煤气化装置闪蒸罐冲蚀过程的数值模拟

杨国政 马佳敏 陆 遥 李 伟 王正强 刘 军 刘美丽

（1.航天长征化学工程股份有限公司；2.北京石油化工学院）

粉煤加压气化是煤炭深加工的主流核心技术，对煤炭资源的清洁高效利用有着重要意义［1］。在粉煤气化工艺中，从气化炉和合成气洗涤塔流出的黑水需要通过闪蒸系统进行分解处理。闪蒸罐是闪蒸系统实现黑水闪蒸、酸性气体解析和黑水提浓的主要设备［2］。但是，黑水中的固体颗粒会冲击和摩擦闪蒸罐内壁从而产生冲蚀现象，导致闪蒸罐入口附近的罐壁局部变薄甚至产生裂纹，给黑水闪蒸系统的安全运行带来巨大的隐患［3］。因此，研究闪蒸罐内的冲蚀现象具有重要意义。

国内外学者对冲蚀过程的研究主要集中在管道输送过程中的冲蚀现象。早期，多是基于实验方法对管内冲蚀过程进行研究［4］；近期，考虑到经济性和时效性采用数值模拟方法分析管内冲蚀过程。刘培坤等运用Fluent模拟分析了两种弯头的流场特性，得出了不同颗粒对弯头的冲蚀磨损规律和分布特点［5］。曹辉祥等通过气固两相流管道冲蚀的模拟，得出了气固两相流管道受冲蚀最为严重的部位，据此提出了结构优化方案［6］。Zhou X G等考察了节流比、收缩角、扩张角及喉段长度等参数对粉煤密相气力输送系统中冲蚀过程的影响［7，8］。杨鸿麟等通过标准k-ε湍流模型和离散相模型对文丘里管进行了流场分析，得出了冲蚀角度、流体速度等因素对冲刷腐蚀行为的影响规律［9］。李勋等通过数值模拟方法分析了旋风分离器内部壁面的冲蚀磨损状况［10～12］。通过调查发现，以上都是对管道的冲蚀磨损现象进行模拟研究，未见有关闪蒸罐冲蚀过程的研究报道。为此，笔者在前人研究的基础上，结合现场情况修正了Fluent固有的冲蚀模型，得到了闪蒸罐入口区域气固流动及其冲蚀的特性，为闪蒸罐的安全运行提供指导意见。

1 几何模型和网格划分

闪蒸罐的结构如图1a所示，来液通过接管进入闪蒸罐的环形空间，气液初步分离，液体进入下部积液区，气体携带固体颗粒从内筒向上流动，流经分离部件实现气固分离。闪蒸罐整体尺寸很大，并且从气液固流动过程分析，冲蚀磨损主要发生在闪蒸罐入口区域，而且上游进液管对流动也有影响，因此计算区域包括闪蒸罐环形空间和T形管（图1b）。

图1 闪蒸罐结构和计算区域

采用Gambit建模软件对计算区域进行结构化网格划分（图2），在管壁和流动转向的区域进行网格加密，网格数量为2 074 933。

图2 计算区域网格划分

2 数学模型

2.1 控制方程

DPM离散相模型是根据牛顿第二定律，从而计算出流体曳力、升力及湍流效应等因素对颗粒运动的影响，它可详细追踪颗粒的运动细节，并且易与冲蚀模型耦合计算，所以笔者选用DPM离散相模型进行模拟。基于闪蒸罐内恒温和不可压缩流动的假设，三维瞬时流动的控制方程为：

2.2 冲蚀模型

含固流体对材料的磨损程度通常采用冲蚀速率表示，冲蚀速率是指冲蚀量与产生冲蚀的行程或时间的比值。Fluent中离散颗粒对设备壁面磨蚀速率E的定义为：

式中 Aface——受冲击壁面面积；

b（vp）——颗粒相对速度的函数，其默认值分别为1.8×10-9、1、0；

C（dp）——颗粒粒径函数；

f（θ）——颗粒冲击角函数；

mp——颗粒质量；

vp——颗粒冲击速度。

由于Fluent中的冲蚀模型无法正确反映闪蒸罐冲蚀过程与颗粒大小、颗粒冲击角等参数的关系，因此采用自定义函数的方式对冲蚀模型进行修正，并用于闪蒸罐冲蚀过程的数值模拟。

