气流床气化辐射废锅单面受热水冷壁数值模拟

辐射废锅作为气流床煤气化中重要的热回收装置,可显著提高合成气热利用率。针对辐射废锅单面受热水冷壁及其表面覆盖的灰层和渣层,建立三维传热模型,并通过流动与传热耦合的数值模拟方法探究不同工况下水冷壁金属管和鳍片温度分布。结果表明,水冷壁表面温度随高度变化幅度较小。合成气温度下降导致水冷壁表面热流密度减小,金属管表面温度随之降低。水冷壁表面沉积物降低了合成气与冷却水之间的换热效率,但在一定程度上保护金属管和鳍片不受高温侵蚀。水冷壁与壳体之间通入保护气可有效降低鳍片温度。     

鳍片对辐射废锅多相流动及颗粒沉积特性影响

采用Realiazable k-ε湍流模型和随机轨道模型对不同鳍片径向长度辐射废锅内颗粒运动及沉积特性进行数值模拟,研究了鳍片径向长度对气流床气化辐射废锅内多相流场及温度场的影响。模拟结果表明:拐点及出口温度模拟值与实际测量值吻合较好,相差15 K以内,验证了模型的可靠性。受中心射流的影响,辐射废锅顶部存在火炬状温度分布。削减鳍片水冷壁导致换热面积减小,出口温度升高。在12.5 m高度处沉积速率最大,达到0.015 kg/(m~2·s)。相对长鳍片,颗粒沉积速率降低,沉积区域减少,有效缓解实际运行过程中出现的堵渣现象。     

带径向管屏水冷壁辐射废锅内流场与传热的数值模拟

对低压气流床辐射废锅进行直接数值模拟,分析带径向管屏水冷壁辐射废锅内流场与传热。结果表明:管屏水冷壁增强了辐射传热与湍流,降低了回流区的气流及灰渣温度,使得射流长度变短,回流区域及回流速度变小;无管屏与有管屏的截面平均温度差随截面高度增加而逐渐增加,到达出口处其截面平均温度差达到80℃;管屏水冷壁有效提高气流降温速度和热回收效率,但使细小灰渣颗粒更易于富集在辐射废锅顶锥及管屏水冷壁周边区域。     

辐射废锅内气固两相流场的冷态测试与数值模拟

采用冷态实验测量和数值模拟相结合的方法,对辐射废锅内的冷态气固两相流场进行了研究。搭建了辐射废锅冷模装置,利用恒温热线风速仪和皮托管对辐射废锅内的气相冷态流场进行测量。利用马尔文激光粒度分析仪对辐射废锅出口、底部渣池以及附壁颗粒的粒径进行了采样分析。运用Realizable k-ε湍流模型和随机轨道模型分别对气相流场和颗粒运动轨迹进行了数值模拟。研究发现:Realizable k-ε湍流模型计算得到的气相流场结果与实验值吻合较好,辐射废锅内筒顶部存在一入口射流,射流沿流向逐渐衰减,气相流场在内筒底部趋于稳定;大部分颗粒直接被辐射废锅渣池捕集,少量细小颗粒被气流携带进入辐射废锅环隙或从出口逃逸;颗粒粒径越大、密度越高,颗粒的跟随性越差,出口颗粒的停留时间越长。     

油田注汽锅炉辐射受热面结构优化研究

由于体积庞大,油田注汽锅炉难以在采油现场灵活运输及使用,因此将注汽锅炉辐射受热面设计为蛇形布置的膜式水冷壁,增大了辐射受热面的角系数和吸热量从而实现了注汽锅炉的小型化。通过热力计算得到炉膛受热面平均热流密度与水冷壁管内侧对流放热系数。结合膜式水冷壁角系数公式,利用ANSYS数值模拟软件对锅炉膜式水冷壁温度场进行研究。结果表明:当鳍片厚度一定时,膜式水冷壁的危险点温度随管间距的增加而增加,且呈线性关系。膜式水冷壁管间距越小,其危险点温度随鳍片厚度的增加而降低的速度越快,危险点温度与鳍片厚度符合良好的三次多项式关系。研究为注汽锅炉小型化奠定基础。     

