第34卷第4期西安交通大學(xué)學(xué)報Vol.34 No42000年4月JOURNAL 0F XI'AN JIAOTONG UNIVERSITYApr. 2000文章編號0253-987X( 2000 )04-0082-04氣化爐內(nèi)~下降管傳熱傳質(zhì)過程的模擬，李云，顧兆林，郁永章,馮霄(西安交通大學(xué),710049 ,西安)摘要:建立了氣化爐下降管傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值計算據(jù)此分析了下降管內(nèi)合成氣的溫度分布與進(jìn)口流速等參數(shù)的關(guān)系.研究表明渭河化肥廠氣化爐下降管內(nèi)的氣體溫度可以從1 673 K降低到570 K ,且降低氣化溫度或氣化室的出口流速和增加下降管的長度均對激冷室內(nèi)氣體的降溫有利.關(guān)鍵詞:氣化爐;下降管傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模擬中圖分類號: TK124文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :AHeat and Mass Transfer of Vertical Pipe Coal GasifierLi Yun，Gu Zhaolin，Yu Yongzhang , Feng Xiao( Xi'an Jiaotong University , Xi' an 710049 , China)Abstract: Turbulent flow and heat transfer of the synthetic gas stream flowing downward in aquenched pipe are analyzed numerically. The gas tempertature distributions are obtained for differentinlet velocity , pipe length and gasifying temperature. Numerical results showed that the sy nthetic gastemperature in quenched pipe of a coal gasified in W eihe Fertilizer Plant may be reduced from 1637 Kto 570 K. Numerical results also revealed that the reduction of gasifying temperature and the outlettemperature of the gasifier chamber ,or increase of the quenched pipe length can all profit the gas cool-ing in the quenched pipe. .Keywords: coal gasifier ;vertical pipe ;heat and mass transfer ;inumerical sim ulation .水煤漿加壓氣化技術(shù)因其煤碳轉(zhuǎn)化率高、氣化在激冷室下降管中氣體的工作過程建立了數(shù)學(xué)模爐結(jié)構(gòu)簡單及環(huán)境污染小,而在合成氨、甲醇等領(lǐng)域型并通過數(shù)值計算分析了下降管中氣體的工作過具有廣泛的應(yīng)用.對于采用激冷流程的氣化爐來說，程.其工作的可靠性和穩(wěn)定性受到激冷室工作穩(wěn)定性的嚴(yán)重影響因為在激冷室內(nèi)氣體的傳熱傳質(zhì)過程很1下降管工作過程和數(shù)學(xué)模型復(fù)雜所以對激冷室內(nèi)工作過程的研究,-直受到企業(yè)及研究設(shè)計人員的重視.由于實驗研究相對比較1.1中國煤化工困難所以理論研究顯得非常重要.本文針對陜西渭MYHCNMHG氣化室與激冷室合為一河化肥廠30萬t/a合成氨裝置的TEXACO氣化爐體激冷室主要由激冷環(huán)、下降管和上升管等組成收稿日期:1999-05-06.作者簡介:李云,女,1968年12月生博士生馮霄聯(lián)系人),女化學(xué)工程學(xué)院化工機(jī)械與設(shè)備系教授施數(shù)掘?qū)?第4期李云籌:氣化爐內(nèi)下降管傳熱傳質(zhì)過程的模擬(見圖1 ).其中激冷環(huán)下接下降管下降管下端浸想氣體.入黑水中.激冷水泵從碳黑洗滌塔底部把激冷水送針對合成氣,可列出圓柱坐標(biāo)系下二維的連續(xù)入激冷環(huán)激冷水經(jīng)激冷環(huán)分配室24個小孔噴射進(jìn)方程、動量方程和能量方程，以及水蒸氣擴(kuò)散方程入激冷環(huán)室迅速吸收合成氣傳給激冷環(huán)的熱量以其坐標(biāo)系見圖1.