合成气洗涤塔气/水分布器结构模拟与优化

2021-09-07林东杰霍耿磊刘春雷

煤炭加工与综合利用 2021年8期

林东杰，章刚，霍耿磊，刘春雷，马超，刘颖

(航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111)

随着我国经济的快速发展，近年来我国能源消费总量也在快速增长。截止至2019年，我国进口原油已经达到5.06亿t，对外依存度达到了70.8%[1-3]。因此，大力发展煤化工对于我国应对能源危机，保证我国战略能源安全有着十分重大的意义。

高压粉煤气化作为煤化工利用的重要途径，受到越来越广泛的关注。众所周知，我国煤炭丰富的地区又恰恰是水资源匮乏，环境容量小，生态环境脆弱的地区。因此，针对煤气化的污染问题和国家日益严格的节能减排要求，具有环保性能的煤气净化和后处理设备成为了研究热点。洗涤塔作为一种结构简单，能效高的气体净化装置，在合成气净化除尘领域有着广泛的应用。同时，洗涤塔底部的气体分布状况对固体粉尘的润湿以及整个洗涤塔的压降有着十分重要的影响。

本文主要针对四种不同的洗涤塔气/水分布器结构，通过利用CFD模拟软件对高压下的合成气洗涤过程进行模拟，获得了不同时刻的压力分布、气/水体积分数分布及进口的平均压力，为气/水分布器的结构选择和设计提供了依据。

1 洗涤塔气/水分布结构及简化结构模型

合成气洗涤塔下部的气/水分布器的主要作用是使气体与水充分接触，同时将气体平稳均匀进入塔内，为洗涤塔的塔板上粉尘的脱除打下良好的基础。合成气洗涤塔的结构如图1所示[4-6]，主要包括内筒、升气筒和挡板等。根据洗涤塔的不同结构，提出了4种不同的数学简化模型，如图2所示。

图1 洗涤塔气/水分布器结构示意(mm)

图2 合成气洗涤塔四种结构简化模型示意

图2中，四种简化模型分别为只有内筒，内筒和升气筒，内筒和挡水板、内筒、升气筒和挡水板。具体尺寸如表1所示。

表1 洗涤塔气/水分布器结构尺寸 m

2 模拟模型及边界条件

针对洗涤塔气/水分布器特点，利用流体体积函数法(VOF模型)进行CFD模拟[7-9]。

Hirt，C .W .Nichols，B .D .[ 7]于1981 年在研究压力容器流体自由液面时提出的适用于两种或多种互不穿透流体相间界面追踪计算的VOF模型。VOF模型通过将相的体积分数作为变量引入计算单元中合成气和液体被分别设定为第一和第二相，通过求解第二相体积分数的连续性方程，跟踪气/液相之间的界面。该模型是目前研究自由液面问题的理想方法。

针对洗涤塔合成气洗涤的模拟条件及主要物性数据如表2、表3所示。

表2 洗涤塔结构模拟边界条件

表3 洗涤塔洗涤物性数据

3 结果与讨论

3.1 不同结构气/水分布器压力分布结果

四种不同结构下合成气洗涤塔气/水分布段不同时刻的压力分布结果如图3～图5所示。

图3 2s时不同分布器结构压力分布

图4 4 s时不同分布器结构压力分布

图5 7 s时不同分布器结构压力分布示意

由图3～图5可以看出，只有内筒的情况下(结构1)，不同时刻下，气/水压力的波及范围较广，在内筒两侧大约0.8 m处形成了明显的气泡区，并且整体压力梯度较大。

当有内筒和升气筒(结构2)存在时，气/水压力分布的波及范围基本被控制在升气筒之内，并且由于气体从内筒与升气筒之间的通道快速通过，因此整体压力梯度小于结构1[10-11]。