辐射废锅内熔渣传热过程动态分析

气流床煤气化技术是煤炭高效清洁利用的技术之一。工业上常采用辐射废锅对出气化炉的高温合成气和熔渣进行余热回收。在辐射废锅内,高温合成气冷却降温过程常伴随熔渣的冷却和固化,其对废锅的排渣和安全运行有重要的影响。今以工业运行水煤浆气化装置中的辐射废锅为对象,采用数值数模方法对废锅内的复杂气固两相流动与传热过程进行研究,重点分析了熔渣半径对熔渣内部传热及相变的影响,结果表明:在辐射废锅内,部分熔渣因降温发生固化,熔渣直径是影响熔渣传热与相变的重要参数;熔渣尺寸越大,其传热速率越慢,固化程度越小;半径大于3 cm的熔渣在辐射废锅出口仍为液态,而半径小于0.4 cm的小尺寸熔渣在辐射废锅出口已全部凝固。     

气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热

采用多相流动与传热模型耦合的数值方法,对气流床煤气化辐射废锅内多相流场与传热过程进行了数值模拟。在Euler坐标系中采用组分输运模型计算气体组分扩散过程,并通过realizable k-ε湍流模型计算炉内流场,煤渣颗粒运动轨迹在Lagrange坐标系中计算,并考虑了气固相间双向耦合。利用灰气体加权和模型与离散坐标法相结合,计算了炉内辐射传热过程,并考虑了煤渣颗粒的热辐射特性。结果表明：炉体入口存在张角约为10°的中心射流区,其流速和温度均较高,且周围存在明显回流区,回流区内部分颗粒富集;大部分颗粒直接落入渣池,且粒径越大落入渣池时温度越高;炉内温度分布除中心射流区,整体分布均匀,且随壁面灰渣厚度的增加而升高;计算结果与实验测量结果及文献值基本一致。     

气化炉与辐射废锅接口的数值模拟

建立了多相流动和传热耦合数学模型,以实验室规模气化装置对模型进行了验证,发现计算值与实验值吻合较好。再通过该模型对气化炉与辐射废锅的接口进行了数值模拟,结果发现:气化炉底部锥体壁面有大量灰渣颗粒积聚,并在锥体上形成热阻较大的熔渣流;废锅拱顶存在长约4 m的回流区,部分颗粒被卷吸回流;此外,增加直段高度、加长冷却管和降低耐火砖厚度都将使接口工作温度下降;提高气化温度和操作负荷则会使接口工作温度上升,且气流流速也将随产气量的增加而提高。     

水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究

水冷壁气流床气化炉的核心思想是"以渣抗渣",因此对熔渣沉积形态与流动规律的研究尤为重要。文中在实验室小型水冷壁气化炉热模装置上,以神府煤气化灰渣、柴油和纯氧气为原料模拟气流床水冷壁气化实验,采用高温内窥镜并结合数字图像处理技术研究了熔渣的沉积、流动过程。实验结果表明:气化炉操作温度高于熔渣临界黏度温度时,渣层表面灰渣处于熔融状态;运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收;熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系,渣层表面温度越高,熔渣流动速度越大。在实验条件下,熔渣层表面速度约为0.002 6—0.003 m/s。     

水冷壁气化炉温度分布及影响因素分析

对气流床水冷壁气化炉炉壁的温度分布及影响因素进行了计算和分析。建立了气流床水冷壁气化炉的三维传热数学模型,运用有限元方法,计算出水冷壁的温度分布,炉壁导热主要通过渣钉完成;探讨了水冷管内工质传热系数、炉内温度、渣钉间距、鳍片厚度、鳍片宽度及熔渣厚度对渣钉、水冷管、鳍片端部和根部等关键部位的最高温度点温度的影响;为了验证热分析的正确性,在实验室的小型气化炉上进行试验,鳍端背火侧温度计算值与实验测量值吻合良好,误差在5%之内;其计算模型和分析结果可为水冷壁气化炉的设计提供相应依据。     

