一种LNG浸没燃烧式气化器用烟气分布器及其设计方法与流程

本发明涉及一种lng浸没燃烧式气化器用烟气分布器及其设计方法，属于化工技术领域。

背景技术：

近年来，随着国际能源供应紧张局势加剧和全国气候日益恶化，大力开发和高效利用天然气成为各个国家的优先战略措施。在整个天然气产业链中，lng浸没燃烧式气化器是高效的涉及气-液等多相体系的传热传质设备。由于其具有占地面积小、结构紧凑和换热效率高等特点，因此被广泛应用于lng接收站调峰系统。

烟气分布器是lng浸没燃烧式气化器系统中的一个重要零部件，其主要作用是均匀分布由浸没燃烧器产生的烟气，从而维持气化器壳程水浴中良好的气液两相流状态。可以说，烟气分布器的布气性能，直接决定着壳程气含率分布、气液两相流的流型、气泡的大小、气泡群的换热时间以及循环水浴的流动速度等，进而直接影响着整体气化器系统换热性能。

目前，国内化工设备领域中多采用管式气体分布器和板式气体分布器两种。然而由于上述两种气体分布器内气体流动均属于变质量流动，进而导致分支管上各个喷气孔的气体流量和压降不尽相同，具体表现为分支管上游排气孔的出口流量小于设计流量，下游排气孔的出口流量高于设计流量，即气体分布器整体布气性能具有很强的不均匀性。

上述气体分布器布气性能的不均匀性不仅与气体的流场相关，还与连接管道、喷气孔的结构参数密切相关。因此，研究这类典型气体分布器的布气机理，以及结构参数之间的无量纲关联关系，对于提高相应化工设备的运行效率是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的烟气分布器中的气体存在严重偏流的问题，提出了一种lng浸没燃烧式气化器用烟气分布器极其设计方方法，通过优化烟气分布器的结构参数和气体流动流场，解决气体在此类设备中存在的严重偏流问题，进而改善烟气分布器的布气性能。

一种lng浸没燃烧式气化器用烟气分布器，所述烟气分布器采用管式分布器结构；所述烟气分布器包括进气主管、多个分支管、喷气孔、堵板和盲板；所述分支管一端固定安装在所述进气主管的一侧管壁上；所述分支管沿进气主管的轴向方向一字型等距排列安装，并与所述进气主管相互连通；所述进气主管的末端管口处设有堵板；所述分支管的上管壁设有喷气孔，所述分支管的盲端设有盲板。

进一步地，所述进气主管采用变径结构，所述进气主管的前段管体直径大于所述进气主管1的后段管体直径。

进一步地，所述进气主管的前段管体直径为进气主管的整体管体长度的0.13—0.18倍；所述进气主管的后段管体直径为进气主管的整体管体长度的0.1—0.15倍。

进一步地，所述进气主管的前段管体直径为进气主管的整体管体长度的0.13、0.15或0.17倍；所述进气主管的后段管体直径为进气主管的整体管体长度的0.11、0.13或0.15倍。

进一步地，所述分支管采用椭圆管，所述分支管直径远小于所述进气主管的管径。

进一步地，所述分支管的直径为分支管盲端距离中心长度的0.04—0.06倍；相邻的两个分支管之间的中心线距离为分支管直径的9.5—11.5倍。

进一步地，所述分支管的直径为分支管盲端距离中心长度的0.04、0.05或0.06倍；相邻的两个分支管之间的中心线距离为分支管直径的9.5、10或11.5倍。

进一步地，每个所述分支管的上管壁均设有两排喷气孔；所述喷气孔沿所述分支管的轴向方向等距排列；所述喷气孔采用孔径大小尺寸不同规格的斜向圆孔所述喷气孔3包括大喷气孔和小喷气孔。

进一步地，所述喷气孔的开孔率为5—10％；所述喷气孔的开设角为25°～35°；所述开设角指的是圆孔中心线与竖直方向的夹角；所述喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔之间的孔间距的0.2～0.4倍；其中，所述大喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔之间的孔间距的0.3～0.4倍；所述小喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔之间的孔间距的0.15～0.25倍。

进一步地，所述喷气孔的开孔率为5—10％；所述喷气孔的开设角为25°、30°或30°；所述喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔之间的孔间距的0.2、0.35或0.4倍；其中，所述大孔喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔之间的孔间距的0.3、0.35或0.4倍，所述小喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔之间的孔间距的0.15、0.2或0.25倍。

