基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法
【專利摘要】基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，涉及Shell氣化爐。包括如下步驟：1)前處理，所述前處理包括Shell氣化爐物理模型的建立、模擬求解域的確定和計算域網(wǎng)格的劃分；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設(shè)置和計算求解；3、模擬結(jié)果展示的后處理。對Shell氣化爐的流場和溫度場進(jìn)行了模擬計算，準(zhǔn)確且方便得到了Shell氣化爐爐內(nèi)的一些基本物理量，對Shell氣化爐的設(shè)計和工業(yè)生產(chǎn)提供了完整的爐內(nèi)信息。精準(zhǔn)預(yù)測了爐內(nèi)的物理量，從而實現(xiàn)了對Shell氣化爐中煤粉氣化過程的再現(xiàn)。
【專利說明】
基于CFD的She I I氣化爐流場和溫度場的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及Shell氣化爐，尤其是涉及一種基于CR)的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Shell氣化爐是一種典型的氣流床氣化爐，廣泛應(yīng)用于燃煤發(fā)電、煤制甲醇和煤制天然氣等領(lǐng)域。Shell氣化爐氣流床煤氣化技術(shù)是一種先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，具有氣化強(qiáng)度高、碳轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品煤氣中不含焦油和酸類物質(zhì)等優(yōu)點。Gazzani ( Gazzani，etal.Reduced order modeling of the Shell-Prenf1 entrained flow gasifier.Fuel,2013，104,822-837)曾報告了關(guān)于利用Shell氣化爐的降階模型模擬氣化過程的文章，文章并沒有詳細(xì)的給出Shell氣化爐內(nèi)流場和溫度場等信息。然而對于Shell氣化爐的設(shè)計和工業(yè)應(yīng)用，描述Shell氣化爐內(nèi)流場和溫度場等信息具有重要意義，因此需要在建模過程中全面考慮Shell氣化爐的結(jié)構(gòu)、煤粉和氣相的化學(xué)反應(yīng)、氣固兩相流動及其相互的耦合作用等。
[0003]針對Shell氣化爐，通常的研究手段有實驗室規(guī)模下試驗、工業(yè)規(guī)模下探索和計算機(jī)仿真。而前兩者研究的結(jié)果并不能針對流場和溫度場等有很好的顯示和解釋，同時科研條件嚴(yán)格，經(jīng)費數(shù)額巨大，因此計算機(jī)仿真研究在Shell氣化爐流場和溫度場模擬方面發(fā)揮了十分重要的作用。
[0004]計算流體力學(xué)(Computat1nal Fluid Dynamics，簡稱CFD)是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對物理和化學(xué)現(xiàn)象做系統(tǒng)的分析。通過CR)模擬能夠得到流場內(nèi)各個位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布。所得到的結(jié)果具有普遍性，為實驗研究和工業(yè)設(shè)計提供了很好的指導(dǎo)作用。
[0005]雖Shell氣化爐在國內(nèi)進(jìn)行了大力推廣，但這些裝置的運轉(zhuǎn)并不良好，暴露的問題主要有煤粉輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、下渣口阻塞、鍋爐積灰等。由于對于工業(yè)采集的收據(jù)點少，爐膛內(nèi)的物理和化學(xué)反應(yīng)情況均不知道，目前Shell氣化爐煤氣化技術(shù)主要依靠生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整。同時為了更加符合各個化工廠生產(chǎn)，氣化爐所用的煤種和其產(chǎn)品均不同，這對探索一個普適性的模擬方法增加了難度。
[0006]通過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索，并未發(fā)現(xiàn)類似專利。特別是針對Shell煤粉氣化爐。如何能簡單高效的得到Shell氣化爐內(nèi)各個位置上的基本物理量顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于CR)的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法。