水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析

基于实验室小型水冷壁气流床气化炉,研究了两种油渣浆气化后在炉内壁形成渣层的内部结构及组成。建立了气化炉水冷壁的三维传热和应力模型,对气化炉紧急停车时炉壁的热应力变化及其分布进行了模拟计算。计算结果表明：渣层中越靠近渣层表面,热应力的变化越大;靠近水冷管和渣钉处的渣层热应力变化相对较小;渣层表面温度变化相同时,孔隙率大的渣层产生的形变较大。     

刮膜式分子蒸馏器内传质的数值模拟

在刮膜式分子蒸馏器中,研究液膜内传质传热特性对改进蒸馏器内流场结构和优化操作参数具有重要意义。今采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件,建立刮膜式分子蒸馏器三维模型,研究了液膜表面温度、浓度、蒸发速率沿三维方向变化,并探究了进料量和加热温度对传质传热特性的影响。结果表明:头波前液膜表面温度随着远离头波沿周向和径向逐渐减小,沿轴向逐渐增加,头波处、壁面附近和液膜表面处温度梯度较大;壁面附近处易挥发组分浓度几乎不变,但沿三维均呈减小趋势;蒸发速率沿三维的变化和温度呈相同的趋势;进料量越小,加热温度越高,液膜表面温度、易挥发组分蒸发速率和液相总传质系数越大,易挥发组分浓度减少的也越快,有利于传质。但较高的加热温度会增加生产成本,且易使物料分解,故应选择合适的加热温度。     

喷孔直径对燃气加热炉内流动和燃烧过程的影响

利用数值模拟方法,选用标准的K-ε湍流模型、PDF扩散燃烧模型、离散坐标辐射传热模型,研究了喷嘴直径对燃气常压炉内燃烧状况的影响,主要考察了炉内速度场、温度场和火焰形状的变化.研究结果表明,喷孔直径越小,喷孔出口速度越大,速度峰值也越大,射流的影响区域越大,加剧了燃料与空气的混合和燃烧速率,燃烧的火焰越短、越窄,但这不利于传热过程.因此,在立式加热炉的实际操作过程中,为使炉管受热均匀,避免高温区域温度过高,区域过小,应尽量设计长焰型燃烧器.从优化传热的角度,立管式加热炉中火焰长度为炉管长度的2/5-1/2为合适,卧管式加热炉则为1/5-1/4合适.     

水冷壁式气化炉内侧渣钉对气化炉传热的影响

煤气化炉的水冷壁对于维持气化炉在高温高压下安全稳定运行具有重要作用.利用ANSYS软件对水冷壁内侧壁面的温度分布进行模拟,模拟分析了渣层内有渣钉、无渣钉和用等面积肋片代替渣钉三种状况对传热过程的影响,考察了渣钉排布方式对水冷壁传热的影响.结果 表明,布置渣钉可有效提高传热效率,及时带走气化炉内多余的热量;采用夹角小、三...     

三维管烟气换热器传热特性的实验及模拟研究

通过实验对三维管换热元件与传统H型鳍片管进行测试,研究其传热特性. 结果表明,三维管换热器的总换热系数是H型鳍片管换热器的2?3倍,采用错列布置换热管比顺列布置换热管的阻力大. 修正的气侧对流换热系数关联式更符合实际,计算结果比原式提高约26%,FLUENT软件能很好模拟三维管换热器的实际情况,模拟结果误差较小.     

