第43卷第2期煤化工Vol.43 No.22015年4月Coal Chemical IndustryApr. 2015煤氣化裝置中黑水角閥內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化研究王永洲',陳暢?,李作為2(1.兗州煤業(yè)榆林能化有限公司甲醇廠,陜西榆林 719000;2.北京航天石化技術(shù)裝備工程公司,北京100076)摘要為解決煤氣化裝置中黑水角閥閥體損壞嚴(yán)重的問題，建立3種具有不同流動(dòng)曲面的黑水角閥幾何模型,采用CFD軟件Fluent中k-e模型,對(duì)黑水角閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析。結(jié)果表明,通過改變閥體入口和出口的曲率半徑,在黑水角閥內(nèi)部流場(chǎng)的不同位置產(chǎn)生渦流,可改變流體的流動(dòng)方向,從而影響閃蒸和氣蝕的發(fā)生位置,避免在閥體處發(fā)生氣蝕,減輕對(duì)閥體的損壞。關(guān)鍵詞煤氣化, 黑水角閥,內(nèi)部流場(chǎng),曲率半徑,CFD,模擬,優(yōu)化文章編號(hào): 1005-9598 (2015) -02-0024-03中 圈分類號(hào):T0055文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A引|言流道模型,用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格處理,用CFD數(shù)值模擬軟件Fluent進(jìn)行三維流場(chǎng)模擬[5],對(duì)具有3種黑水角閥是德士古煤氣化裝置上的關(guān)鍵閥門,用不同流動(dòng)曲面的黑水角閥模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,為于控制氣化爐、洗滌塔和閃蒸罐出口處黑水的流量、進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),提供理論依據(jù)。壓力,其工況具有高壓差、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕、介質(zhì)中含有固體顆粒的特點(diǎn)。在煤氣化工段中,介質(zhì)主要為高1黑水角 閥閥體受損情況溫的黑水、渣水或灰水,最高溫度可達(dá)240 C左右,最大壓差可達(dá)7. 5 MPa,使用工況非?？量蘙-2)。黑水、渣黑水角閥使用一定周期后,通過觀察閥座及閥體水及灰水中含有氯離子、氨鉀鹽、硫化氫或磷酸等強(qiáng)沖蝕情況,可以發(fā)現(xiàn),在使用過程中,閥座的文丘里段腐蝕介質(zhì),并含有固體顆粒,因此流體在閥門中的流發(fā)生了嚴(yán)重的側(cè)向沖蝕,造成沖穿，對(duì)閥體相同部位場(chǎng)分布以及流速的分布對(duì)黑水角閥閥體及閥芯閥座造成損傷,嚴(yán)重影響了裝置的正常安全運(yùn)行。同時(shí),由等節(jié)流零部件的使用壽命會(huì)產(chǎn)生較大的影響4。于閥體損壞嚴(yán)重,必須更換整閥,導(dǎo)致后期成本升高。具有不同結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外黑水角閥,會(huì)使流體在閥經(jīng)初步分析,認(rèn)為嚴(yán)重的單側(cè)沖蝕與閥門的內(nèi)部體內(nèi)的流向發(fā)生90°變化,其流路簡單,阻力小,滲漏結(jié)構(gòu)有著緊密的關(guān)系。為了進(jìn)一步分析沖蝕原因,對(duì)內(nèi)少,適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒狀物質(zhì)部流場(chǎng)流動(dòng)與閥門結(jié)構(gòu)的關(guān)系,進(jìn)行了有關(guān)研究。流體的調(diào)節(jié),可以避免結(jié)焦、堵塞,也便于自清洗。通過了解黑水角閥某現(xiàn)場(chǎng)使用情況.發(fā)現(xiàn)具有不2計(jì)算模型的建立同流動(dòng)曲面的閥體使用壽命相差較大。為了研究不同流動(dòng)曲面曲率對(duì)黑水角閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響,優(yōu)化黑水縱觀國內(nèi)外廠商的角閥結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)所查閱過的角角閥內(nèi)部流場(chǎng),北京航天石化技術(shù)裝備工程公司調(diào)節(jié)閥閥體入口和出口都呈90°,但是流動(dòng)曲率半徑各有閥組選用相同閥體口徑、相同內(nèi)件結(jié)構(gòu)和尺寸,相同差別,可以初步判斷流動(dòng)過程中的曲率半徑是關(guān)鍵參閥門開度，不同流動(dòng)曲面的閥體結(jié)構(gòu)的黑水角閥,利數(shù)之一。根據(jù)這一推斷,使用Solidworks2012三維設(shè)用三維造型軟件Solidworks2012 ,對(duì)黑水角閥建立了計(jì)軟件,建立幾何模型。