第33卷第3期東北電力大學(xué)學(xué)報Vol. 33 ,No.32013年6月Journal of Northeast Dianli UniversityJun. ,2013 .文章編號:1005 -2992(2013)03 -0047 -05德士古氣化爐激冷室下降管內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)過程研究李鐵',袁竹林2(1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012 ;2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210096)要:采用VOF多相流模型建立德士古氣化爐激冷室下降管內(nèi)氣液兩相直接接觸熱質(zhì)傳遞的二維數(shù)學(xué)模型。模型考慮了合成氣內(nèi)部組分擴散,表面張力作用和輻射熱傳遞。同時進行了實驗研究以驗證模擬結(jié)果,數(shù)值預(yù)測的溫度分布與實驗吻合良好。采用所建立的模型預(yù)測了水蒸氣濃度分布和有無相變時降膜流動流型。關(guān)鍵詞:德士古氣化爐;降膜;VOF模型;數(shù)值模擬中圖分類號: TQ 546.5文獻標識碼: A德士古水煤漿氣化爐激冷室采用下降管降膜冷卻。由氣化爐流出的合成氣攜熔融態(tài)灰渣與下降管內(nèi)壁激冷水降膜直接接觸傳熱,合成氣被迅速冷卻并增濕,熔融態(tài)灰渣驟冷凝固。這種冷卻技術(shù)既高效又簡單(3]。降膜動力學(xué)與熱力學(xué)理論是衡量冷卻與增濕效率的基礎(chǔ),尤其對了解下降管運行環(huán)境,防止降膜斷裂具有重要作用。由于下降管內(nèi)多相傳熱傳質(zhì)過程的復(fù)雜性,使得試驗和管內(nèi)動力學(xué)與熱力學(xué)參數(shù)測量十分困難。采用數(shù)值模擬方法,能夠在高溫同時不破壞流場的條件下獲得管內(nèi)流場、溫度場分布規(guī)律以及降膜流動特性等。趙永志[4采用焓分析方法對下降管內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程進行了數(shù)值模擬。李云[56] 對管內(nèi)氣相流場進行了數(shù)值模擬,模型將降膜蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣處理為壁面邊界條件,忽略降膜和熔渣流動傳熱影響，模擬獲得了下降管內(nèi)溫度分布規(guī)律,研究證明管內(nèi)的輻射傳熱是主要的傳熱方式。以上研究從不同角度描述了下降管內(nèi)流動和傳熱傳質(zhì)過程,但沒有對降膜流型、合成氣增濕等降膜流動細節(jié)給出定性和定量描述。本文基于德士古結(jié)構(gòu)的實驗室規(guī)模水煤漿氣化爐激冷室的運行數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。不考慮熔融態(tài)灰渣對流場的影響,采用Hirt'"]界面追蹤技術(shù)的VOF方法描述下降管內(nèi)的氣液界面波動。由于問題涉及的傳熱傳質(zhì)過程不僅存在于氣液兩相間,也發(fā)生于水蒸氣和合成氣組分之間,因此能量方程、體積變化和組分傳遞方程都考慮了蒸發(fā)過程的影響,通過修改控制方程源項形式處理該過程。數(shù)值計算獲得的管內(nèi)軸向溫度分布與實驗研究吻合良好,進而預(yù)測了降膜流型和整個管內(nèi)的水蒸氣濃度分布規(guī)律。1數(shù)學(xué)模型1.1 自由界面追蹤下降管內(nèi)的兩相流動相間互不貫穿非穩(wěn)態(tài)流動。采用VOF技術(shù)對移動氣液界面進行追蹤。對于模型中的每一相都作 為計算網(wǎng)格內(nèi)體積分數(shù)為的a變量。在每一一個控制容 積內(nèi)，兩相體積分數(shù)之和為1。ag +a。=1,(1)其中,下標w表示水相,g表示合成氣。中國煤化工收稿日期:2012 -08-18基金項目:東北電力大學(xué)博士啟動基金( BSJXM - 201201);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃.JHCNMH G作者簡介:李鐵(1979-),女， 吉林省吉林市人,東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教設(shè),時工，土安研無力網(wǎng):歲怕流理論及數(shù)值模擬.48東北電力大學(xué)學(xué)報第33卷流程內(nèi)所有變量和屬性由兩相共享并表示為體積平均值。同時,出現(xiàn)在傳遞方程中的平均屬性如密度粘度由下式計算,其他屬性(如比熱)也按此方法計算。μ +aJue + aw,(2)ρ=agPg+aPw.