一种lng浸没燃烧式气化器用烟气分布器的设计方法，所述设计方法主要以烟气分布器压降和喷气孔临界流量为控制指标确定烟气分布器，所述方法的具体过程包括：

步骤一、由于该烟气分布器属于管式分布器，气体在该设备中流动过程属于变质量流动，因此传统的伯努利方程不再适合描述该流动形式，相应地，需要引入“动量交换控制模型”来进行描述，因此，在传统的伯努利方程中引入“动量交换控制模型”对烟气分布器内的流体形式进行描述，流体形式表述为：

其中，p表示分支管静压，单位为pa；k表示动量恢复系数，通常取值范围为0.65-0.72；ρ表示气体密度，单位为kg·m-3；v表示分支管内烟气的轴向速度，单位为m·s-1；d表示分支管的直径，单位为mm；λ表示阻力系数，通常取值范围为0.015-0.03；x表示分支管所在截面轴向距离；

步骤二、假设烟气沿着分布器的每根分支管流动过程中的轴向速度v符合线性分布规律，则有：

其中，l表示分支管的长度，单位为mm；vi表示分支管入口处气体的流动速度，单位为m·s-1；

步骤三、计算每根分支管中的烟气沿程压力差δpx，所述烟气沿程压力差δpx为：

当x＝l时，即有：

步骤四、计算喷气孔的临界气体流量和压降的关系，所述算喷气孔的临界气体流量和压降的关系为：

其中，qi为第i个喷气孔处烟气的体积流量，单位为m3·s-1；ε为喷气孔流量系数，p为分支管静压，单位为pa；pf为相应喷气孔出口处的静压，单位为pa。

本发明有益效果：

本发明提出的一种lng浸没燃烧式气化器用烟气分布器极其设计方法，其烟气分布器以压降和喷气孔临界气体流量为整体控制指标，通过利用“动量交换控制模型”改善了传统管式分布器非均匀布气缺陷的问题，极大地提高了烟气分布器的工作性能，完全解决了气体偏流的问题。并且所述设计方法的整个过程简单可行，计算量小，有效降低设计过程中的错误率。同时，该烟气分布器结构形式简单，制造方便，布气性能良好。

附图说明

图1为浸没燃烧式气化器的结构示意图；

图2为本发明烟气分布器的三维示意图；

图3为本发明烟气分布器的侧视图；

图4为本发明烟气分布器分支管的三维示意图；

图5为本发明烟气分布器分支管的俯视图；

图6为本发明烟气分布器分支管的侧视图；

(1，进气主管；2，多个分支管；3，喷气孔；4，堵板；5，盲板)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

本实施例提供一种浸没燃烧式气化器用烟气分布器，所述浸没燃烧式气化器的结构如图1所示，其中，所述的烟气分布器位于气化器围堰内，其主要作用主要是均匀分布由浸没燃烧器产生的高温烟气，维持壳程水浴均匀的气液两相流流态，从而为管程跨临界lng气化提供良好的外部热源。

一种lng浸没燃烧式气化器用烟气分布器，如图2和图3所示，所述烟气分布器采用管式分布器结构；所述烟气分布器包括进气主管1、多个分支管2、喷气孔3、堵板4和盲板5；所述分支管2一端固定安装在所述进气主管1的一侧管壁上；所述分支管2沿进气主管1的轴向方向一字型等距排列安装，并与所述进气主管1相互连通；所述进气主管1的末端管口处设有堵板4进行封闭；所述分支管2的上管壁设有喷气孔3，所述分支管2的盲端设有盲板5。

所述的进气主管1内的烟气流动存在着分流过程，属于变质量流动，因此为了使得烟气能够较为均匀地分流到每根所述的分支管2内，增大后半段烟气的流速，所述的进气主管1的靠近进气口段处采用大管径结构，靠近堵板4处的管体采用小管径结构，即所述进气主管1采用变径结构，所述进气主管1的前段管体直径大于所述进气主管1的后段管体直径。所述进气主管1的前段管体直径为进气主管1的整体管体长度的0.13—0.18倍；所述进气主管1的后段管体直径为进气主管1的整体管体长度的0.1—0.15倍。

如图4至图6所示，为了有效地消除所述的分支管2入口处的气体偏流现象，本发明所述的分支管2采用椭圆形直管，其直径远小于所述的进气主管1，所述的分支管2一端采用盲板5封闭，所述的分支管2等距均匀的与所述的进气主管1相互连接，由此可以使得烟气从进气主管1分流到分支管2内。所述分支管2的直径为分支管盲端距离中心长度的0.04—0.06倍；相邻的两个分支管2之间的中心线距离为分支管直径的9.5—11.5倍。