[0008]本發(fā)明包括如下步驟:
[0009]I)前處理，所述前處理包括Shell氣化爐物理模型的建立、模擬求解域的確定和計算域網(wǎng)格的劃分；
[0010]在步驟I)中，所述計算域網(wǎng)格的劃分可采用ICEM CFD軟件進(jìn)行繪制，具體步驟如下:
[0011 ] (I)、依據(jù)Shell氣化爐的爐體結(jié)構(gòu)和尺寸，并結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)，同時考慮到存在的工藝條件進(jìn)行確定了 Shel I氣化爐的幾何模型，利用Sol idWorks軟件繪制所述幾何模型；
[0012](2)、將上述幾何模型導(dǎo)入ICEM CR)軟件，并確定模擬計算域，所述模擬求解域的確定為；
[0013](3)、將所述計算域進(jìn)行分塊處理，劃分成若干子區(qū)域；
[0014](4)、在所述子區(qū)域上采用非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時考慮網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格疏密程度和網(wǎng)格數(shù)量，確定六面體網(wǎng)格中的節(jié)點數(shù)目，網(wǎng)格繪制完成后再整合形成完整的計算域；
[0015](5)、初步設(shè)定邊界條件，并導(dǎo)出網(wǎng)格文件，準(zhǔn)備輸出求解。
[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設(shè)置和計算求解；
[0017]在步驟2)中，所述計算求解可采用求解器，所述求解器為Fluent軟件，所述計算求解的具體步驟可為:
[0018](I)、將步驟I)中已編輯好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，對網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步檢查，確保網(wǎng)格和模擬計算域中的單位尺度一致，并選擇Fluent求解器和其運行環(huán)境；
[0019](2)、選擇計算模型并設(shè)置計算模型參數(shù)，包括激活能量方程，湍流模型以及非預(yù)混合燃燒模型；
[0020](3)、依據(jù)工業(yè)所用煤粉性質(zhì)設(shè)置模擬所用的煤粉性質(zhì)；
[0021](4)、依據(jù)工業(yè)運行的Shell氣化爐情況設(shè)置邊界條件，選擇離散格式和設(shè)置欠松弛因子并激活監(jiān)視器；
[0022 ] (5)、初始化流場并完成迭代求解計算，得到She 11氣化爐爐內(nèi)的基本物理量。
[0023]3)模擬結(jié)果展示的后處理。
[0024]在步驟3)中，所述后處理的具體方法可為:將CR)模擬獲得的數(shù)據(jù)輸出并顯示為圖形或曲線，利用ANSYS CFD-Post軟件進(jìn)行后處理，通過后處理能夠有效地觀察和分析模擬計算的結(jié)果，直觀地了解Shell氣化爐爐內(nèi)的流場和溫度場分布。
[0025]本發(fā)明展示了噴嘴平面的速度矢量圖、噴嘴平面的溫度云圖和0)和出摩爾分?jǐn)?shù)在軸向的分布。
[0026]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明對Shell氣化爐的流場和溫度場進(jìn)行了模擬計算，準(zhǔn)確且方便得到了 Shell氣化爐爐內(nèi)的一些基本物理量，對Shell氣化爐的設(shè)計和工業(yè)生產(chǎn)提供了完整的爐內(nèi)信息。
[0027]本發(fā)明適用于基于CR)的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，為工業(yè)運行操作提供理論基礎(chǔ)，推進(jìn)Shell氣化爐的設(shè)計和開發(fā)，為Shell氣化爐的發(fā)展提供全面可靠的建模方法，節(jié)約開發(fā)成本，具有很好的應(yīng)用前景與經(jīng)濟(jì)價值。
[0028]本發(fā)明采用CFD數(shù)值模擬方法充分考慮了爐內(nèi)的物理與化學(xué)變化，克服了實驗測試投資大、周期長等缺點，精準(zhǔn)預(yù)測了爐內(nèi)的物理量，從而實現(xiàn)了對Shell氣化爐中煤粉氣化過程的再現(xiàn)。
【附圖說明】
[0029]圖1為Shell氣化爐物理結(jié)構(gòu)模型圖。
[0030]圖2為ICEM CFD工作流程圖。
[0031]圖3為網(wǎng)格劃分不意圖。
[0032]圖4為Fluent工作流程圖。
[0033]圖5為噴嘴平面的速度矢量圖。
[0034]圖6為噴嘴平面的溫度云圖。