(3)合成氣與水相界面的追蹤由求解第二相(水被定義為第二相)體積分數(shù)方程得到。aa。at合成氣體積分數(shù)由公式1得到。1.2動量方程VOF模型求解單--的動量方程,計算的速度場由兩相共享。動量方程求解依賴于兩相體積分數(shù)密度和粘度。(pi)+V(in) =- Vp+pg+ V●[u(Vi+ V")] +戶.(5)1.3水蒸 氣組分傳輸方程合成氣內(nèi)部水蒸氣組分傳遞由下式求解:(p.Y) + V●(p.iY) =- VJ +S,(6)其中, Y和ρ,分別為水蒸氣質(zhì)量分數(shù)和密度。S,為蒸發(fā)源項,數(shù)值上等于Sm,J為水蒸氣擴散通量,由下式計算:1=-(.D+ e川,(7)S式中:D為水蒸氣擴散系數(shù),Sa湍流施密特數(shù)Pu,為湍流粘度。1.4 能量方程點(ρE) + V●[i(pE+p)] = V●(hgjVT) +Q，(8)VOF模型將能量E作為質(zhì)量平均值:cPE. +asp.Ee(9)aPw + agPg其中,E。和E。基于該相比熱和共享溫度。有效熱傳導(dǎo)系數(shù)keg由兩相共享。Q來自輻射和蒸發(fā)。.5質(zhì)量傳遞降膜自由表面蒸發(fā)處理為體積分數(shù)和組分傳遞方程中質(zhì)量源項Sm和S。采用商業(yè)軟件Fluent6.3用戶自定義函數(shù)求解。本文假設(shè)水為當?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?由高溫合成氣傳遞到水的熱量全部被水降膜蒸發(fā)而吸收。當溫度高于飽和溫度時降膜蒸發(fā)公式如下:S。= s,=c,(T- T.)/L,(10)式中:C,為常壓下水的比熱;T為網(wǎng)格內(nèi)溫度;Tm為當?shù)貕毫ο滤娘柡蜏囟?L為水的潛熱。.6表面張力采用連續(xù)表面張力模型( CFS)描述自由表面張力。在VOF模型中,表面張力作為動量方程的源項。每個網(wǎng)格內(nèi)僅存兩相介質(zhì),方程如下:pk。Va,F =σw°(P。+p.)/2’(11)式中:p為公式3計算得到的體積平均密度;σp為界面張力系數(shù);|中國煤化工i散度::TYHCNMHG(12)h.=V.n= V品(n= Va.I第3期李鐵等:德士古氣化爐激冷室 下降管內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)過程研究491.7 輻射傳熱能量方程中,源項S,由以下輻射傳遞方程求解: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沿程長度,a吸收系數(shù),n折射系數(shù),σ,散射系數(shù),σ斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù),I輻射強度,T當?shù)販囟?φ相位函數(shù),.2空間立體角。采用DOM模型計算下降管內(nèi)輻射熱傳遞。2數(shù)值求解采用二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分下降管計算區(qū)間。在VOF模型中,在兩相之間存在大溫差情況下,界面的溫度計算精度非常有限。引入各相異性系數(shù)考慮方程中各相較大的物性差異以加速收斂。在本文的模擬中,對壁面附近的網(wǎng)格進行加密盡量降低物性差異的影響。采用控制容積隱式求解法求解控制方程。壓力與速度耦合采用基于SIMPLE法則的PISO算法。首先計算冷態(tài)流場,將冷態(tài)流場參數(shù)作為熱態(tài)模擬的初始條件。以確保整個下降管內(nèi)充分發(fā)展的邊界條件并加速收斂。3結(jié)果與討論3.1模型驗證為了驗證模擬的準確性,將模擬預(yù)測結(jié)果與華東理工大學(xué)王亦飛等人[8]的實驗相對比。王根據(jù)相似原理,建立實驗室規(guī)模的氣流床氣化爐冷卻室實驗系統(tǒng)。氣化爐進料采用柴油和氧氣,忽略炭灰對下降管內(nèi)氣液流動的影響,并假設(shè)管內(nèi)燃燒產(chǎn)物只有CO和H2。實驗條件見表1。圖1給出了管內(nèi)溫度分布,沿軸向溫度下降明顯,出表1實驗室規(guī)模氣流床 氣化爐實驗工況[8]現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)和低溫區(qū)。取3s時下降管內(nèi)氣液合成氣流量/Nm3●.h6.82兩相溫度分布,此時管內(nèi)兩相流動得到充分發(fā)展。由于柴油流量/Kg. h .4.02 .合成氣人口溫度遠高于飽和水的溫度,在下降管上部區(qū)人口合成氣流率/m●s1. 86人口合成氣溫度/K1 200域,熱質(zhì)傳遞過程迅速劇烈。