所述的喷气孔3均匀交错地布置在所述的分支管2上部，供烟气喷出。上游喷气孔采用直径较大的结构，下游喷气孔采用直径较小的结构。这是因为分支管内烟气流动同样存在着分流现象，传统地喷气孔布置方式容易出现靠近分支管上游排气孔的出口流量小于设计流量，下游的喷气孔出口流量高于设计流量，即出现流量不均匀现象，因此本发明采用不同规格的喷气孔，从而使得各个喷气孔的出口流量一致，达到均匀布气的效果。

所述喷气孔3的开孔率为5—10％；所述喷气孔2的开设角为25°～35°；所述开设角指的是圆孔中心线与竖直方向的夹角；所述喷气孔2的直径为两个相邻的喷气孔2之间的孔间距的0.2～0.4倍；其中，所述大喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔2之间的孔间距的0.3～0.4倍；所述小喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔2之间的孔间距的0.15～0.25倍。

其中，本实施例中上述各部件尺寸的优选尺寸数据为：

所述进气主管1的前段管体直径为进气主管1的整体管体长度的0.13、0.15或0.17倍；所述进气主管1的后段管体直径为进气主管1的整体管体长度的0.11、0.13或0.15倍。

所述分支管2的直径为分支管盲端距离中心长度的0.04、0.05或0.06倍；相邻的两个分支管2之间的中心线距离为分支管直径的9.5、10或11.5倍。

所述喷气孔3的开孔率为5—10％；所述喷气孔2的开设角为25°、30°或30°；所述喷气孔2的直径为两个相邻的喷气孔2之间的孔间距的0.2、0.35或0.4倍；其中，所述大孔喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔2之间的孔间距的0.3、0.35或0.4倍，所述小喷气孔的直径为两个相邻的喷气孔2之间的孔间距的0.15、0.2或0.25倍。

实施例2

一种权利要求1所述烟气分布器的设计方法，所述设计方法主要以烟气分布器压降和喷气孔临界流量为控制指标确定烟气分布器，所述方法的具体过程包括：

步骤一、由于该烟气分布器属于管式分布器，气体在该设备中流动过程属于变质量流动，因此传统的伯努利方程不再适合描述该流动形式，相应地，需要引入“动量交换控制模型”来进行描述，因此，在传统的伯努利方程中引入“动量交换控制模型”对烟气分布器内的流体形式进行描述，流体形式表述为：

其中，p表示分支管静压，单位为pa；k表示动量恢复系数，通常取值范围为0.65-0.72；ρ表示气体密度，单位为kg·m-3；v表示分支管内烟气的轴向速度，单位为m·s-1；d表示分支管的直径，单位为mm；λ表示阻力系数，通常取值范围为0.015-0.03；x表示分支管所在截面轴向距离；

步骤二、假设烟气沿着分布器的每根分支管流动过程中的轴向速度v符合线性分布规律，则有：

其中，l表示分支管的长度，单位为mm；vi表示分支管入口处气体的流动速度，单位为m·s-1；

步骤三、计算每根分支管中的烟气沿程压力差δpx，所述烟气沿程压力差δpx为：

当x＝l时，即有：

在分支管入口速度一定的情况下，影响分支管内压力是否均匀分布的关键因素是分支管的长度和直径，进而，通过增加分支管的直径d或者减小分支管长度l，可以在有效改善压力分布的不均匀性。本实施例提出的无量纲结构参数关系实施例1所述的参数关系。

步骤四、计算喷气孔的临界气体流量和压降的关系，所述算喷气孔的临界气体流量和压降的关系为：

其中，qi为第i个喷气孔处烟气的体积流量，单位为m3·s-1；ε为喷气孔流量系数，p为分支管静压，单位为pa；pf为相应喷气孔出口处的静压，单位为pa。

假如分布器分支管静压等于相应喷气孔出口处的静压时，则入口处的喷气孔压降为0，即没有气体从该喷气孔喷出，此时各个喷气孔压降的平均值即分布器布气临界压降。然而，分支管的长度如果过长，就会容易出现压力分布不均匀的现象，即喷气孔气体流量不均匀现象。与此同时，一旦出现分支管静压小于喷气孔出口处的静压时，气体分布器就会形成返流现象。在喷气孔结构一定的情况下，通过改变喷气孔流量系数或者使用不同结构参数的喷嘴，可以改善分布器各个喷气孔出口流量不均匀的问题，进而达到均匀布气的效果。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。