不同閥體結(jié)構(gòu)的黑水角閥物中國煤化工收稿日期:2014-11-23JYHCNMHG專業(yè)，現(xiàn)從事化作者簡介:王永洲(1980- ), 男,陜西西安,工程師,學(xué)士,2004年畢業(yè)于空軍上在八月開Ut議工儀表維護(hù)技術(shù)工作, E-mail:chench@calt11. cn。..26-煤化工2015年第2期6. 32e+066. 33e+055. 97e+065. 94e+t06s. 10e+064. 78+064. 69e+049510 .4.39<+064 28et4 26+063. 46e+063. 23e+063. 05++063. 58e-062.84e+062 64e+061.68e+061. 41e-062. 2+01. 30e+061.00-661.870+069. 10e+055 94et95-2.26e-05-2 50e+05長36e-058 37e+05-1. 05e+06-1. 410+06-1. 87e+06(a)曲率半徑350 mm(b)曲率半徑150 mm(c )曲率半徑100mm圖3黑水角閥靜壓分布云圖和局部放大圖可以得到以下結(jié)論:(1)當(dāng)閥體曲率半徑作為唯一變量,而其他條件恒定的情況下,不同曲率半徑對(duì)總壓分布的影響不大。(2)流體對(duì)閥體的沖蝕程度遠(yuǎn)小于對(duì)出口管道的氣蝕和沖蝕。(3)閥體的曲率半徑直接影響出口流體流向和汽(a)曲率半徑(b)曲率半徑 (c)曲率半徑蝕發(fā)生的位置,選擇合適的曲率半徑(R=150mm,350350mm150mm100mmmm),可以有效地避免在閥座單側(cè)壁面發(fā)生氣蝕,縮短圖4黑水角閥速度矢量圖壓力恢復(fù)時(shí)間,從而縮短閥座長度,優(yōu)化設(shè)計(jì)。面,產(chǎn)生了很大的壓差阻力。(4)選擇合適的曲率半徑(R=150 )可以有效地通過調(diào)整流動(dòng)曲面的曲率半徑(見圖4b),改善避免由于邊界層分離產(chǎn)生的渦流，降低壓差阻力,使了流體流動(dòng)性,避免了閥座出口處渦流的產(chǎn)生,降低閥座出口處速度云圖呈倒錐狀分布,在流道中部產(chǎn)生了壓差阻力,同時(shí)閥體出口速度分布均勻,過節(jié)流面汽蝕,減輕了氣蝕對(duì)出口流道的破壞,增加了閥門的后,速度迅速降低，這樣可以有效地縮短氣蝕等對(duì)出使用壽命。口流道破壞的長度,可延長閥座使用壽命,保證閥門參考文獻(xiàn):長期安全可靠運(yùn)行。3.4結(jié)果分析[1]郭鳳忠.煤化工用黑水角閥的研制[J].閥門,2011(3):存在黏性和逆壓力梯度是流體發(fā)生邊界層分離31-32.的必要條件",在黑水角閥中的流體滿足這兩種條件,[2]張玉卓.中國煤炭液化技術(shù)發(fā)展前景[J].煤炭科學(xué)技所以就有可能產(chǎn)生邊界層分離。邊界層分離后,有可術(shù),2006 ,34(1):19-22.能會(huì)產(chǎn)生倒流,即產(chǎn)生漩渦,如圖1(C)模型所示，渦[3]王新昶,孫方宏,孫樂申,等.高壓差高固含量減壓閥的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011 ,45(11):流的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致很大的壓差阻力,使壓力恢復(fù)時(shí)間較1 597-1 601.長,擴(kuò)大了氣蝕區(qū)域,縮短了閥座的壽命,所以應(yīng)該盡[4]偶國富,饒杰,章利特,等.煤液化高壓差調(diào)節(jié)閥空量避免渦流的產(chǎn)生。通過改變閥體的曲率半徑,可有蝕/沖蝕磨損預(yù)測(cè)[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2013,33(2):155效地避免渦流的產(chǎn)生(如圖1a模型和圖1b模型所-161示),并且保持流體呈倒錐狀分布流動(dòng)(如圖1a模型[5]王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].所示),使汽蝕發(fā)生在閥座出口流道的中心部位,遠(yuǎn)離北京:清華大學(xué)出版社, 2004: 122- 125.壁面,有效減輕了汽蝕對(duì)閥座出口流道的破壞。[6]劉芳.控制閥閃菜和空化現(xiàn)魚乃陽塞流的計(jì)算[J].4結(jié)論石油化]中國煤化工[7]陳懋章.|YHCN M H G.京:高等教育出根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況的比較,版社,2002. .(下轉(zhuǎn)第38頁).- 38-煤化工2015年第2期醇中平均雜醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.04%,使用兩種催化劑MK151的產(chǎn)能最大化。生成的粗甲醇品質(zhì)方面差別不大。因此，初期活性階段,MK151與MK121在催化劑的選擇性方面基本相當(dāng)。參考文獻(xiàn): .[1]韓文光.化工裝置實(shí)用操作技術(shù)指南[M].北京:化學(xué)4結(jié)語工業(yè)出版社, 2001: 148.通過對(duì)比MK151催化劑與MK121催化劑初期活[2]趙紹民合成氣成分對(duì)甲醇合成生產(chǎn)的影響[J].煤化工, 2003.31(4):42.