当有内筒和挡水板(结构3)存在时，由于挡水板阻碍了内筒附近的气流上升，因此造成内筒附近压力梯度上升。这可以从图5中的等压线分布看出。同时，从图3～图5还可以看出，挡水板的存在进一步加大了气/水压力分布的不均衡性和不稳定性，波及范围几乎波及到了整个塔体。

当内筒、升气筒和挡水板都存在时(结构4)，气/水压力分布的波及范围也基本被限制在升气筒的范围之内，同时挡水板也存在着阻碍内筒附近气体上升，增大压力梯度的作用，因此，结构4的压力梯度大于结构2。

3.2 气/水体积分数及相界面分布结果

在合成气洗涤过程中，气泡的分布均匀性以及气/水两相接触面积的大小对于整个合成气的润湿，以及气体中微尘粒径的增长有着十分重要的意义。因此，本文对四种结构的气/水分布进行了模拟，不同时刻的气/水分布结果如图6～图8所示。

图6 2 s时不同结构水体积分数分布

图7 4 s时不同结构水体积分数分布

图8 7 s时不同结构水体积分数分布

对于结构1，气体流出内筒后基本沿着内筒外壁快速上升，合成气与水之间有清晰的相界面。水面的波动范围也基本限制在内筒两侧0.4 m左右的范围，这也与前面结构1的压力分布影响范围相一致。同时，从图6和图7的对比可以看出，由于没有升气筒存在，喷出的水下落形成的水面波动会进一步影响气体上升的气流分布。

结构2的模拟结果表明：当只有升气筒存在时，气体也还是基本沿着内筒外壁快速上升，气/水相界面清晰。但由于有升气筒存在，水面的波动范围基本被限制在升气筒内侧，外侧水面波动较小。同时，由于有升气筒存在，升气筒外侧的液面波动对气体的流动基本没有影响，因此流动较为稳定。

从结构3的模拟结果可以看出，挡水板阻碍了气体沿内筒外壁的上升，增大了内筒外壁处的压力梯度，气体有向外侧流动的趋势，因此大大加大了水面的波动程度和波动范围。而由于没有升气筒的阻挡，水面的剧烈波动进一步加大了气体流动的不稳定性。因此可以说，结构3下，整个塔体内的气/水都在剧烈波动，流动的平稳性很差。

结构4的模拟结果表明，虽然挡水板阻碍了内筒外侧的气体流动，增大了该处的气体压力，但由于升气筒的限制，气体无法向升气筒外侧流动，因此水面的波动范围也基本被限制在升气筒内侧。同时，由于升气筒的阻挡，外侧的水面波动基本无法影响内侧的气体流动，整体流动较为平稳。最为重要的是，由于挡水板和升气筒的联合作用，合成气和水在外筒和升气筒间的狭窄通道内较为均匀的气/液混合区，没有明显的相界面，从而大大增加了粉尘的润湿面积。

3.3 气体进出口压差模拟结果

合成气洗涤塔的压降基本集中在气/水分布段。因此，研究该段的不同分布器结构整体压降和压降的稳定性对于降低合成气洗涤塔能耗，提高操作稳定有着十分重要的意义。

图9 不同结构进出口压降随时间变化曲线

由图9可以看出，结构1的压力波动范围为18～24 kPa，结构2的压力波动范围为17～20 kPa，结构3的压力波动范围为17～30 kPa，结构4的压力波动范围为22～25 kPa 。从模拟结果可以看出，结构1和结构3的压力波动明显大于结构2和结构4，而且结构3的压力波动十分剧烈。这是由于结构1和结构3没有升气筒，从而导致水面的波动影响了内筒外气体的流动，加大了整体压差的波动。而结构3中挡水板的存在进一步加大了整个液面的波动，从而引起了进出口压差的剧烈波动。

结构1和3的平均压差要小于结构2结构4。这是由于升气筒阻止了外侧的水向气体流动通道的快速补充，从而减小了气体通道内的水含量从而减小了压力损失。同时结构3，4的压降要大于结构1，2。这是由于挡水板的存在阻挡了气体流动，从而增大了压差。