两相流动和颗粒分布的影响.许建a,[(u+m)) ui| +S;+ 2P.n(4, - u.n)良等回采用示踪法研究了实验室规模多喷嘴对置式气化炉和Texaco气化炉内颗粒停留时间分布.(2)本文对国内某工厂运行的Texaco气化炉内气式中,S,为流体自身源项.等式右边最后一项为气固两相流动进行了数值模拟,为进-步研究气化炉体与颗粒相互作用引起的源项,其中ρp.n为第n个内碳转化率和壁面渣层的形成奠定基础.颗粒的密度,4p.r.n为第n个颗粒在i方向的速度,T .为流体和颗粒间动量传递的弛豫时间.1研究对象及 数学模型(pk) +(oku) =x[(u+台)x]+G, -peat P所研究的Texaco 气化炉分为拱顶筒体和锥体三部分,如图1所示.水煤浆经置于炉顶的三通(3)道喷嘴的内环通道流人,由经中心通道和外环通道是(e) +是(pku,) =2[(u+出)]+高速流入的纯氧气体雾化成几十微米的煤浆液滴,aσ)xCipSe -Cxppivx(4)式中,系数0k,oc,C,C;的值以及产生项G,和时均应变率S的形式见文献[8]. .在炉内高温条件下颗粒处于熔融状态,由于表是面张力的作用颗粒收缩为光滑球形.采用随机轨道模型对颗粒运动轨迹进行追踪,Lagrange坐标系下颗粒的运动方程为中国煤化工二g+P (5)式.MYHCNMH G'(a) 气化炉(单位:m)(b)喷嘴18u CpRep图上Texaco 气化炉和喷嘴结构示意图(单位:mm)Fp =Pp 24(6).第4期刘升,等:Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟805曳力系数为量mp.和沉积面的面积A计算,即Co=a+Re,+R(7)qm=-Empn(10)式中,a,a和as是根据光滑球形颗粒在不同Re,式中,N为沉积到沉积面上的颗粒数.数条件下的运动情况确定的经验常数[9].颗粒Rep2模拟对象及模拟工况数定义为Re, =pdp|u -up |/m.式(5)右边第2项为重力和浮力的合力,第3本文应用CFD软件FLUENT求解上述控制项为颗粒所受其他力的合力煤粉颗粒流过喷嘴时方程.网格采用六面体网格,并对喷嘴区和下部锥加速.需要考虑颗粒受到的虚拟质量力(F,);炉内体段的网格进行加密.分别对网格数为16x 10*,是伴有射流、回流的复杂流场,颗粒受到的22 x10* ,30 x10*和60x10*的4种网格进行了计Saffman力(F2)不能忽略.算,模拟发现网格数大于22 x 10*的网格得到的计算结果几乎-致,考虑到计算代价,选择网格数为F, =⊥e d(u-u,)(8)2 P,d22 x 10*的网格进行模拟计算.F2 =2Kv*pdy|u-u,|sgn(m) (9)将简体段和锥体段两部分从上至下分成16个单元(见图1),并根据其实际运行参数,确定了模pod,(dnd)+式中,Saffman力系数K = 2.594;d;为形变张量.拟工况,列于表1.该煤气化炉采用水煤浆为原料,壁面颗粒沉积通量qm由沉积到壁面的颗粒质煤粉颗粒的平均粒径为50 μm.表1模拟工况条件氧流址/(10'm’.h-1工煤粉流量/(t.h-")压力/MPa人口温度/K中心3.50023.00053. 400.2083. 67524. 15056. 073. 85025. 30058.7403083.32521. 85050.7303. 15020. 70048. 060的;小回流是由于下部锥体段流动面积减少、气体3结果与分析加速和流向改变引起的.炉下部中心气流向- -边略3.1气体流动 .有偏转,且方向不断变化气体扰动有利于煤粉颗图2给出了工况1中气化炉中心截面上的气粒和气体充分接触,气体回流能延长煤粉颗粒在炉体流场.气体流场主要分为3个部分:①中心区域内的停留时间,有助于充分反应.的射流;②筒体段中上部以一-定角度向炉膛周围分3.2颗粒运动散的气流;③筒体段及锥体段近壁面区域的回流.计算中对108x10'个颗粒进行了追踪,为清回流主要有贯穿整个筒体段的大回流(见图2晰显示,图3仅绘出了108个颗粒的运动轨迹.(b) )和下部锥体段的局部小回流(见图2(c)).大回流是由于气体进人炉内流动面积突然增大引起35.9(b10:88.98中国煤化工MHCNMHG(a)炉腥内整体侃场(b) 上部同藐(e) 下都局部回面图2气化炉炉膛内气体速度矢 分布图3颗粒轨迹与停 留时间806东南大学学报(自然科学版)第39卷进入气化炉的颗粒约30%直接沉积到壁面,0~ 1.3 m段沉积通量随高度的增加而增加.在10%左右直接流出气化炉,这2部分颗粒在炉内的1.3m左右沉积通量达到最大值,其值是其他区域停留时间较短.其余颗粒随气体在炉内作回流,进.的3倍左右.5个工况中工况3的值最大,达7.5而沉积到壁面,从而使壁面颗粒沉积量沿高度的差kg/(m2●s).在1.4m左右处壁面沉积通量已经异减小同时颗粒的回流方向受到气体回流方向影下降到1kg/(m2●s)左右;1.4m以上区域,壁面响,并随气体流向变化.沉积通量随高度的增加而逐渐降低.5个工况中壁3.3颗粒在气化炉壁 面沉积通量面沉积通量分布特征差异不大.但当气化炉的负荷图4绘出了壁面颗粒沉积质量通量分布.锥体减少超过40%时,沉积通量的最大值将会向上移段和简体段下部的沉积通量较其他区域要大得多.动只208123细4310专3:/四(a)工况1(b)工I配2(e)工况3q//

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