TEXACO煤气化炉激冷室内多相流动的数值模拟_图文

1、东南大学硕士学位论文TEXACO煤气化炉激冷室内多相流动的数值模拟姓名:谢海燕申请学位级别:硕士专业:热能工程指导教师:袁竹林20061201 为60%±2%的水煤浆,将其用隔膜泵送入气化炉烧嘴,与含量大于99.6%的氧气在烧嘴出口处混合雾化后进入气化炉内进行气化反应(炉内压力3.84MPa,温度约1400C,生成以CO+H2为主要成分的粗合成气.图1-1Texaco气化工艺流程Texaco气.化工艺流程如图1-1所示。该流程设备简单,投资少。工艺流程为原料煤与水、添加剂、石灰石、氨水,经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆,由煤浆泵送入煤浆槽中。水煤浆经加压后与高压氧气经德士古烧嘴混

2、合后星雾状喷入气化炉燃烧室。在里面进行了复杂的气化反应。生成的合成气和熔渣经激冷环及下降管进入气化炉激冷室底部冷却、固化,定期排出。在碳洗塔中,合成气进一步冷却、除尘并控制水气比,然后进入后工序。落入激冷室底部的固态熔渣,进入下部的锁斗系统。锁斗系统用于定期收集炉渣,定期排放。而黑水沉降槽则主要用于水的回收处理。洗涤塔出来的黑水经过二级闪蒸。水蒸气和一部分溶解在黑水中的c02、H2S等酸性气体被迅速闪蒸出来,闪蒸汽经过冷凝,分离后再处理. 掰油艇化鼠辩瓤承遵 奎堕查兰塑主兰垡堡苎到稳定流动时,液面不断上下波动。 l=o.O%I=o.255S f=o.525s f-1.035s f=lA25s图

3、4.1流动过程示意图(vl=6ta/s,D=12cm,6=04.3.2在不同的降膜条件下,气液流动的带水问题研究(1合成气穿越液池的流动中两管间隙对流动特性的影响保持液池的静态液位h为2.5m,气体以3m/s从下降管中间流入,不断增大两管间隙,达到稳定流动时,在不同间隙下沿下降管轴向切面的流动状态如图4-2所示. 图42不同2管间隙下流动状态h=2.5m;K=3m/s由于气流的带液量通过数值模拟的方法难以直接测量,用达到稳定流动时的液面高度来近似反应气流带液量.从而得出两管间隙对气流带液量的影响规律。由图4-2可得到两管间隙对液面高度的影响曲线,如图4-3所示。随着两管间隙的增大,液面高度也随

4、之增加。因此,气流的带液量随着两管间隙的增加而减少。扩大上升管的直径,加大了上升管与下降管之间的环形通道的面积,有效的降低了合成气的流速,减弱合成气对液相的冲击,降低夹带水的动能,从源头上遏制合成气带水的问题。扩大上升管的直径。加大上升管与下降管之间的环形通道的面积,从源头上遏制合成气带水的问题。由于气化炉上升管采用螺栓紧固的方式组装到气化炉激冷室中,更换起来比较方便,改造费用也较低,所以该方案特别适用于运行装置的技术改造。东南大学硕士学位论文露恒两管间隙,m图4-3两管间隙与液面高度的关系图(2合成气穿越液池的流动中气流速度对流动特性的影响保持上升管和下降管间隙AD为O.12m,及静态液位h

5、为2.5m,液膜以15m/s速度沿下降管内壁流入,不断增大气流速度,达到稳定流动时,在不同气流速度下沿下降管轴向切面的流动状态如图4.4所示。 %=o.5m/s匕=Im/s=3m/s%=6m/s图4-4不同气流速度下流动状态由图4-4可得到气流速度对液面高度的影响曲线,如图4.5所示。气流速度增大,液面高度随之降低,气流穿过液池对液体的携带量将增加。数值模拟结果发现了液面的波动性,也就是说液面一直处于不稳定状态(如图4-5、4-7。液面的选取具有随机性,因而图4-5中的结果呈现离散性,这恰恰能反映出实际情况。随着气流速度的增大,合成气对液池内液面的冲击力加强,加大了夹带水的动能,因而合成气带液

6、量将不断增大.瑙键0246气流速度l(mls图4-5气流速度与液面高度的关系图(3合成气穿越液池的流动中静态液位对流动特性的影响保持上升管和下降管间隙不变,液膜以15m/s沿下降管内壁流入,气体以3m/s从下降管中间流入t不断增大液池的静态液位,达到稳定流动时,在不同的静态液位下沿下降管轴向切面的流动状态如图4.6所示.ka k乞h h=3a图4-6不同静态液位下流动状态由图4-6得到液池的静态液位对液面高度的影响曲线,如图4-7所示。液池的静态液位增大,液面高度随之降低,气流穿过液池对液体的携带量将增加。乓g 枢目壤'.O.g静态醺舒m图4-7静态液位与液面高度的关系图改变液池的静态

