第33卷第3期東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)Vol. 33 ,No.32013年6月Journal of Northeast Dianli UniversityJun. ,2013 .文章編號(hào):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(dòng)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?jǐn)U散,表面張力作用和輻射熱傳遞。同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究以驗(yàn)證模擬結(jié)果,數(shù)值預(yù)測的溫度分布與實(shí)驗(yàn)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(shí)降膜流動(dòng)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(hào): TQ 546.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)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(duì)了解下降管運(yùn)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(yàn)和管內(nèi)動(dòng)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(shí)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(dòng)特性等。趙永志[4采用焓分析方法對(duì)下降管內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。李云[56] 對(duì)管內(nèi)氣相流場進(jìn)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(dòng)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(dòng)和傳熱傳質(zhì)過程,但沒有對(duì)降膜流型、合成氣增濕等降膜流動(dòng)細(xì)節(jié)給出定性和定量描述。本文基于德士古結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模水煤漿氣化爐激冷室的運(yùn)行數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。不考慮熔融態(tài)灰渣對(duì)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(dòng)。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(xiàng)形式處理該過程。數(shù)值計(jì)算獲得的管內(nèi)軸向溫度分布與實(shí)驗(yàn)研究吻合良好,進(jìn)而預(yù)測了降膜流型和整個(gè)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(dòng)相間互不貫穿非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。采用VOF技術(shù)對(duì)移動(dòng)氣液界面進(jìn)行追蹤。對(duì)于模型中的每一相都作 為計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)體積分?jǐn)?shù)為的a變量。在每一一個(gè)控制容 積內(nèi)，兩相體積分?jǐn)?shù)之和為1。ag +a。=1,(1)其中,下標(biāo)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(xiàng)目:東北電力大學(xué)博士啟動(dòng)基金( BSJXM - 201201);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)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(dòng)力工程學(xué)院副教設(shè),時(shí)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(bào)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(shí),出現(xiàn)在傳遞方程中的平均屬性如密度粘度由下式計(jì)算,其他屬性(如比熱)也按此方法計(jì)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?jǐn)?shù)方程得到。aa。at合成氣體積分?jǐn)?shù)由公式1得到。1.2動(dòng)量方程VOF模型求解單--的動(dòng)量方程,計(jì)算的速度場由兩相共享。動(dòng)量方程求解依賴于兩相體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)和密度。S,為蒸發(fā)源項(xiàng),數(shù)值上等于Sm,J為水蒸氣擴(kuò)散通量,由下式計(jì)算:1=-(.D+ e川,(7)S式中:D為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù),Sa湍流施密特?cái)?shù)Pu,為湍流粘度。1.4 能量方程點(diǎn)(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?jǐn)?shù)和組分傳遞方程中質(zhì)量源項(xiàng)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(dāng)?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(dāng)溫度高于飽和溫度時(shí)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(dāng)?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(dòng)量方程的源項(xiàng)。每個(gè)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(jì)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(xiàng)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(qiáng)度,T當(dāng)?shù)販囟?φ相位函數(shù),.2空間立體角。采用DOM模型計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)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(jì)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(gè)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(yàn)證為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)相對(duì)比。王根據(jù)相似原理,建立實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的氣流床氣化爐冷卻室實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。氣化爐進(jìn)料采用柴油和氧氣,忽略炭灰對(duì)下降管內(nèi)氣液流動(dòng)的影響,并假設(shè)管內(nèi)燃燒產(chǎn)物只有CO和H2。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室規(guī)模氣流床 氣化爐實(shí)驗(yàn)工況[8]現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)和低溫區(qū)。取3s時(shí)下降管內(nèi)氣液合成氣流量/Nm3●.h6.82兩相溫度分布,此時(shí)管內(nèi)兩相流動(dòng)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(yuǎn)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(duì)比了模擬預(yù)測溫度人口冷卻水流速/m●s0.55與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究方面具有國內(nèi)領(lǐng)先水平,但由于受實(shí)驗(yàn)環(huán)境和測量手段的限制,僅對(duì)常壓、合成氣人口溫度為1200K的條件下對(duì)管內(nèi)溫度分布規(guī)律進(jìn)行研究,本文將模擬與該實(shí)驗(yàn)獲得的溫度分布規(guī)律一致,驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與模擬值對(duì)比.0東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)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(dāng)不考慮相變過程時(shí),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(dāng)氣液界面發(fā)生質(zhì)量交換時(shí),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(dòng)和夾帶現(xiàn)象比頂部區(qū)域顯著。由于實(shí)驗(yàn)測量手段的限制,工業(yè)實(shí)踐中,合成氣實(shí)際入口溫度(1700 K)高于實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí),出現(xiàn)液滴夾帶現(xiàn)象,這表明管內(nèi)劇烈的流動(dòng)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(jìn)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(duì)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。可見，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(dòng)傳熱傳質(zhì)規(guī)律。模型給出了控制方程的質(zhì)量、動(dòng)量和能量源項(xiàng),考慮了表面蒸發(fā)與界面張力影響。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型可行性基礎(chǔ)上，進(jìn)--步對(duì)不同實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)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(jìn)-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(dòng)對(duì)水蒸氣分布的影響以完善模型。表1主要符號(hào)表英文符號(hào)_C水的比熱T計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)溫度水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)T.當(dāng)?shù)貕毫ο滤娘柡蜏囟葎?dòng)量方程源項(xiàng)時(shí)間重力加速度Sm質(zhì)量源項(xiàng)輻射強(qiáng)度蒸發(fā)源項(xiàng)有效導(dǎo)熱系數(shù)湍流施密特?cái)?shù)ke曲率法向向量散度沿程長度水蒸氣擴(kuò)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?jǐn)?shù)輻射方程源項(xiàng)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?jǐn)?shù)界面張力系數(shù)流體動(dòng)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(biāo)_g,w 氣相，液相水蒸氣組分參考文獻(xiàn)[1] Schlinger, W. 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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