TEXACO煤氣化爐激冷室內(nèi)多相流動(dòng)的數(shù)值模擬_圖文

1、東南大學(xué)碩士學(xué)位論文TEXACO煤氣化爐激冷室內(nèi)多相流動(dòng)的數(shù)值模擬姓名:謝海燕申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):熱能工程指導(dǎo)教師:袁竹林20061201 為60%±2%的水煤漿,將其用隔膜泵送入氣化爐燒嘴,與含量大于99.6%的氧氣在燒嘴出口處混合霧化后進(jìn)入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)(爐內(nèi)壓力3.84MPa,溫度約1400C,生成以CO+H2為主要成分的粗合成氣.圖1-1Texaco氣化工藝流程Texaco氣.化工藝流程如圖1-1所示。該流程設(shè)備簡(jiǎn)單,投資少。工藝流程為原料煤與水、添加劑、石灰石、氨水,經(jīng)磨機(jī)研磨成具有適當(dāng)粒度分布的水煤漿,由煤漿泵送入煤漿槽中。水煤漿經(jīng)加壓后與高壓氧氣經(jīng)德士古燒嘴混

2、合后星霧狀噴入氣化爐燃燒室。在里面進(jìn)行了復(fù)雜的氣化反應(yīng)。生成的合成氣和熔渣經(jīng)激冷環(huán)及下降管進(jìn)入氣化爐激冷室底部冷卻、固化,定期排出。在碳洗塔中,合成氣進(jìn)一步冷卻、除塵并控制水氣比,然后進(jìn)入后工序。落入激冷室底部的固態(tài)熔渣,進(jìn)入下部的鎖斗系統(tǒng)。鎖斗系統(tǒng)用于定期收集爐渣,定期排放。而黑水沉降槽則主要用于水的回收處理。洗滌塔出來的黑水經(jīng)過二級(jí)閃蒸。水蒸氣和一部分溶解在黑水中的c02、H2S等酸性氣體被迅速閃蒸出來,閃蒸汽經(jīng)過冷凝,分離后再處理. 圖1.2Texaco氣化爐結(jié)構(gòu)掰油艇化鼠辯瓤承遵 奎墮查蘭塑主蘭垡堡苧到穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),液面不斷上下波動(dòng)。 l=o.O%I=o.255S f=o.525s f-

3、1.035s f=lA25s圖4.1流動(dòng)過程示意圖(vl=6ta/s,D=12cm,6=04.3.2在不同的降膜條件下,氣液流動(dòng)的帶水問題研究(1合成氣穿越液池的流動(dòng)中兩管間隙對(duì)流動(dòng)特性的影響保持液池的靜態(tài)液位h為2.5m,氣體以3m/s從下降管中間流入,不斷增大兩管間隙,達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),在不同間隙下沿下降管軸向切面的流動(dòng)狀態(tài)如圖4-2所示. 圖42不同2管間隙下流動(dòng)狀態(tài)h=2.5m;K=3m/s由于氣流的帶液量通過數(shù)值模擬的方法難以直接測(cè)量,用達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的液面高度來近似反應(yīng)氣流帶液量.從而得出兩管間隙對(duì)氣流帶液量的影響規(guī)律。由圖4-2可得到兩管間隙對(duì)液面高度的影響曲線,如圖4-3所示。隨

4、著兩管間隙的增大,液面高度也隨之增加。因此,氣流的帶液量隨著兩管間隙的增加而減少。擴(kuò)大上升管的直徑,加大了上升管與下降管之間的環(huán)形通道的面積,有效的降低了合成氣的流速,減弱合成氣對(duì)液相的沖擊,降低夾帶水的動(dòng)能,從源頭上遏制合成氣帶水的問題。擴(kuò)大上升管的直徑。加大上升管與下降管之間的環(huán)形通道的面積,從源頭上遏制合成氣帶水的問題。由于氣化爐上升管采用螺栓緊固的方式組裝到氣化爐激冷室中,更換起來比較方便,改造費(fèi)用也較低,所以該方案特別適用于運(yùn)行裝置的技術(shù)改造。東南大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2茸1.0露揎0.8恒甓O.60.060.090.120.150.18兩管間隙,m圖4-3兩管間隙與液面高度的關(guān)系圖(