圖2對比了模擬預(yù)測溫度人口冷卻水流速/m●s0.55與實驗測量溫度分布規(guī)律,兩條曲線的溫度變化趨勢基人口冷卻水溫度/K280工作壓力/MPa本相一致,即在距離管口0.3m處,溫度由1200K降至400K,而在較低位置區(qū)域內(nèi),溫度降變化不太明顯。王等人在氣流床氣化爐冷卻室實驗研究方面具有國內(nèi)領(lǐng)先水平,但由于受實驗環(huán)境和測量手段的限制,僅對常壓、合成氣人口溫度為1200K的條件下對管內(nèi)溫度分布規(guī)律進行研究,本文將模擬與該實驗獲得的溫度分布規(guī)律一致,驗證了所建立的數(shù)學(xué)模型具有一定的可行性。1200K1200-◆experiment1000-0- smuation800400200 0中國煤化工280K:TYHCNMH G圖1下降管溫度分布圖2軸向溫度分布的實驗與模擬值對比.0東北電力大學(xué)學(xué)報第33卷3.2 降膜流型圖3分別給出了考慮相變和不考慮相變條件下,管內(nèi)液膜流型圖。由圖3(a)可見，當不考慮相變過程時,降膜流型光滑、連續(xù)。而考慮相變影響條件下,如圖3(b)所示,氣液界面平滑當氣液界面發(fā)生質(zhì)量交換時,液膜穩(wěn)定性與連續(xù)性被破壞,表面不再平滑,甚至有液體被攜帶出液膜主體區(qū)域。下降管底部區(qū)域的流型擾動和夾帶現(xiàn)象比頂部區(qū)域顯著。由于實驗測量手段的限制,工業(yè)實踐中,合成氣實際入口溫度(1700 K)高于實驗溫度(1200 K)。圖4給出了不同合成氣入口溫度下降膜流型的瞬時圖片。由圖可見入口溫度越高,降膜的不穩(wěn)定性與不連續(xù)性越顯著。隨著人口合成氣溫度的升高,降膜斷裂的初始位置距離管口的距離較小。在T=1 500 K,T=1700 K條件下,降膜幾乎完全斷裂。在T=1200K,T=1500K,T=1700K時,出現(xiàn)液滴夾帶現(xiàn)象,這表明管內(nèi)劇烈的流動與熱質(zhì)傳遞耦合過程的發(fā)生。夾帶處的液滴引起壁面降膜流率的減小，加速降膜斷裂。夾帶的液滴也增大了氣液接觸面積進而提高了熱質(zhì)傳遞效率。a)b)(a)T=1000K (b)T=1200K (c)T=1500K (d)T=1700K圖3相變對降膜流 型的影響圖4不同合成氣人口溫度下降膜流型3.3 合成氣增濕;0.8降膜表面蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣,使合成氣增濕。圖5給出了不同橫截面水蒸氣質(zhì)量流率?？梢?，下降管著內(nèi)水蒸氣質(zhì)量流率分布沿高度方向上具有較大的變0.4 t化梯度。表明在下降管下半段合成氣增濕效果較好。4結(jié)論0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Distance form pipe inlet/m建立了大溫差下相間直接接觸熱質(zhì)傳遞與組分圖5不同橫截面 上水蒸氣濃度分布傳遞模型,研究下降管內(nèi)氣液兩相介質(zhì)的流動傳熱傳質(zhì)規(guī)律。模型給出了控制方程的質(zhì)量、動量和能量源項,考慮了表面蒸發(fā)與界面張力影響。在實驗驗證了模型可行性基礎(chǔ)上，進--步對不同實驗溫度進行模擬，獲得了管內(nèi)溫度分布,降膜流型以及水蒸氣質(zhì)量流率。模擬結(jié)論如下:(1)下降管上部區(qū)域具有較大的溫度降,合成氣溫度降至飽和水溫度。應(yīng)選取較好的耐高溫材料作為下降管管材防止管壁燒損。(2)人口合成氣溫度越高,降膜流型越不穩(wěn)定,液滴夾帶現(xiàn)中國煤化工溫度變化是應(yīng)調(diào)整合理的激冷水流量。YHCNMH G(3)軸線方向上水蒸氣質(zhì)量流量梯度變化較大。管下部增濕效果比上部好。應(yīng)進-步考慮合成氣..第3期李鐵等:德士古 氣化爐激冷室下降管內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)過程研究51流動對水蒸氣分布的影響以完善模型。表1主要符號表英文符號_C水的比熱T計算網(wǎng)格內(nèi)溫度水蒸氣擴散系數(shù)T.