7、液位,相当于改变了激冷室内分离空间的大小。降低液池的静态液位,也就是增大了激冷室液面上部的分离空间,让更多的夹带水返回到气化炉激冷室的液面中.在合成气流速相同的情况下,气体夹带水的动能基本相同,其分离空间大,夹带水回流到液面中的比例就多。在发生气化炉严重带水时,用降低气化炉液位的办法,相对增加了气化炉激冷室液面上的分离空间,对于减轻气化炉带水的效果非常明显。加大气化炉激冷室的结构尽寸,增大激冷室液面上部的分离空间,让更多的夹带水返回到气化炉激冷室的液面中。但气化炉要维持正常液位运行,所以激冷室的结构尺寸要加大,所以这种方案只适用于新装置的设计.本课题是国家重点基础研究发展计划项目“大规模高效气

8、流床煤气化技术的基础研究一的子课题,华东理工大学对Texaco煤气化炉激冷室的实验方面做了较多的研究。卢瑞华56】等人在复合鼓 泡床洗涤冷却室中液滴夹带统计模型>一文,采用实验测试的方法,对激冷室内合成气穿越液池过 变更查兰堡主兰垡堡兰在设备实际运行中,随着时间推移,设备总是从刚开始启动时的不稳定状态过渡到一个相对稳定的工作状态。为了反映颗粒捕集的趋稳过程,这里采用如下的方法进行统计。玎=需noo%式中,万O表示从开始运行时刻,0到f时刻,液体所捕获的总颗粒数;N(t表示从开始运行时刻fo 到t时刻,随气体进入的颗粒总数;露为搪集效率。为尽可能提高模拟结果的准确性,按最接近实际工况的条件

9、建立数值模拟平台。表6-2给出了本文的计算条件,表6-2计算参数气体密度/(kg/d空气运动粘度/缸/s颗粒摩擦系数颗粒回复系数下降管入口流速/钿/s颗粒密度/(kg/n3计算时间步长/(s颗粒粒径/(IZm1621O.001lO、20、50模拟了气体穿越液池流速分别为v=Ira/s,1=3m/s,v=6m/s三种工况下气液流动过程以及固体颗粒的捕集情况.颗粒粒径为20朋。图6-2为不同气流速度下,不同时刻气液流场的模拟结果. (av=lm/s时的气液流动41 (bv=3m/s时的气液流动 (cv=6m/s时的气液流动图6-2不同流速下的气液流场模拟结果从图中可知,气流在流出下降管出口后反折向

10、上,在下降管外壁面聚集。由于液体相对于气体的巨大质量惯性,出现液体堵塞气体通道,气体一股一股的穿出水面,使得气液沿下降管外壁形成了具有一定周期性的波状流型。随着气流速度的增加,气体对液池内部的扰动加剧,激起的水花和泡沫增多。所产生的液滴被气体携带到洗涤室的高处。同时穿过液体的每一股排放量增大,液池水面的波动幅度增加。图63为不同流速下固体颗粒捕集效率随时问的变化关系。它量化了气液相对固体颗粒相作用的程度。可以看出,整个过程可以分为两个阶段:递增阶段和稳定阶段。在前5秒内,气液场还处于初始的不稳定状态。随着对固相的作用增强,捕获能力提高。15秒后流动均充分发展,达到稳定阶段。此时不同流速v=lm

11、/s。v=3m/s和,=6m/s分别对应的捕集效率约为94.1%、97%和97.9%。 (b工=2m时的气液流动图6-7不同下降管淹没深度时的气液流场模拟结果将图6-6和图6-7结合起来分析:由于随着深度的增加,液体穿越液体的有效行程加长,颗粒被捕获的几率增加。同时淹没深度加大,气体对液体的扰动增强,所产生的泡沫和水花增多,泡沫作用阶段和淋浴作用阶段的净化作用得到了加强,有助于颗粒的捕获。但随着淹没深度的增加,气体穿过液池对液体的携带量将增加,同时压力损失也势必增加。这使得单依靠增加下降管出口淹没深度来提高捕集效率不是最理想的方法.这需要综合考虑各方面的因素。寻找最优化的途径.由于目前针对Texaco气化炉激冷室的相关试验正在逐步开展当中。因此相关的试验数据较为匮乏。查阅相关文献发现:本文模拟出来的气液流动特征与文献所作的淹没气体流实验所描述的现象一致。另外考虑到所研究的流动过程与冲击水浴除尘器的流动过程极为相似。故此做了对比表明:从图6-2所获得的在稳定阶