基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法
【专利摘要】基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，涉及Shell气化炉。包括如下步骤：1)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分；2)利用求解器求解控制方程，所述利用求解器求解控制方程包括模型设置和计算求解；3、模拟结果展示的后处理。对Shell气化炉的流场和温度场进行了模拟计算，准确且方便得到了Shell气化炉炉内的一些基本物理量，对Shell气化炉的设计和工业生产提供了完整的炉内信息。精准预测了炉内的物理量，从而实现了对Shell气化炉中煤粉气化过程的再现。
【专利说明】
基于CFD的She I I气化炉流场和温度场的模拟方法
技术领域
[0001]本发明涉及Shell气化炉，尤其是涉及一种基于CR)的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法。
【背景技术】
[0002]Shell气化炉是一种典型的气流床气化炉，广泛应用于燃煤发电、煤制甲醇和煤制天然气等领域。Shell气化炉气流床煤气化技术是一种先进的煤气化技术，具有气化强度高、碳转化率高、产品煤气中不含焦油和酸类物质等优点。Gazzani ( Gazzani，etal.Reduced order modeling of the Shell-Prenf1 entrained flow gasifier.Fuel,2013，104,822-837)曾报告了关于利用Shell气化炉的降阶模型模拟气化过程的文章，文章并没有详细的给出Shell气化炉内流场和温度场等信息。然而对于Shell气化炉的设计和工业应用，描述Shell气化炉内流场和温度场等信息具有重要意义，因此需要在建模过程中全面考虑Shell气化炉的结构、煤粉和气相的化学反应、气固两相流动及其相互的耦合作用等。
[0003]针对Shell气化炉，通常的研究手段有实验室规模下试验、工业规模下探索和计算机仿真。而前两者研究的结果并不能针对流场和温度场等有很好的显示和解释，同时科研条件严格，经费数额巨大，因此计算机仿真研究在Shell气化炉流场和温度场模拟方面发挥了十分重要的作用。
[0004]计算流体力学(Computat1nal Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对物理和化学现象做系统的分析。通过CR)模拟能够得到流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布。所得到的结果具有普遍性，为实验研究和工业设计提供了很好的指导作用。
[0005]虽Shell气化炉在国内进行了大力推广，但这些装置的运转并不良好，暴露的问题主要有煤粉输送系统的稳定性差、下渣口阻塞、锅炉积灰等。由于对于工业采集的收据点少，炉膛内的物理和化学反应情况均不知道，目前Shell气化炉煤气化技术主要依靠生产经验进行调整。同时为了更加符合各个化工厂生产，气化炉所用的煤种和其产品均不同，这对探索一个普适性的模拟方法增加了难度。
[0006]通过对现有技术的检索，并未发现类似专利。特别是针对Shell煤粉气化炉。如何能简单高效的得到Shell气化炉内各个位置上的基本物理量显得尤为重要。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于CR)的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法。
[0008]本发明包括如下步骤:
[0009]I)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分；
[0010]在步骤I)中，所述计算域网格的划分可采用ICEM CFD软件进行绘制，具体步骤如下:
[0011 ] (I)、依据Shell气化炉的炉体结构和尺寸，并结合喷嘴结构，同时考虑到存在的工艺条件进行确定了 Shel I气化炉的几何模型，利用Sol idWorks软件绘制所述几何模型；
[0012](2)、将上述几何模型导入ICEM CR)软件，并确定模拟计算域，所述模拟求解域的确定为；
