林東杰，章 剛，霍耿磊，劉春雷，馬 超，劉 穎

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司，北京 101111)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)總量也在快速增長(zhǎng)。截止至2019年，我國(guó)進(jìn)口原油已經(jīng)達(dá)到5.06億t，對(duì)外依存度達(dá)到了70.8%[1-3]。因此，大力發(fā)展煤化工對(duì)于我國(guó)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，保證我國(guó)戰(zhàn)略能源安全有著十分重大的意義。

高壓粉煤氣化作為煤化工利用的重要途徑，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。眾所周知，我國(guó)煤炭豐富的地區(qū)又恰恰是水資源匱乏，環(huán)境容量小，生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)。因此，針對(duì)煤氣化的污染問(wèn)題和國(guó)家日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，具有環(huán)保性能的煤氣凈化和后處理設(shè)備成為了研究熱點(diǎn)。洗滌塔作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能效高的氣體凈化裝置，在合成氣凈化除塵領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，洗滌塔底部的氣體分布狀況對(duì)固體粉塵的潤(rùn)濕以及整個(gè)洗滌塔的壓降有著十分重要的影響。

本文主要針對(duì)四種不同的洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)，通過(guò)利用CFD模擬軟件對(duì)高壓下的合成氣洗滌過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得了不同時(shí)刻的壓力分布、氣/水體積分?jǐn)?shù)分布及進(jìn)口的平均壓力，為氣/水分布器的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 洗滌塔氣/水分布結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型

合成氣洗滌塔下部的氣/水分布器的主要作用是使氣體與水充分接觸，同時(shí)將氣體平穩(wěn)均勻進(jìn)入塔內(nèi)，為洗滌塔的塔板上粉塵的脫除打下良好的基礎(chǔ)。合成氣洗滌塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示[4-6]，主要包括內(nèi)筒、升氣筒和擋板等。根據(jù)洗滌塔的不同結(jié)構(gòu)，提出了4種不同的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。

圖1 洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)示意(mm)

圖2 合成氣洗滌塔四種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型示意

圖2中，四種簡(jiǎn)化模型分別為只有內(nèi)筒，內(nèi)筒和升氣筒，內(nèi)筒和擋水板、內(nèi)筒、升氣筒和擋水板。具體尺寸如表1所示。

表1 洗滌塔氣/水分布器結(jié)構(gòu)尺寸 m

2 模擬模型及邊界條件

針對(duì)洗滌塔氣/水分布器特點(diǎn)，利用流體體積函數(shù)法(VOF模型)進(jìn)行CFD模擬[7-9]。

Hirt，C .W .Nichols，B .D .[ 7]于1981 年在研究壓力容器流體自由液面時(shí)提出的適用于兩種或多種互不穿透流體相間界面追蹤計(jì)算的VOF模型。VOF模型通過(guò)將相的體積分?jǐn)?shù)作為變量引入計(jì)算單元中合成氣和液體被分別設(shè)定為第一和第二相，通過(guò)求解第二相體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程，跟蹤氣/液相之間的界面。該模型是目前研究自由液面問(wèn)題的理想方法。

針對(duì)洗滌塔合成氣洗滌的模擬條件及主要物性數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 洗滌塔結(jié)構(gòu)模擬邊界條件

表3 洗滌塔洗滌物性數(shù)據(jù)

3 結(jié)果與討論

3.1 不同結(jié)構(gòu)氣/水分布器壓力分布結(jié)果

四種不同結(jié)構(gòu)下合成氣洗滌塔氣/水分布段不同時(shí)刻的壓力分布結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 2s時(shí)不同分布器結(jié)構(gòu)壓力分布

圖4 4 s時(shí)不同分布器結(jié)構(gòu)壓力分布

圖5 7 s時(shí)不同分布器結(jié)構(gòu)壓力分布示意

由圖3～圖5可以看出，只有內(nèi)筒的情況下(結(jié)構(gòu)1)，不同時(shí)刻下，氣/水壓力的波及范圍較廣，在內(nèi)筒兩側(cè)大約0.8 m處形成了明顯的氣泡區(qū)，并且整體壓力梯度較大。