保持激冷環(huán)的表面溫度水溫略為上升再由8 mm .連續(xù)方程1]寬的環(huán)形槽縫流出沿下降管內(nèi)表面呈膜狀下流與1 Xpu), Xou)=0(1)高溫、高壓的合成氣并流接觸.工藝氣體在流動過程r Ardx中進(jìn)行傳熱和傳質(zhì).-方面高溫的合成氣通過輻射式中:p為合成氣的密度;r、x分別為下降管的徑向和對流將熱量傳遞給水膜使水膜內(nèi)的水部分汽化,和軸向坐標(biāo)(見圖1 );u、v為軸向和徑向速度.并進(jìn)入合成氣主流,使合成氣的溫度急劇降低并增動量方程1]濕另一方面激冷水要保持足夠水量這樣水膜內(nèi)x(0u2)+ LXrup)= [(μ+)票]+ .雖然不斷有水蒸發(fā)但水膜依然存在,且均勻分布在drax下降管的內(nèi)壁面,因此水膜的溫度保持不變，可以保,[(μ +μ)1-線+ μx)+王(du護(hù)下降管免受高溫?zé)釕?yīng)力的破壞.同時為了除去大1.日TPeff部分碳黑和灰渣把合成氣沖入黑水中，以滿足后續(xù)r di工段的需要.Xouv)+ 1 (02)=尋((μ+從)鄂]+Jxx高溫氣體1錄(μ+心)號]-au1. ar+o:r drdu、2μeffD澉冷水激冷環(huán)下降管.邊界條件:x =0,u= uimir=1u=uw J(2)式中u μ分別為合成氣動力粘性系數(shù)及湍流動力粘性系數(shù)ipa=μ+μ ip為壓力;un為下降管進(jìn)口流速;uw為壁面上激冷水的流速.圖1激冷室結(jié)構(gòu)示意圖能量方程1]1.2數(shù)學(xué)模型XpuT)+ 1 pvT)_ 3[(叢+些+在建立數(shù)學(xué)模型之前我們對下降管內(nèi)的實際日xpr σ'子x情況做^了-定的簡化，以便于問題的解決.1(,[(叢+凹)]+ Sn( 1 )由于下降管的壁面有水膜存在,可認(rèn)為下降Dr管的壁溫保持不變,即為下降管工作壓力相對應(yīng)激邊界條件:r = 1 ,T= Twx =0,T= Tin冷水的飽和溫度.(3)(2壁面上有水蒸氣蒸發(fā)并進(jìn)入到主流中速式中:T為合成氣溫度;Tw. Tm分別為合成氣在下度為壁溫下水蒸氣的蒸發(fā)速度溫度為下降管工作降管水膜的壁面溫度及下降管入口溫度ip,為壓力相對應(yīng)的水蒸氣的飽和溫度.Prandtl數(shù)iσ,為Schimdt數(shù);Sp為能量方程的源(3)氣體的入口為均勻流速流動處于紊流狀項.中國煤化工態(tài).YHCNMHG射換熱計算中多通量(4)由于合成氣中灰份的體積濃度比較低模型中的雙通量模型,由于氣體的輻射傳熱作用在(0.03% ~ 0.05% )所以僅考慮合成氣的流動忽略徑向比軸向大得多,因此可只考慮徑向的雙通量模氣體相中的灰份對合成氣流場流動和傳熱的影響.型2]在柱坐標(biāo)系中( 5 )根搪煢倦爐設(shè)計工藝包,合成氣可看作是理SR = 2a( qμ- σT4)(4)34西安交通大學(xué)學(xué)報第34卷1d_r_dqr1.0-rdra+σ。dr)= d(qR-σT4)邊界條件:0.6)w =Ew( 9n-σT*)}了0.2| ●:實驗rdra+σ。drw(2- εw )8一:計算(5)-0.20.0 02- o.40.6 08 To式中:qp為合成氣輻射換熱量;a、σ、σ。分別為吸收圖2軸向平均速度分布系數(shù)、輻射換熱系數(shù)和散射系數(shù);e w為壁面發(fā)射率.狀態(tài)方程●:實驗p=ρRT(6)一;計算g0.0.02|水蒸氣擴(kuò)散方程3]x pum)+ Xpum)_ 1 ?( oD.rami0.00%.0 0.2二0.4o.0.8 T0.日xJrrJr.Rr=1 ,m;=1 ir= 0 ,m; = m;o圖3紊動能分布(7)式中:m;為水蒸氣的質(zhì)量濃度;m;為下降管進(jìn)口圖4~圖6顯示了在已知條件下經(jīng)過計算后水蒸氣的質(zhì)量濃度;D;為擴(kuò)散系數(shù).的下降管溫度場.結(jié)果表明氣體溫度從1 600 K可由于沒有下降管出口邊界條件的任何信息故以降低到570 K ,且主要溫度降是在下降管的上半假設(shè)在出口邊界的擴(kuò)散系數(shù)較小，此處呈強(qiáng)烈單向部完成的.如圖4所示氣體在下降管的0~2 m內(nèi),狀態(tài)，可按照局部單向化處理1].溫度從1600K降低到800K溫度差近800K,這1.3 方程求解說明氣體在下降管上半部分傳熱非常劇烈.實際運(yùn)利用有限差分法對所有微分方程和邊界條件行情況也表明,下 降管的損壞大多發(fā)生在其上半部進(jìn)行離散求解.離散格式為QUICK格式紊流計算分.