性階段的實(shí)際運(yùn)行情況，可以得出: MK151的平均CO[3]馮元奇，李關(guān)云.甲醇生產(chǎn)操作向答[M].北京:化學(xué)工單程轉(zhuǎn)化率較MK121的C0單程轉(zhuǎn)化率高5. 6%，業(yè)出版社, 2008 : 186-188.MK151的最大生產(chǎn)負(fù)荷較MK121的最大生產(chǎn)負(fù)荷高[4]錢盛,李衛(wèi)東.影響甲醇合成催化劑時(shí)空收率的因6. 9%, MK151的實(shí)際產(chǎn)能大于MK121的產(chǎn)能。咸陽化素[J].中氮肥,2002(1):3-5.工在總結(jié)MK121催化劑使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用[5]周道康.甲醇合成催化劑1K-101在國內(nèi)某裝置上的MK151的過程中，充分地利用MK151的活性，可使應(yīng)用探討[J].云南化工, 2002(4):20.Comparison of the MK151 and MK121 Methanol Catalyst in the 600 000 t/a UnitAn Bo(Shaanxi Xianyang Chemical Industry Co., Ltd., Xianyang Shaanxi 712000, China)Abstract The HTAS methanol synthesis process was sketched and the performance and characteristics of the MK151and MK121 catalysts were introduced, respectively. Analysis and comparison of the service of the two catalysts were madebased on their data of loading, reduction and initial activity, which indicated that the average CO conversion per pas of MK151was better than that of MK121, the maximum production capacity of MK151 was greater than that of MK121 and the productionload of MK151 was 6.9% higher than that of MK121.Key words methanol, synthesis, MK151 catalyst, MK121 catalyst, activity(上接第26頁)Research on the Optimization of Intermal Flow Field of the Black WaterAngle Valve in the Coal Gasification UnitWang Yongzhou', Chen Chang' and Li Zuowei?(1. Yulin Enengy & Chemical Co., Ltd, Yanzhou Coal Mining, Yulin Shaanxi 719000, China;2. Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Corporation, Beijing 100076, China)Abstract Black water angle valves used for commercial direct coal gasification suffered serious damages on their bodies.Three geometric models of black water angle valves with different curved flow surfaces were built up. Simulating calculationand analysis were performed with the help of the k-ε model of the CFD for the intemal flow field of the valve. The resultindicated that there existed vortexes at diferent locations of the intemal flow fields with the change of the curvature radius ofthe inlet and outlet of the valve body, which changed the direction of the flow, and that caused an impact on the location of theflash and cavitation. This change avoided cavitation at the valve body, thus alleviated its damage.Key words coal gasification, black water angle valve, intemal flow field, curvature radius, CFD, simulation, optimization中國煤化工MYHCNMHG .