當(dāng)有內(nèi)筒和升氣筒(結(jié)構(gòu)2)存在時(shí)，氣/水壓力分布的波及范圍基本被控制在升氣筒之內(nèi)，并且由于氣體從內(nèi)筒與升氣筒之間的通道快速通過(guò)，因此整體壓力梯度小于結(jié)構(gòu)1[10-11]。

當(dāng)有內(nèi)筒和擋水板(結(jié)構(gòu)3)存在時(shí)，由于擋水板阻礙了內(nèi)筒附近的氣流上升，因此造成內(nèi)筒附近壓力梯度上升。這可以從圖5中的等壓線分布看出。同時(shí)，從圖3～圖5還可以看出，擋水板的存在進(jìn)一步加大了氣/水壓力分布的不均衡性和不穩(wěn)定性，波及范圍幾乎波及到了整個(gè)塔體。

當(dāng)內(nèi)筒、升氣筒和擋水板都存在時(shí)(結(jié)構(gòu)4)，氣/水壓力分布的波及范圍也基本被限制在升氣筒的范圍之內(nèi)，同時(shí)擋水板也存在著阻礙內(nèi)筒附近氣體上升，增大壓力梯度的作用，因此，結(jié)構(gòu)4的壓力梯度大于結(jié)構(gòu)2。

3.2 氣/水體積分?jǐn)?shù)及相界面分布結(jié)果

在合成氣洗滌過(guò)程中，氣泡的分布均勻性以及氣/水兩相接觸面積的大小對(duì)于整個(gè)合成氣的潤(rùn)濕，以及氣體中微塵粒徑的增長(zhǎng)有著十分重要的意義。因此，本文對(duì)四種結(jié)構(gòu)的氣/水分布進(jìn)行了模擬，不同時(shí)刻的氣/水分布結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 2 s時(shí)不同結(jié)構(gòu)水體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 4 s時(shí)不同結(jié)構(gòu)水體積分?jǐn)?shù)分布

圖8 7 s時(shí)不同結(jié)構(gòu)水體積分?jǐn)?shù)分布

對(duì)于結(jié)構(gòu)1，氣體流出內(nèi)筒后基本沿著內(nèi)筒外壁快速上升，合成氣與水之間有清晰的相界面。水面的波動(dòng)范圍也基本限制在內(nèi)筒兩側(cè)0.4 m左右的范圍，這也與前面結(jié)構(gòu)1的壓力分布影響范圍相一致。同時(shí)，從圖6和圖7的對(duì)比可以看出，由于沒(méi)有升氣筒存在，噴出的水下落形成的水面波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步影響氣體上升的氣流分布。

結(jié)構(gòu)2的模擬結(jié)果表明：當(dāng)只有升氣筒存在時(shí)，氣體也還是基本沿著內(nèi)筒外壁快速上升，氣/水相界面清晰。但由于有升氣筒存在，水面的波動(dòng)范圍基本被限制在升氣筒內(nèi)側(cè)，外側(cè)水面波動(dòng)較小。同時(shí)，由于有升氣筒存在，升氣筒外側(cè)的液面波動(dòng)對(duì)氣體的流動(dòng)基本沒(méi)有影響，因此流動(dòng)較為穩(wěn)定。

從結(jié)構(gòu)3的模擬結(jié)果可以看出，擋水板阻礙了氣體沿內(nèi)筒外壁的上升，增大了內(nèi)筒外壁處的壓力梯度，氣體有向外側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，因此大大加大了水面的波動(dòng)程度和波動(dòng)范圍。而由于沒(méi)有升氣筒的阻擋，水面的劇烈波動(dòng)進(jìn)一步加大了氣體流動(dòng)的不穩(wěn)定性。因此可以說(shuō)，結(jié)構(gòu)3下，整個(gè)塔體內(nèi)的氣/水都在劇烈波動(dòng)，流動(dòng)的平穩(wěn)性很差。