5、2合成氣穿越液池的流動(dòng)中氣流速度對(duì)流動(dòng)特性的影響保持上升管和下降管間隙AD為O.12m,及靜態(tài)液位h為2.5m,液膜以15m/s速度沿下降管內(nèi)壁流入,不斷增大氣流速度,達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),在不同氣流速度下沿下降管軸向切面的流動(dòng)狀態(tài)如圖4.4所示。 %=o.5m/s匕=Im/s=3m/s%=6m/s圖4-4不同氣流速度下流動(dòng)狀態(tài)h-'2.5_:AD:o.12m由圖4-4可得到氣流速度對(duì)液面高度的影響曲線,如圖4.5所示。氣流速度增大,液面高度隨之降低,氣流穿過液池對(duì)液體的攜帶量將增加。數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)了液面的波動(dòng)性,也就是說液面一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)(如圖4-5、4-7。液面的選取具有隨機(jī)性,因

6、而圖4-5中的結(jié)果呈現(xiàn)離散性,這恰恰能反映出實(shí)際情況。隨著氣流速度的增大,合成氣對(duì)液池內(nèi)液面的沖擊力加強(qiáng),加大了夾帶水的動(dòng)能,因而合成氣帶液量將不斷增大.1.6量I.2瑙篷o.s鍵0.40.00246氣流速度l(mls圖4-5氣流速度與液面高度的關(guān)系圖(3合成氣穿越液池的流動(dòng)中靜態(tài)液位對(duì)流動(dòng)特性的影響保持上升管和下降管間隙不變,液膜以15m/s沿下降管內(nèi)壁流入,氣體以3m/s從下降管中間流入t不斷增大液池的靜態(tài)液位,達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),在不同的靜態(tài)液位下沿下降管軸向切面的流動(dòng)狀態(tài)如圖4.6所示.ka k乞h h=3a圖4-6不同靜態(tài)液位下流動(dòng)狀態(tài)K=3m/s;AD:o.12m由圖4-6得到液池的靜

7、態(tài)液位對(duì)液面高度的影響曲線,如圖4-7所示。液池的靜態(tài)液位增大,液面高度隨之降低,氣流穿過液池對(duì)液體的攜帶量將增加。乓g 樞目壤'.O.g靜態(tài)醺舒m圖4-7靜態(tài)液位與液面高度的關(guān)系圖改變液池的靜態(tài)液位,相當(dāng)于改變了激冷室內(nèi)分離空間的大小。降低液池的靜態(tài)液位,也就是增大了激冷室液面上部的分離空間,讓更多的夾帶水返回到氣化爐激冷室的液面中.在合成氣流速相同的情況下,氣體夾帶水的動(dòng)能基本相同,其分離空間大,夾帶水回流到液面中的比例就多。在發(fā)生氣化爐嚴(yán)重帶水時(shí),用降低氣化爐液位的辦法,相對(duì)增加了氣化爐激冷室液面上的分離空間,對(duì)于減輕氣化爐帶水的效果非常明顯。加大氣化爐激冷室的結(jié)構(gòu)盡寸,增大激冷

8、室液面上部的分離空間,讓更多的夾帶水返回到氣化爐激冷室的液面中。但氣化爐要維持正常液位運(yùn)行,所以激冷室的結(jié)構(gòu)尺寸要加大,所以這種方案只適用于新裝置的設(shè)計(jì).4.4數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與驗(yàn)證本課題是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)研究一的子課題,華東理工大學(xué)對(duì)Texaco煤氣化爐激冷室的實(shí)驗(yàn)方面做了較多的研究。盧瑞華56】等人在復(fù)合鼓 泡床洗滌冷卻室中液滴夾帶統(tǒng)計(jì)模型>一文,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,對(duì)激冷室內(nèi)合成氣穿越液池過 變更查蘭堡主蘭垡堡蘭在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中,隨著時(shí)間推移,設(shè)備總是從剛開始啟動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)過渡到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。為了反映顆粒捕集的