[0035]圖7為CO摩爾分?jǐn)?shù)沿氣化爐中軸線的變化圖。
[0036]圖8為出摩爾分?jǐn)?shù)沿氣化爐中軸線的變化圖。
【具體實施方式】
[0037]本發(fā)明可以為Shell氣化爐流場和溫度場模擬提供一個新方法，并為工業(yè)生產(chǎn)操作和Shell氣化爐設(shè)計提供依據(jù)，從而為Shell氣化技術(shù)的推廣提供了保證。
[0038]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0039]利用CFD軟件對Shell氣化爐流場和溫度場進(jìn)行模擬整個工作流程包括三個部分，即CFD前處理、CR)求解器和CFD后處理。在CFD前處理階段，針對國內(nèi)某工廠的She 11氣化爐并利用SolidWorks軟件建立了相同的物理結(jié)構(gòu)模型；并利用ICEM CR)軟件劃分計算域，在分塊的計算域中分別劃分網(wǎng)格，考慮網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格疏密程度和網(wǎng)格數(shù)量等因素，確定六面體中網(wǎng)格節(jié)點數(shù);最終確定網(wǎng)格并導(dǎo)出網(wǎng)格文件供求解器所用。在CFD求解器階段，根據(jù)工業(yè)運行情況，建立合適的Shell氣化爐模型和控制方程，設(shè)置模型參數(shù)和合理的邊界條件；通過設(shè)置求解器參數(shù)，將控制方程和邊界條件進(jìn)行離散化;給定求解參數(shù)，進(jìn)行計算初始化，最后對控制方程進(jìn)行迭代求解計算，求解迭代之后將結(jié)果文件保存，供后處理所用。在CFD后處理階段，主要是有效地觀察和分析數(shù)值模擬計算的結(jié)果。
[0040]參見圖1，本發(fā)明以國內(nèi)某工業(yè)運行的Shell氣化爐為例，爐膛高度為8800_，爐膛I直徑為2960mm，四個對稱式的噴嘴2沿氣化爐圓周同一平面均勻布置，偏置角為4.5°，距離爐渣出口垂直距離為2060mm。噴嘴2采用的雙通道方式，并由中心通道和環(huán)形通道組成，其中中心通道運輸?shù)氖敲悍酆洼d氣⑶2，環(huán)形通道運輸?shù)氖茄趸瘎㎡2。本發(fā)明利用So I idWorks軟件建立了 Shell氣化爐物理結(jié)構(gòu)模型。
[0041]參見圖2和圖3，本發(fā)明對Shell氣化爐進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，為了保證網(wǎng)格的幾何適應(yīng)性，降低網(wǎng)格的數(shù)目，提高網(wǎng)格質(zhì)量，增加工程計算的效率，本發(fā)明采用非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格。利用ICEM CR)軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分主要過程如下:先導(dǎo)入Shell氣化爐物理結(jié)構(gòu)模型并對所述模型進(jìn)行處理；再依據(jù)所述模型建立合適的塊，并進(jìn)行關(guān)聯(lián);接下來對網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量;最后將正確的網(wǎng)格導(dǎo)出，供Fluent讀取。由于本發(fā)明中的Shell氣化爐為圓柱型模型，同時四個噴嘴是雙通道型，為保證分割塊位于曲線或曲面上時減少歪斜、提高壁面附近聚集的網(wǎng)格點的效率，本發(fā)明同時采用了 O-Block方法來提高網(wǎng)格質(zhì)量。這個方法也有效地解決了爐膛內(nèi)壁邊界層的流動模擬問題。
[0042]圖4為Fluent工作流程圖。將上述網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件之后便可進(jìn)行CR)求解器階段，需要對Fluent進(jìn)行逐項設(shè)置，具體方法如下:
[0043]I)對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，報告網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、顯示網(wǎng)格中節(jié)點、面及單元的個數(shù)、確定計算域內(nèi)單位體積的最大值和最小值。同時確保ICEM CFD中單位和Fluent中單位一致；設(shè)置基本的求解器，本發(fā)明選擇的是基于壓力求解器。
[0044]2)設(shè)置操作環(huán)境，本發(fā)明中操作壓力為4MPa，并考慮重力的影響。