物性参数对连铸结晶器传热模型计算结果的影响

针对某方坯连铸实际情况,建立了二维非稳态传热模型,研究了导热系数、比热和密度对结晶器传热模型计算结果的影响规律.研究结果表明,其他条件一定,导热系数越大,铸坯表面温度下降越缓慢,铸坯中心温度则下降越快;增大密度或比热,出结晶器的铸坯表面中心及铸坯中心温度均增大.相比较而言,导热系数对结晶器内铸坯凝固传热过程的影响最为显著,比热的影响次之,密度的影响最小.     

半周加热横纹管内熔盐强化传热特性

半周加热太阳能吸热器管给管内对流传热系数带来影响,基于此,建立半周加热横纹管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析横纹管槽宽、槽深对管内熔盐传热性能的影响规律,结果表明:从横纹管绝热侧到加热侧,周向管内壁温度逐渐升高,周向管内局部Nusselt数先减小后缓慢增大至稳定。横纹管凹槽处轴向管内壁温度明显低于平滑段,凹槽处轴向管内局部Nu较大,凹槽后与平滑段交界处管内局部Nu最小。横纹管槽越宽,加热侧轴向管内局部Nu越小,管内平均Nu越小,传热综合性能评价因子PEC越大。横纹管槽越深,轴向管内局部Nu越大,管内平均Nu越大,传热强化倍数Nu/Nu_(ST)越大。槽宽对横纹管PEC的影响比槽深明显,槽深对横纹管内Nu/Nu_(ST)影响比槽宽大。通过线性拟合得到半周加热横纹管内熔盐传热Nu的关联式,其计算Nu与模拟值最大偏差在±7%以内。     

胶乳探空气球的充气量和长度与升空高度的关系

通过理论分析和试验验证,探讨了胶乳探空气球(简称探空气球)的充气量和长度与升空高度的关系。结果表明:采用相同规格的模型,在相同配方和工艺下生产的探空气球,其升空高度与充气量和长度成反比;充气量越大,探空气球升空高度越小,在保证上升速度的情况下充气量越小,探空气球升空高度越大;探空气球的长度越大,其升空高度越小,在伸张均匀的情况下,探空气球的长度越小,其升空高度越大。     

旋风筒中磷石膏颗粒浓度分布的电容层析法实验研究

采用双层电容层析法在线测量旋风筒中磷石膏颗粒的径向分布浓度,考察风速、气相中磷石膏颗粒质量浓度、排料口直径对颗粒浓度分布和分离效率的影响。结果表明:磷石膏颗粒在旋风筒中呈环状分布,中心处颗粒浓度小,筒壁处颗粒浓度最大;风速增大,磷石膏径向颗粒浓度减小,分离效率呈现先增大后降低的趋势,有利于改善传热效率,不利于SO_2浓度提升;气相中磷石膏颗粒质量浓度增大,磷石膏径向颗粒浓度增大,分离效率提高,不利于改善传热效率,有利于SO_2浓度提升;不同的风速存在不同的适宜排料口直径。     

保温管道表面温度和散热差异分析

保温工程热态验收表面热损失按二、三级测定计算时，由于不考虑辐射换热，同样保温结构的保温设备及管道采用不同黑度的保护层材料，其外表面温度及散热损失相同。表面热损失按一级测定时，由于表面换热系数计算考虑到了辐射换热，同样保温结构的保温设备及管道采用不同黑度的保护层材料，其外表面温度及散热损失也不一样，与二、三级测定相比，其测定计算值更接近实际情况。保护层材料黑度越大，散热越快，其表面温度越低；保护层材料黑度越小，散热越慢，其表面温度越高。在做保温设计时，应尽量选用黑度值低的材料做保温外护层较好，其表面散热损失较低，保温效果较好；做防烫伤设计时，采用黑度值高的材料做保温保护层较好，在同样的保温层厚度下可降低保温层外表温度，即可采用更薄的保温层厚度，节约材料，减少投资费用。