[0013](3)、将所述计算域进行分块处理，划分成若干子区域；
[0014](4)、在所述子区域上采用非结构六面体网格进行划分，同时考虑网格质量、网格疏密程度和网格数量，确定六面体网格中的节点数目，网格绘制完成后再整合形成完整的计算域；
[0015](5)、初步设定边界条件，并导出网格文件，准备输出求解。
[0016]2)利用求解器求解控制方程，所述利用求解器求解控制方程包括模型设置和计算求解；
[0017]在步骤2)中，所述计算求解可采用求解器，所述求解器为Fluent软件，所述计算求解的具体步骤可为:
[0018](I)、将步骤I)中已编辑好的网格文件导入Fluent软件中，对网格进行进一步检查，确保网格和模拟计算域中的单位尺度一致，并选择Fluent求解器和其运行环境；
[0019](2)、选择计算模型并设置计算模型参数，包括激活能量方程，湍流模型以及非预混合燃烧模型；
[0020](3)、依据工业所用煤粉性质设置模拟所用的煤粉性质；
[0021](4)、依据工业运行的Shell气化炉情况设置边界条件，选择离散格式和设置欠松弛因子并激活监视器；
[0022 ] (5)、初始化流场并完成迭代求解计算，得到She 11气化炉炉内的基本物理量。
[0023]3)模拟结果展示的后处理。
[0024]在步骤3)中，所述后处理的具体方法可为:将CR)模拟获得的数据输出并显示为图形或曲线，利用ANSYS CFD-Post软件进行后处理，通过后处理能够有效地观察和分析模拟计算的结果，直观地了解Shell气化炉炉内的流场和温度场分布。
[0025]本发明展示了喷嘴平面的速度矢量图、喷嘴平面的温度云图和0)和出摩尔分数在轴向的分布。
[0026]本发明的有益效果为:本发明对Shell气化炉的流场和温度场进行了模拟计算，准确且方便得到了 Shell气化炉炉内的一些基本物理量，对Shell气化炉的设计和工业生产提供了完整的炉内信息。
[0027]本发明适用于基于CR)的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，为工业运行操作提供理论基础，推进Shell气化炉的设计和开发，为Shell气化炉的发展提供全面可靠的建模方法，节约开发成本，具有很好的应用前景与经济价值。
[0028]本发明采用CFD数值模拟方法充分考虑了炉内的物理与化学变化，克服了实验测试投资大、周期长等缺点，精准预测了炉内的物理量，从而实现了对Shell气化炉中煤粉气化过程的再现。
【附图说明】
[0029]图1为Shell气化炉物理结构模型图。
[0030]图2为ICEM CFD工作流程图。
[0031]图3为网格划分不意图。
[0032]图4为Fluent工作流程图。
[0033]图5为喷嘴平面的速度矢量图。
[0034]图6为喷嘴平面的温度云图。
[0035]图7为CO摩尔分数沿气化炉中轴线的变化图。
[0036]图8为出摩尔分数沿气化炉中轴线的变化图。
【具体实施方式】
[0037]本发明可以为Shell气化炉流场和温度场模拟提供一个新方法，并为工业生产操作和Shell气化炉设计提供依据，从而为Shell气化技术的推广提供了保证。
[0038]以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0039]利用CFD软件对Shell气化炉流场和温度场进行模拟整个工作流程包括三个部分，即CFD前处理、CR)求解器和CFD后处理。在CFD前处理阶段，针对国内某工厂的She 11气化炉并利用SolidWorks软件建立了相同的物理结构模型；并利用ICEM CR)软件划分计算域，在分块的计算域中分别划分网格，考虑网格质量、网格疏密程度和网格数量等因素，确定六面体中网格节点数;最终确定网格并导出网格文件供求解器所用。在CFD求解器阶段，根据工业运行情况，建立合适的Shell气化炉模型和控制方程，设置模型参数和合理的边界条件；通过设置求解器参数，将控制方程和边界条件进行离散化;给定求解参数，进行计算初始化，最后对控制方程进行迭代求解计算，求解迭代之后将结果文件保存，供后处理所用。在CFD后处理阶段，主要是有效地观察和分析数值模拟计算的结果。
[0040]参见图1，本发明以国内某工业运行的Shell气化炉为例，炉膛高度为8800_，炉膛I直径为2960mm，四个对称式的喷嘴2沿气化炉圆周同一平面均匀布置，偏置角为4.5°，距离炉渣出口垂直距离为2060mm。喷嘴2采用的双通道方式，并由中心通道和环形通道组成，其中中心通道运输的是煤粉和载气⑶2，环形通道运输的是氧化剂O2。本发明利用So I idWorks软件建立了 Shell气化炉物理结构模型。