當?shù)貕毫ο滤娘柡蜏囟葎恿糠匠淘错棔r間重力加速度Sm質(zhì)量源項輻射強度蒸發(fā)源項有效導(dǎo)熱系數(shù)湍流施密特數(shù)ke曲率法向向量散度沿程長度水蒸氣擴散通量方向向量水的潛熱散射方向氣體折射系數(shù)4; i 方向上的速度界面法向向量VOF模型中兩相共享的速度P壓力水蒸氣質(zhì)量分數(shù)輻射方程源項希臘字母吸收系數(shù)σ斯蒂芬 -玻耳茲曼常數(shù)a.ag流體相體積分數(shù)界面張力系數(shù)流體動力粘度氣體散射系數(shù)湍流黏度相位函數(shù)密度空間立體角主要下角標_g,w 氣相，液相水蒸氣組分參考文獻[1] Schlinger, W. G. , Kolaian,J H. ,Quintana, M. E. , Dorawala,T. C. ,Texaco coal gasification process for producion of clean synthesis gasfrom coke[ C]//1985 Spring National Meeting and Petro Expo ' 85-Amerian Istite of Chemical Engineers. AICHE,New York ,NY,USA:1985 :539 -541.2] Jahnke ,Fred C. Current plans for the Texaco Gesifcation Power Systems( TGPS)[C]/Proc. 57th Annual American Power Conference. Part1 (of 3). Chicag,IL,USA,1995:132 -145.3] Guo,R, Cheng,C. X. ,Zheng, Bao,X. , Wang, Y. ,Long period and safety running analysis of Texaco coal gaifcation process and units[J].Hsi-An Chiao Tung Ta Hsuch ,2005 ,39(8) :94997.94] 趙永志水煤漿氣化爐激冷室下降管內(nèi)流動與傳熱數(shù)學(xué)模擬[J].化工學(xué)報,003,54()11511[5] 李云,顧兆林等.氣化爐激冷室工作過程數(shù)學(xué)模擬[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,000,14(2) :134-138.6] 李云,顧兆林,馮霄.利用雙流體模型研究不同煤種對煤氣化激冷過程的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2004 ,34(8) :83-87.[7] Hir cW ,Nichols BD. Volume of fuid( VOF )method for the dynamis of free boundarie[J].J. Comput Phys,1981 ,39(2) :201 -225.[8]王亦飛,盧瑞華 ,蘇宜豐等.新型水煤漿氣化爐內(nèi)洗滌冷卻管的溫度分布[J].華東理工大學(xué)學(xué)報2006 ,32(3) :00-30.Investigation on Gas-Liquid Heat and Mass Transfer inVertical Pipe of Texaco Gasifier Quench ChamberLI Tie' ,YUAN Zhu-lin2(1. Energy and Power Engineering College, Northeast Dianli University ,Jilin Jilin 132012;2. College of Energy and Environ-ment ,Southeast University ,Nanjing Jiangsu 210096)Abstract: Two-dimensional gas-liquid direct-contact heat-mass transfer in vertical pipe of CwS entrained-flowgasifier was simulated using VOF multiphase flow model. Water vapor difusion in the syngas, surface tensionand radiation heat transfer were considered when establishing the mathematics model. The corresponding exper-iment was conducted to validate the simulation results , and the numerical prediction of the temperature disti-bution was in a good agreement with experiment. With this model ,the中國煤化工flow pattemof the flling water film with or without phase change were predicted.:YHCNM HGKey words: Texaco gasifier; Flling water film; VOF ;Simulation