德士古气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究.pdf

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1、第33卷第3期东北电力大学学报Vo1．33．No．32013年6月JournalofNortheastDianliUniversityJun．，2013文章编号：1005—2992(2013)03—0047—05德士古气化炉激冷室下降管内气液传热传质过程研究李铁，袁竹林2(1．东北电力大学能源-~jJja：程学院，吉林吉林132012；2．东南大学能源与环境学院，江苏南京210096)摘要：采用VOF多相流模型建立德士古气化炉激冷室下降管内气液两相直接接触热质传递的二维数学模型。模型考虑了合成气内部组分扩散，表面张力作用和辐射热传递。同时进行了

2、实验研究以验证模拟结果，数值预测的温度分布与实验吻合良好。采用所建立的模型预测了水蒸气浓度分布和有无相变时降膜流动流型。关键词：德士古气化炉；降膜；VOF模型；数值模拟中图分类号：TQ546．5文献标识码：A德士古水煤浆气化炉激冷室采用下降管降膜冷却。由气化炉流出的合成气携熔融态灰渣与下降管内壁激冷水降膜直接接触传热，合成气被迅速冷却并增湿，熔融态灰渣骤冷凝固。这种冷却技术既高效又简单n引。降膜动力学与热力学理论是衡量冷却与增湿效率的基础，尤其对了解下降管运行环境，防止降膜断裂具有重要作用。由于下降管内多相传热传质过程的复杂性，使得试验和管内动

3、力学与热力学参数测量十分困难。采用数值模拟方法，能够在高温同时不破坏流场的条件下获得管内流场、温度场分布规律以及降膜流动特性等。赵永志采用焓分析方法对下降管内传热传质过程进行了数值模拟。李云刮对管内气相流场进行了数值模拟，模型将降膜蒸发产生的水蒸气处理为壁面边界条件，忽略降膜和熔渣流动传热影响，模拟获得了下降管内温度分布规律，研究证明管内的辐射传热是主要的传热方式。以上研究从不同角度描述了下降管内流动和传热传质过程，但没有对降膜流型、合成气增湿等降膜流动细节给出定性和定量描述。本文基于德士古结构的实验室规模水煤浆气化炉激冷室的运行数据建立数学模

4、型。不考虑熔融态灰渣对流场的影响，采用Hirtr界面追踪技术的VOF方法描述下降管内的气液界面波动。由于问题涉及的传热传质过程不仅存在于气液两相间，也发生于水蒸气和合成气组分之间，因此能量方程、体积变化和组分传递方程都考虑了蒸发过程的影响，通过修改控制方程源项形式处理该过程。数值计算获得的管内轴向温度分布与实验研究吻合良好，进而预测了降膜流型和整个管内的水蒸气浓度分布规律。1数学模型1．1自由界面追踪下降管内的两相流动相间互不贯穿非稳态流动。采用VOF技术对移动气液界面进行追踪。对于模型中的每一相都作为计算网格内体积分数为的O／变量。在每一个控

5、制容积内，两相体积分数之和为1。O／g+=1，(1)其中，下标表示水相，g表示合成气。收稿13期：2012—08—18基金项目：东北电力大学博士启动基金(BSJXM一201201)；国家重点基础研究发展计划项目(2010CB227002—05)作者简介：李铁(1979一)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学能源与动力工程学院副教授，博士，主要研究方向：多相流理论及数值模拟．东北电力大学学报第33卷流程内所有变量和属性由两相共享并表示为体积平均值。同时，出现在传递方程中的平均属性如密度、粘度由下式计算，其他属性(如比热)也按此方法计算。+g+，(2

6、)P=g+OLwp．(3)合成气与水相界面的追踪由求解第二相(水被定义为第二相)体积分数方程得到。OOLw+V‘()=一m，(4)合成气体积分数由公式1得到。1．2动量方程VOF模型求解单一的动量方程，计算的速度场由两相共享。动量方程求解依赖于两相体积分数、密度和粘度。()+V·(p)=一p+Pg+V·[(+)]+．(5)1．3水蒸气组分传输方程合成气内部水蒸气组分传递由下式求解：(pl，)+V·(py)=一．，+sz，(6)其中，】，和P分别为水蒸气质量分数和密度。Js为蒸发源项，数值上等于S，．，为水蒸气扩散通量，由下式计算：．，一(pvD

7、+l，)，(7)式中：D为水蒸气扩散系数，s。湍流施密特数为湍流粘度。1．4能量方程景()+V．[(+p)]=V‘(k．fsVT)+Q，(8)VOF模型将能量E作为质量平均值：E：—OGpwEw+olgpgEg—．(9)OLP"+agpg其中，E和基于该相比热和共享温度。有效热传导系数k由两相共享。Q来自辐射和蒸发。1．5质量传递降膜自由表面蒸发处理为体积分数和组分传递方程中质量源项s和Js。采用商业软件Fluent6．3用户自定义函数求解。本文假设水为当地压力下的饱和温度，由高温合成气传递到水的热量全部被水降膜蒸发而吸收。当温度高于饱和温度时

8、降膜蒸发公式如下：S=Sf=Cp(—。)／L，(10)式中：c为常压下水的比热；T为网格内温度；。为当地压力下水的饱和温度；为水的潜热。1．6表面张力