結(jié)構(gòu)4的模擬結(jié)果表明，雖然擋水板阻礙了內(nèi)筒外側(cè)的氣體流動(dòng)，增大了該處的氣體壓力，但由于升氣筒的限制，氣體無(wú)法向升氣筒外側(cè)流動(dòng)，因此水面的波動(dòng)范圍也基本被限制在升氣筒內(nèi)側(cè)。同時(shí)，由于升氣筒的阻擋，外側(cè)的水面波動(dòng)基本無(wú)法影響內(nèi)側(cè)的氣體流動(dòng)，整體流動(dòng)較為平穩(wěn)。最為重要的是，由于擋水板和升氣筒的聯(lián)合作用，合成氣和水在外筒和升氣筒間的狹窄通道內(nèi)較為均勻的氣/液混合區(qū)，沒(méi)有明顯的相界面，從而大大增加了粉塵的潤(rùn)濕面積。

3.3 氣體進(jìn)出口壓差模擬結(jié)果

合成氣洗滌塔的壓降基本集中在氣/水分布段。因此，研究該段的不同分布器結(jié)構(gòu)整體壓降和壓降的穩(wěn)定性對(duì)于降低合成氣洗滌塔能耗，提高操作穩(wěn)定有著十分重要的意義。

圖9 不同結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓降隨時(shí)間變化曲線

由圖9可以看出，結(jié)構(gòu)1的壓力波動(dòng)范圍為18～24 kPa，結(jié)構(gòu)2的壓力波動(dòng)范圍為17～20 kPa，結(jié)構(gòu)3的壓力波動(dòng)范圍為17～30 kPa，結(jié)構(gòu)4的壓力波動(dòng)范圍為22～25 kPa 。從模擬結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3的壓力波動(dòng)明顯大于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4，而且結(jié)構(gòu)3的壓力波動(dòng)十分劇烈。這是由于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3沒(méi)有升氣筒，從而導(dǎo)致水面的波動(dòng)影響了內(nèi)筒外氣體的流動(dòng)，加大了整體壓差的波動(dòng)。而結(jié)構(gòu)3中擋水板的存在進(jìn)一步加大了整個(gè)液面的波動(dòng)，從而引起了進(jìn)出口壓差的劇烈波動(dòng)。

結(jié)構(gòu)1和3的平均壓差要小于結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)4。這是由于升氣筒阻止了外側(cè)的水向氣體流動(dòng)通道的快速補(bǔ)充，從而減小了氣體通道內(nèi)的水含量從而減小了壓力損失。同時(shí)結(jié)構(gòu)3，4的壓降要大于結(jié)構(gòu)1，2。這是由于擋水板的存在阻擋了氣體流動(dòng)，從而增大了壓差。

4 結(jié) 論

利用VOF模型對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)的氣/水分布器的合成氣洗滌過(guò)程進(jìn)行了模擬，獲得了壓力分布、氣/水體積分?jǐn)?shù)分布、進(jìn)出口壓差等結(jié)果。

(1) 不同結(jié)構(gòu)壓力分布結(jié)果表明：升氣筒的存在能夠有效降低壓力波及范圍，而擋水板的存在會(huì)增加內(nèi)筒外側(cè)的壓力梯度。因此，從壓力分布的角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4是較為合理的氣/水分布器結(jié)構(gòu)。

(2)不同結(jié)構(gòu)氣/水分布結(jié)果表明：升氣筒的存在能夠有效減小水面的波動(dòng)范圍和外側(cè)水面波動(dòng)對(duì)于氣體流動(dòng)的影響。而擋水板能夠阻擋氣體沿內(nèi)筒外壁快速上升。因此，從氣/水分布的角度來(lái)看結(jié)構(gòu)4為較為合理。

(3)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓差結(jié)果表明：升氣筒防止外側(cè)液體快速補(bǔ)充，減小整體壓差，增加壓差的穩(wěn)定性有著十分重要的意義。因此，從壓差角度講，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4較為合理。

(4)綜合壓力分布、氣/水分布和壓差因素，結(jié)構(gòu)4是較為合理的氣/水分布結(jié)構(gòu)。