[0041]参见图2和图3，本发明对Shell气化炉进行了网格划分，为了保证网格的几何适应性，降低网格的数目，提高网格质量，增加工程计算的效率，本发明采用非结构六面体网格。利用ICEM CR)软件进行网格划分主要过程如下:先导入Shell气化炉物理结构模型并对所述模型进行处理；再依据所述模型建立合适的块，并进行关联;接下来对网格参数进行设定，并检查网格质量;最后将正确的网格导出，供Fluent读取。由于本发明中的Shell气化炉为圆柱型模型，同时四个喷嘴是双通道型，为保证分割块位于曲线或曲面上时减少歪斜、提高壁面附近聚集的网格点的效率，本发明同时采用了 O-Block方法来提高网格质量。这个方法也有效地解决了炉膛内壁边界层的流动模拟问题。
[0042]图4为Fluent工作流程图。将上述网格文件导入Fluent软件之后便可进行CR)求解器阶段，需要对Fluent进行逐项设置，具体方法如下:
[0043]I)对网格进行检查，报告网格的拓扑结构、显示网格中节点、面及单元的个数、确定计算域内单位体积的最大值和最小值。同时确保ICEM CFD中单位和Fluent中单位一致；设置基本的求解器，本发明选择的是基于压力求解器。
[0044]2)设置操作环境，本发明中操作压力为4MPa，并考虑重力的影响。
[0045]3)对模型进行设置，由于涉及Shell气化炉的能量转化，需要开启能量方程。在Shell气化炉中物流流动基本上为湍流，因此选择可实现的湍流模型来描述炉内的湍流流动。为了更加真实预测煤粉的燃烧过程，本发明选用非预混合燃烧模型描述炉内的化学反应。本发明也借助了离散相模型考虑煤粉颗粒和气相之间的耦合作用，同时考虑到煤粉颗粒间的辐射换热，本发明需要开启P-1辐射模型。
[0046]4)设置反应涉及的物质、边界条件。煤粉的挥发过程采用两步竞争模型，煤粉燃烧过程采用扩散/动力控制模型进行描述。对于进口边界条件，依据工业情况设置为质量入口。对于气化炉的出口设置为压力出口，并考虑了回流所产生的影响。依据实验工业运行，将炉壁设定为恒温壁面，温度设置为1300K;煤粉颗粒撞击到炉壁会黏附在炉壁并形成挂渣，因此煤粉颗粒在炉壁的边界条件为捕获。
[0047]5)进行了以上模型设置之后，为了更好控制求解过程，需要在求解器中进行一些参数设置。设置的内容主要包括:选择离散格式、设置欠松弛因子、初始化场变量及激活监视变量。
[0048]6)求解器设置之后，便可以进行迭代计算。本发明先对连续相进行计算求解，当计算到2000步时，在加入离散相进行计算。并且每计算60步连续相，再计算一次连续相。经过三万步左右的迭代计算之后，便将计算结果保存，供后处理用。
[0049]7)最后对之前的计算结果进行后处理，本发明结合Fluent和CFD Post进行后处理。
[0050]图5为喷嘴平面的速度矢量图，氧气在进料处速度最大，根据本发明模拟结果的数据可得此处速度为115m/S<X02所携带的粉煤从中心管以约lOm/s的速度进入反应器，进入反应器后煤粉颗粒在高速氧气流的曳引、剪切下，速度升高，从而使得颗粒相与连续相之间存在滑移。在对置安放的喷嘴会使气流在中心形成一个漩涡，该漩涡的形成不仅有利于粉煤颗粒和气相的混合，而且增加了粉煤颗粒的停留时间，从理论上该现象有利于颗粒与连续相之间的相互作用。
[0051]图6为喷嘴平面的温度云图，粉煤被载气CO2携带进入气化炉后，会经过蒸发、挥发、燃烧或气化等过程，在喷嘴前方100?200mm处形成高温区，温度在3000?3600K，这个区域燃烧最为强烈，其他区域温度变化相对平缓，温度在1900K左右。形成这种趋势的主要原因是尽管氧气以近100m/S的高速喷入炉膛，但是主要分布在喷嘴附近区域，随着燃烧反应的进行，氧气不断消耗殆尽，燃烧区域温度明显高于其他区域，同时高温区域离喷嘴较近，这说明煤粉进入气化炉后会在很短的时间内完成燃烧或气化。在炉膛中心，会形成一个局部的低温区域，这个原因主要是因为炉膛中心含氧量的较低，可燃性物质没有得到燃烧。本发明计算的气化炉出口平均温度为1761K，与工业生产的1500°C相差不大。