[0045]3)對模型進(jìn)行設(shè)置，由于涉及Shell氣化爐的能量轉(zhuǎn)化，需要開啟能量方程。在Shell氣化爐中物流流動基本上為湍流，因此選擇可實現(xiàn)的湍流模型來描述爐內(nèi)的湍流流動。為了更加真實預(yù)測煤粉的燃燒過程，本發(fā)明選用非預(yù)混合燃燒模型描述爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明也借助了離散相模型考慮煤粉顆粒和氣相之間的耦合作用，同時考慮到煤粉顆粒間的輻射換熱，本發(fā)明需要開啟P-1輻射模型。
[0046]4)設(shè)置反應(yīng)涉及的物質(zhì)、邊界條件。煤粉的揮發(fā)過程采用兩步競爭模型，煤粉燃燒過程采用擴(kuò)散/動力控制模型進(jìn)行描述。對于進(jìn)口邊界條件，依據(jù)工業(yè)情況設(shè)置為質(zhì)量入口。對于氣化爐的出口設(shè)置為壓力出口，并考慮了回流所產(chǎn)生的影響。依據(jù)實驗工業(yè)運行，將爐壁設(shè)定為恒溫壁面，溫度設(shè)置為1300K;煤粉顆粒撞擊到爐壁會黏附在爐壁并形成掛渣，因此煤粉顆粒在爐壁的邊界條件為捕獲。
[0047]5)進(jìn)行了以上模型設(shè)置之后，為了更好控制求解過程，需要在求解器中進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置。設(shè)置的內(nèi)容主要包括:選擇離散格式、設(shè)置欠松弛因子、初始化場變量及激活監(jiān)視變量。
[0048]6)求解器設(shè)置之后，便可以進(jìn)行迭代計算。本發(fā)明先對連續(xù)相進(jìn)行計算求解，當(dāng)計算到2000步時，在加入離散相進(jìn)行計算。并且每計算60步連續(xù)相，再計算一次連續(xù)相。經(jīng)過三萬步左右的迭代計算之后，便將計算結(jié)果保存，供后處理用。
[0049]7)最后對之前的計算結(jié)果進(jìn)行后處理，本發(fā)明結(jié)合Fluent和CFD Post進(jìn)行后處理。
[0050]圖5為噴嘴平面的速度矢量圖，氧氣在進(jìn)料處速度最大，根據(jù)本發(fā)明模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)可得此處速度為115m/S<X02所攜帶的粉煤從中心管以約lOm/s的速度進(jìn)入反應(yīng)器，進(jìn)入反應(yīng)器后煤粉顆粒在高速氧氣流的曳引、剪切下，速度升高，從而使得顆粒相與連續(xù)相之間存在滑移。在對置安放的噴嘴會使氣流在中心形成一個漩渦，該漩渦的形成不僅有利于粉煤顆粒和氣相的混合，而且增加了粉煤顆粒的停留時間，從理論上該現(xiàn)象有利于顆粒與連續(xù)相之間的相互作用。
[0051]圖6為噴嘴平面的溫度云圖，粉煤被載氣CO2攜帶進(jìn)入氣化爐后，會經(jīng)過蒸發(fā)、揮發(fā)、燃燒或氣化等過程，在噴嘴前方100?200mm處形成高溫區(qū)，溫度在3000?3600K，這個區(qū)域燃燒最為強(qiáng)烈，其他區(qū)域溫度變化相對平緩，溫度在1900K左右。形成這種趨勢的主要原因是盡管氧氣以近100m/S的高速噴入爐膛，但是主要分布在噴嘴附近區(qū)域，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，氧氣不斷消耗殆盡，燃燒區(qū)域溫度明顯高于其他區(qū)域，同時高溫區(qū)域離噴嘴較近，這說明煤粉進(jìn)入氣化爐后會在很短的時間內(nèi)完成燃燒或氣化。在爐膛中心，會形成一個局部的低溫區(qū)域，這個原因主要是因為爐膛中心含氧量的較低，可燃性物質(zhì)沒有得到燃燒。本發(fā)明計算的氣化爐出口平均溫度為1761K，與工業(yè)生產(chǎn)的1500°C相差不大。
[0052]圖7和8分別為為0)、出的摩爾分?jǐn)?shù)沿氣化爐中軸線的變化圖。其中氣化爐中軸線高度為Om的高度是噴嘴的高度。CO摩爾分?jǐn)?shù)沿整個氣化爐高度變化不超過I %，出摩爾分?jǐn)?shù)沿氣化爐高度變化超過I %。在Om的高度，H2摩爾分?jǐn)?shù)最低，沿著高度的增加，爐內(nèi)溫度降低，這是出摩爾分?jǐn)?shù)逐漸升高。這表明在本發(fā)明中一定溫度范圍內(nèi)溫度的降低有利于H2生成，這是因為在一定溫度范圍內(nèi)較低溫度促進(jìn)水煤氣變化(C0+H20 = C02+H2)。煤粉在氣化爐經(jīng)過一系列變化，最終出口合成氣(CO+H2)的濃度為82.46%,這個濃度與工業(yè)生產(chǎn)的粗濕基合成氣濃度一致。