9、趨穩(wěn)過程,這里采用如下的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。玎=需noo%式中,萬O表示從開始運(yùn)行時(shí)刻,0到f時(shí)刻,液體所捕獲的總顆粒數(shù);N(t表示從開始運(yùn)行時(shí)刻fo 到t時(shí)刻,隨氣體進(jìn)入的顆粒總數(shù);露為搪集效率。6.2.3計(jì)算條件為盡可能提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,按最接近實(shí)際工況的條件建立數(shù)值模擬平臺(tái)。表6-2給出了本文的計(jì)算條件,表6-2計(jì)算參數(shù)氣體密度/(kg/d空氣運(yùn)動(dòng)粘度/缸/s顆粒摩擦系數(shù)顆?；貜?fù)系數(shù)1.2252.38x10-j O.250.8下降管入口流速/鈿/s顆粒密度/(kg/n3計(jì)算時(shí)間步長/(s顆粒粒徑/(IZm1621O.001lO、20、506.3灰渣分離特性的模擬結(jié)果與分析6.3.1氣體以不

10、同流速穿越液池的模擬分析模擬了氣體穿越液池流速分別為v=Ira/s,1=3m/s,v=6m/s三種工況下氣液流動(dòng)過程以及固體顆粒的捕集情況.顆粒粒徑為20朋。圖6-2為不同氣流速度下,不同時(shí)刻氣液流場(chǎng)的模擬結(jié)果. f=3s t=4.2s(av=lm/s時(shí)的氣液流動(dòng)41 t=3a t=4.2s t=5.2a(bv=3m/s時(shí)的氣液流動(dòng) ,=3s t=4.2s,=5.2s(cv=6m/s時(shí)的氣液流動(dòng)圖6-2不同流速下的氣液流場(chǎng)模擬結(jié)果從圖中可知,氣流在流出下降管出口后反折向上,在下降管外壁面聚集。由于液體相對(duì)于氣體的巨大質(zhì)量慣性,出現(xiàn)液體堵塞氣體通道,氣體一股一股的穿出水面,使得氣液沿下降管外壁形

11、成了具有一定周期性的波狀流型。隨著氣流速度的增加,氣體對(duì)液池內(nèi)部的擾動(dòng)加劇,激起的水花和泡沫增多。所產(chǎn)生的液滴被氣體攜帶到洗滌室的高處。同時(shí)穿過液體的每一股排放量增大,液池水面的波動(dòng)幅度增加。圖63為不同流速下固體顆粒捕集效率隨時(shí)問的變化關(guān)系。它量化了氣液相對(duì)固體顆粒相作用的程度。可以看出,整個(gè)過程可以分為兩個(gè)階段:遞增階段和穩(wěn)定階段。在前5秒內(nèi),氣液場(chǎng)還處于初始的不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著對(duì)固相的作用增強(qiáng),捕獲能力提高。15秒后流動(dòng)均充分發(fā)展,達(dá)到穩(wěn)定階段。此時(shí)不同流速v=lm/s。v=3m/s和,=6m/s分別對(duì)應(yīng)的捕集效率約為94.1%、97%和97.9%。 t4.Is t=4.3s tl4.4s

12、(aL;0.5m時(shí)的氣液流動(dòng) f=4.b t=4.3s,=4.4(b工=2m時(shí)的氣液流動(dòng)圖6-7不同下降管淹沒深度時(shí)的氣液流場(chǎng)模擬結(jié)果將圖6-6和圖6-7結(jié)合起來分析:由于隨著深度的增加,液體穿越液體的有效行程加長,顆粒被捕獲的幾率增加。同時(shí)淹沒深度加大,氣體對(duì)液體的擾動(dòng)增強(qiáng),所產(chǎn)生的泡沫和水花增多,泡沫作用階段和淋浴作用階段的凈化作用得到了加強(qiáng),有助于顆粒的捕獲。但隨著淹沒深度的增加,氣體穿過液池對(duì)液體的攜帶量將增加,同時(shí)壓力損失也勢(shì)必增加。這使得單依靠增加下降管出口淹沒深度來提高捕集效率不是最理想的方法.這需要綜合考慮各方面的因素。尋找最優(yōu)化的途徑.6.3.4模型的檢驗(yàn)與討論由于目前針對(duì)Texaco氣化爐激冷室的相關(guān)試驗(yàn)正在逐步開展當(dāng)中。因此相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為匱乏。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn):本文模擬出來的氣液流動(dòng)特征與文獻(xiàn)所作的淹沒氣體流實(shí)驗(yàn)所描述的現(xiàn)象一致。另外考慮到所研究的流動(dòng)過程與沖擊水浴除塵器的流動(dòng)過程極為相似。故此做了對(duì)比表明:從圖6-2所獲得的在穩(wěn)