[0052]图7和8分别为为0)、出的摩尔分数沿气化炉中轴线的变化图。其中气化炉中轴线高度为Om的高度是喷嘴的高度。CO摩尔分数沿整个气化炉高度变化不超过I %，出摩尔分数沿气化炉高度变化超过I %。在Om的高度，H2摩尔分数最低，沿着高度的增加，炉内温度降低，这是出摩尔分数逐渐升高。这表明在本发明中一定温度范围内温度的降低有利于H2生成，这是因为在一定温度范围内较低温度促进水煤气变化(C0+H20 = C02+H2)。煤粉在气化炉经过一系列变化，最终出口合成气(CO+H2)的浓度为82.46%,这个浓度与工业生产的粗湿基合成气浓度一致。
[0053]本发明旨在通过CFD的模拟方法得到Shell气化炉炉内的一些基本物理量，并将流场、温度场和组分分布展示清楚。为工业运行和Shell气化炉设计提供良好的指导。本发明提出了适用于Shell气化炉的CR)模拟方法，为代价昂贵的实验测试和工业改进提供了可行的思路，推进Shell气化炉的设计和运行，为Shell气化炉的发展提供了全面可靠的建模方法。为此，本发明采用的技术方法是基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，该模拟方法由三部分构成:进行数值求解域确定与网格划分的前处理部分、进行模型设置和计算求解的求解器部分、进行结果分析的后处理部分。本发明主要用于Shell气化炉设备的设计制造和Shell气化炉工业运行改进。
【主权项】
1.基于CFD的ShelI气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于包括如下步骤: 1)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分； 2)利用求解器求解控制方程，所述利用求解器求解控制方程包括模型设置和计算求解； 3)模拟结果展示的后处理。2.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤I)中，所述计算域网格的划分采用ICEM CFD软件进行绘制，具体步骤如下: (1)、依据Shell气化炉的炉体结构和尺寸，并结合喷嘴结构，同时考虑到存在的工艺条件进行确定了 Shel I气化炉的几何模型，利用Sol idWorks软件绘制所述几何模型； (2)、将上述几何模型导入ICEMCFD软件，并确定模拟计算域，所述模拟求解域的确定为； (3)、将所述计算域进行分块处理，划分成若干子区域； (4)、在所述子区域上采用非结构六面体网格进行划分，同时考虑网格质量、网格疏密程度和网格数量，确定六面体网格中的节点数目，网格绘制完成后再整合形成完整的计算域； (5)、初步设定边界条件，并导出网格文件，准备输出求解。3.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤2)中，所述计算求解采用求解器。4.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤2)中，所述求解器为Fluent软件。5.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤2)中，所述计算求解的具体步骤为: (1)、将步骤I)中已编辑好的网格文件导入Fluent软件中，对网格进行进一步检查，确保网格和模拟计算域中的单位尺度一致，并选择Fluent求解器和其运行环境； (2)、选择计算模型并设置计算模型参数，包括激活能量方程，湍流模型以及非预混合燃烧模型； (3)、依据工业所用煤粉性质设置模拟所用的煤粉性质； (4)、依据工业运行的Shell气化炉情况设置边界条件，选择离散格式和设置欠松弛因子并激活监视器； (5)、初始化流场并完成迭代求解计算，得到She11气化炉炉内的基本物理量。6.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤3)中，所述后处理的具体方法为:将CR)模拟获得的数据输出并显示为图形或曲线，利用ANSYS CFD-Post软件进行后处理，通过后处理能够有效地观察和分析模拟计算的结果，直观地了解Shel I气化炉炉内的流场和温度场分布。
【文档编号】G06F17/50GK105930585SQ201610249998
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】周华, 蔡重, 曹志凯, 江青茵, 师佳
【申请人】厦门大学