[0053]本發(fā)明旨在通過CFD的模擬方法得到Shell氣化爐爐內(nèi)的一些基本物理量，并將流場、溫度場和組分分布展示清楚。為工業(yè)運行和Shell氣化爐設(shè)計提供良好的指導(dǎo)。本發(fā)明提出了適用于Shell氣化爐的CR)模擬方法，為代價昂貴的實驗測試和工業(yè)改進(jìn)提供了可行的思路，推進(jìn)Shell氣化爐的設(shè)計和運行，為Shell氣化爐的發(fā)展提供了全面可靠的建模方法。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方法是基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，該模擬方法由三部分構(gòu)成:進(jìn)行數(shù)值求解域確定與網(wǎng)格劃分的前處理部分、進(jìn)行模型設(shè)置和計算求解的求解器部分、進(jìn)行結(jié)果分析的后處理部分。本發(fā)明主要用于Shell氣化爐設(shè)備的設(shè)計制造和Shell氣化爐工業(yè)運行改進(jìn)。
【主權(quán)項】
1.基于CFD的ShelI氣化爐流場和溫度場的模擬方法，其特征在于包括如下步驟: 1)前處理，所述前處理包括Shell氣化爐物理模型的建立、模擬求解域的確定和計算域網(wǎng)格的劃分； 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設(shè)置和計算求解； 3)模擬結(jié)果展示的后處理。2.如權(quán)利要求1所述基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，其特征在于在步驟I)中，所述計算域網(wǎng)格的劃分采用ICEM CFD軟件進(jìn)行繪制，具體步驟如下: (1)、依據(jù)Shell氣化爐的爐體結(jié)構(gòu)和尺寸，并結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)，同時考慮到存在的工藝條件進(jìn)行確定了 Shel I氣化爐的幾何模型，利用Sol idWorks軟件繪制所述幾何模型； (2)、將上述幾何模型導(dǎo)入ICEMCFD軟件，并確定模擬計算域，所述模擬求解域的確定為； (3)、將所述計算域進(jìn)行分塊處理，劃分成若干子區(qū)域； (4)、在所述子區(qū)域上采用非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時考慮網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格疏密程度和網(wǎng)格數(shù)量，確定六面體網(wǎng)格中的節(jié)點數(shù)目，網(wǎng)格繪制完成后再整合形成完整的計算域； (5)、初步設(shè)定邊界條件，并導(dǎo)出網(wǎng)格文件，準(zhǔn)備輸出求解。3.如權(quán)利要求1所述基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，其特征在于在步驟2)中，所述計算求解采用求解器。4.如權(quán)利要求1所述基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，其特征在于在步驟2)中，所述求解器為Fluent軟件。5.如權(quán)利要求1所述基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，其特征在于在步驟2)中，所述計算求解的具體步驟為: (1)、將步驟I)中已編輯好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，對網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步檢查，確保網(wǎng)格和模擬計算域中的單位尺度一致，并選擇Fluent求解器和其運行環(huán)境； (2)、選擇計算模型并設(shè)置計算模型參數(shù)，包括激活能量方程，湍流模型以及非預(yù)混合燃燒模型； (3)、依據(jù)工業(yè)所用煤粉性質(zhì)設(shè)置模擬所用的煤粉性質(zhì)； (4)、依據(jù)工業(yè)運行的Shell氣化爐情況設(shè)置邊界條件，選擇離散格式和設(shè)置欠松弛因子并激活監(jiān)視器； (5)、初始化流場并完成迭代求解計算，得到She11氣化爐爐內(nèi)的基本物理量。6.如權(quán)利要求1所述基于CFD的Shell氣化爐流場和溫度場的模擬方法，其特征在于在步驟3)中，所述后處理的具體方法為:將CR)模擬獲得的數(shù)據(jù)輸出并顯示為圖形或曲線，利用ANSYS CFD-Post軟件進(jìn)行后處理，通過后處理能夠有效地觀察和分析模擬計算的結(jié)果，直觀地了解Shel I氣化爐爐內(nèi)的流場和溫度場分布。
【文檔編號】G06F17/50GK105930585SQ201610249998
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】周華, 蔡重, 曹志凱, 江青茵, 師佳
【申請人】廈門大學(xué)