2.3 边界条件和求解器设置

模拟对象为水蒸气和煤粉颗粒组成的气固两相流。水蒸气的密度为315 g/m3、粘度为11.39μPa·s，煤粉颗粒的密度为1 400 kg/m3、粒径为100μm。根据气体流量11 200 kg/h和煤粉颗粒流量8 000 kg/h，设置速度入口边界条件；出口处假设流动已经局部单向化，施加压力出口边界；壁面设定为脆性无滑移固壁的边界条件。

计算过程中，通过k-ε湍流模型封闭方程组，对控制方程的离散采用控制容积积分法和二阶迎风差分格式，压力速度耦合选择SIMPLE算法。采用非稳态求解器进行计算，时间步长设定为0.001，连续残差设定为1×10-5以保证流场完全稳定。

3 闪蒸罐冲蚀模拟结果与分析

3.1 流动特性分析

图3是闪蒸罐内速度分布云图。由图3可以看出，夹带着固体颗粒的气体以较高的速度从入口段进入管路后，在惯性作用下仍保持高速流动；在三通管汇处，流体转向且流速降低；进入闪蒸罐内，由于流动区域变大，流体流速降低，仅在挡板附近有一薄层流体的速度较高。三通管的竖直管底部和水平管内的流体形成漩涡流动；在漩涡的影响下，入口高速气流的末端绕轴线周期性摆动。闪蒸罐内的流体经挡板分流后进入环形空间，在相对入口180°的位置形成撞击流。

图3 闪蒸罐内速度分布云图

由于流体在入口管内形成了大面积的涡流流动，所以入口管内的压力分布不均匀，存在多处局部高压和低压区，而闪蒸罐内压力分布较均匀（图4）。

图4 闪蒸罐内压力分布云图

湍动能是衡量湍流发展和衰退的重要指标，在入口管内流体速度变化显著，导致整个入口管内的湍动能明显大于闪蒸罐内的湍动能，并且在高速气体界面和转向减速位置，因其剪切作用，湍动能强度有较大变化（图5）。

图5 闪蒸罐内湍动能分布云图

分析速度、压力和湍动能的分布云图可知，在闪蒸罐入口管和挡板的区域，流体流速较大且湍流强度也大，因此该区域将是发生冲蚀磨损的重点区域。

3.2 冲蚀结果分析

图6是模拟计算得到的闪蒸罐冲蚀速率分布云图。由图6可看出，入口管底部和挡板底部的冲蚀速率最大，说明此区域受到气流的冲蚀最严重。入口管底部气流携带颗粒直接撞击管壁，同时该区域流体的漩涡流动会卷吸颗粒摩擦壁面，导致管壁冲蚀严重；气流携带颗粒进入闪蒸罐后直接冲击挡板，然后在挡板的导流作用下从两侧进入环形空间，所以在挡板中间由于碰撞作用冲蚀严重，而挡板两侧由于切削作用冲蚀也严重；挡板分流后的气流获得一定的径向速度，在30～60°范围内到达外筒壁，然后在外筒壁的约束下继续流动，因此外筒壁的冲蚀主要发生在30～60°范围，但此时气流速度相对较小，因而其冲蚀速率比挡板的减小约两个数量级。

图6 闪蒸罐冲蚀速率分布云图

闪蒸罐内不同位置冲蚀速率的对比见表1。由表1可知，入口管的冲蚀速率明显大于其他位置的，如前所述这是由于入口区域气流速度最大，且流体转向和漩涡流最多，壁面受到颗粒的较强碰撞和磨削。挡板是流体发生转向等能量转换的第2个位置，所以挡板的冲蚀速率仅次于入口管。进入环形空间后，流体的流动速度明显减小，闪蒸罐内、外筒壁和顶板处的冲蚀速率势必降低。

表1 闪蒸罐内不同位置冲蚀速率的对比

4 结论

4.1 采用基于拉格朗日法的DPM离散相模型和修正的冲蚀模型，可较准确地模拟闪蒸罐内气固冲蚀过程，且预测冲蚀严重的位置与实际趋势较为吻合。

4.2 颗粒对闪蒸罐的冲蚀主要集中在入口管和挡板下部区域，该区域的冲蚀速率比其他位置大2～3个数量级，所以有必要对入口管和挡板进行结构优化或选择合适的抗冲蚀材料，以保证闪蒸罐长周期安全运行。