圖4還對不同氣體的進(jìn)口溫度對降溫過程的影模型用K-c模型4]壁面處采用壁面函數(shù)法,利用響進(jìn)行了比較不同氣體的進(jìn)口溫度說明了氣化爐Gauss-Seiudel方法進(jìn)行迭代并使用松弛因子.氣化溫度的變化而氣化溫度往往取決于不同的煤種.液態(tài)排渣氣化爐的操作實踐表明,為了正常排2計算結(jié)果及分析渣灰渣粘度不宜超過250 Pa s而不同的煤種由于含灰量的比例和成分不同灰溶點(diǎn)和灰渣粘度也不利用本模型對圓管突擴(kuò)流動進(jìn)行了計算,并和同.因此不同煤種的氣化溫度是不同的通?？刂茖嶒灁?shù)據(jù)'5]進(jìn)行了比較.其中,Re=8.4x 104半徑的氣化溫度超過灰溶點(diǎn)50~ 100 C.從圖4中還可比R2/R為1.9 ,突擴(kuò)圓管進(jìn)口流速Uo= 27.9以看出,盡管出口溫度從1800K降低到1350K,m/s.圖2和圖3是軸向平均速度Ux和紊動能K在軸向長度x/突擴(kuò)臺階高度H( H= R2- R;)=22 00-:T=1 800 K時圓管徑向截面分布的比較其中圖3的實驗值是1 600●:T-i 350 K按照K=(+u經(jīng))(2U$S]將實驗數(shù)據(jù)處理后得到的紊動力能值.可以看出,計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)送1 200是比較吻合的.已知?dú)饣癄t的主要參數(shù)有:氣體進(jìn)口流速為3中國煤化工m/s氣體成分有CO、CO2、H2、H2O等,下降管進(jìn)口YHCNMHG.δ 4.0 5.0溫度為1400 C進(jìn)口密度為9.91 kg/m3激冷水進(jìn)L.UL /m口溫度為250 C ,下降管的半徑R為0.43 m管長.圖4不同氣化溫度時下降管截面平均溫度的變化L為4.5 m主要計算結(jié)果見圖4~圖7.第4期李云籌:氣化爐內(nèi)下降管傳熱傳質(zhì)過程的模擬85但是下降管下端的氣體出口溫度變化并不大,這是由于進(jìn)口溫度的提高,使下降管上半段的氣體溫度與蒸汽溫度相差更大傳熱更多所以到了下降管的出口影響就小多了.0.8~圖5則表明氣體在下降管的降溫與氣體進(jìn)口.流速的關(guān)系很大不同氣體的進(jìn)口流速表明操作工0.6況是氣化爐的部分負(fù)荷、額定負(fù)荷或超負(fù)荷.流速越0.400.0 0.10.20.).4o.s1 600p-:U=3 m/sR/m+:U=2m/s圖7不同位置'下降管水蒸氣的分布1 200-8003結(jié)論400.01.0203.0403.0L/m(1)降低氣化溫度有利于激冷室下降管氣體的圖5不同進(jìn)口流速時下降管截面平均溫度的變化降溫但氣化溫度會受到煤種性質(zhì)的限制.(2)降低下降管進(jìn)口流速，有利于激冷室內(nèi)下降低氣體出口溫度也越低.因為一方面進(jìn)口速度高，管氣體的冷卻. 同時,合成氣出口流速的降低,也有說明換熱負(fù)荷較大;另一方面進(jìn)口速度高使氣體利于合成氣在上升管內(nèi)進(jìn)行氣固分離,以減少氣體與激冷水的換熱時間減少，氣體的熱量還沒有來得的帶灰?guī)?在氣化爐尺寸一定的情況下進(jìn)口流速.及傳給激冷水就已經(jīng)到了出口.的降低,說明氣化爐操作負(fù)荷的減少。反之,在設(shè)計圖6研究了不同下降管的長度對合成氣溫度的氣化爐時,可以通過改變爐內(nèi)徑向尺寸來降低流速，影響.下降管的長度越長,合成氣的出口溫度就越以適應(yīng)較高的操作負(fù)荷.低,因為合成氣和激冷水之間傳熱面積的增加使得(3 )增加下降管的長度，有利于激冷室內(nèi)下降管降溫效果會越好.但是,由于下降管不僅要承受高氣體的降溫.但是,由于下降管是特殊材料制造的,溫、高壓還要耐腐蝕所以常由特殊材料制造材料所以價格非常昂貴應(yīng)綜合權(quán)衡.價格也昂貴，因此必須在追求良好降溫效果和材料成本之間尋找到最佳點(diǎn),以降低產(chǎn)品的最終成本.參考文獻(xiàn):圖7描述了下降管內(nèi)的水蒸氣在擴(kuò)散過程中，其分壓p;與飽和壓力pw之比在不同位置( x )的變[1]陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[ M ].西安西安交通大學(xué)出版社,化.計算說明水蒸氣的擴(kuò)散過程主要是在2 m內(nèi)的[2]范維澄. 流動及燃燒的模型與計算[ M ].安徽:中國科管長中完成的.技大學(xué)出版社,1992.1 800p二一最大符長Lm=3.8m[3]楊強(qiáng)生.對流傳熱與傳質(zhì)M ]北京高等教育出版社,.-+:最大管長Lm=5m19851400-. 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