煤气化装置中黑水角阀内部流场优化研究

第43卷第2期煤化工Vol.43 No.22015年4月Coal Chemical IndustryApr. 2015煤气化装置中黑水角阀内部流场优化研究王永洲',陈畅?,李作为2(1.兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂,陕西榆林 719000;2.北京航天石化技术装备工程公司,北京100076)摘要为解决煤气化装置中黑水角阀阀体损坏严重的问题，建立3种具有不同流动曲面的黑水角阀几何模型,采用CFD软件Fluent中k-e模型,对黑水角阀内部流场进行了仿真计算和分析。结果表明,通过改变阀体入口和出口的曲率半径,在黑水角阀内部流场的不同位置产生涡流,可改变流体的流动方向,从而影响闪蒸和气蚀的发生位置,避免在阀体处发生气蚀,减轻对阀体的损坏。关键词煤气化, 黑水角阀,内部流场,曲率半径,CFD,模拟,优化文章编号: 1005-9598 (2015) -02-0024-03中 圈分类号:T0055文献标识码:A引|言流道模型,用Gambit软件进行网格处理,用CFD数值模拟软件Fluent进行三维流场模拟[5],对具有3种黑水角阀是德士古煤气化装置上的关键阀门,用不同流动曲面的黑水角阀模拟结果进行对比分析,为于控制气化炉、洗涤塔和闪蒸罐出口处黑水的流量、进一步优化设计,提供理论依据。压力,其工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质中含有固体颗粒的特点。在煤气化工段中,介质主要为高1黑水角 阀阀体受损情况温的黑水、渣水或灰水,最高温度可达240 C左右,最大压差可达7. 5 MPa,使用工况非常苛刻[-2)。黑水、渣黑水角阀使用一定周期后,通过观察阀座及阀体水及灰水中含有氯离子、氨钾盐、硫化氢或磷酸等强冲蚀情况,可以发现,在使用过程中,阀座的文丘里段腐蚀介质,并含有固体颗粒,因此流体在阀门中的流发生了严重的侧向冲蚀,造成冲穿，对阀体相同部位场分布以及流速的分布对黑水角阀阀体及阀芯阀座造成损伤,严重影响了装置的正常安全运行。同时,由等节流零部件的使用寿命会产生较大的影响4。于阀体损坏严重,必须更换整阀,导致后期成本升高。具有不同结构的国内外黑水角阀,会使流体在阀经初步分析,认为严重的单侧冲蚀与阀门的内部体内的流向发生90°变化,其流路简单,阻力小,渗漏结构有着紧密的关系。为了进一步分析冲蚀原因,对内少,适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒状物质部流场流动与阀门结构的关系,进行了有关研究。流体的调节,可以避免结焦、堵塞,也便于自清洗。通过了解黑水角阀某现场使用情况.发现具有不2计算模型的建立同流动曲面的阀体使用寿命相差较大。为了研究不同流动曲面曲率对黑水角阀内部流场的影响,优化黑水纵观国内外厂商的角阀结构,发现所查阅过的角角阀内部流场,北京航天石化技术装备工程公司调节阀阀体入口和出口都呈90°,但是流动曲率半径各有阀组选用相同阀体口径、相同内件结构和尺寸,相同差别,可以初步判断流动过程中的曲率半径是关键参阀门开度，不同流动曲面的阀体结构的黑水角阀,利数之一。根据这一推断,使用Solidworks2012三维设用三维造型软件Solidworks2012 ,对黑水角阀建立了计软件,建立几何模型。不同阀体结构的黑水角阀物中国煤化工收稿日期:2014-11-23JYHCNMHG专业，现从事化作者简介:王永洲(1980- ), 男,陕西西安,工程师,学士,2004年毕业于空军上在八月开Ut议工仪表维护技术工作, E-mail:chench@calt11. cn。..26-煤化工2015年第2期6. 32e+066. 33e+055. 97e+065. 94e+t06s. 10e+064. 78+064. 69e+049510 .4.39<+064 28et4 26+063. 46e+063. 23e+063. 05++063. 58e-062.84e+062 64e+061.68e+061. 41e-062. 2+01. 30e+061.00-661.870+069. 10e+055 94et95-2.26e-05-2 50e+05长36e-058 37e+05-1. 05e+06-1. 410+06-1. 87e+06(a)曲率半径350 mm(b)曲率半径150 mm(c )曲率半径100mm图3黑水角阀静压分布云图和局部放大图可以得到以下结论:(1)当阀体曲率半径作为唯一变量,而其他条件恒定的情况下,不同曲率半径对总压分布的影响不大。(2)流体对阀体的冲蚀程度远小于对出口管道的气蚀和冲蚀。(3)阀体的曲率半径直接影响出口流体流向和汽(a)曲率半径(b)曲率半径 (c)曲率半径蚀发生的位置,选择合适的曲率半径(R=150mm,350350mm150mm100mmmm),可以有效地避免在阀座单侧壁面发生气蚀,缩短图4黑水角阀速度矢量图压力恢复时间,从而缩短阀座长度,优化设计。面,产生了很大的压差阻力。(4)选择合适的曲率半径(R=150 )可以有效地通过调整流动曲面的曲率半径(见图4b),改善避免由于边界层分离产生的涡流，降低压差阻力,使了流体流动性,避免了阀座出口处涡流的产生,降低阀座出口处速度云图呈倒锥状分布,在流道中部产生了压差阻力,同时阀体出口速度分布均匀,过节流面汽蚀,减轻了气蚀对出口流道的破坏,增加了阀门的后,速度迅速降低，这样可以有效地缩短气蚀等对出使用寿命。口流道破坏的长度,可延长阀座使用寿命,保证阀门参考文献:长期安全可靠运行。3.4结果分析[1]郭凤忠.煤化工用黑水角阀的研制[J].阀门,2011(3):存在黏性和逆压力梯度是流体发生边界层分离31-32.的必要条件",在黑水角阀中的流体满足这两种条件,[2]张玉卓.中国煤炭液化技术发展前景[J].煤炭科学技所以就有可能产生边界层分离。边界层分离后,有可术,2006 ,34(1):19-22.能会产生倒流,即产生漩涡,如图1(C)模型所示，涡[3]王新昶,孙方宏,孙乐申,等.高压差高固含量减压阀的仿真优化设计[J].上海交通大学学报,2011 ,45(11):流的产生会导致很大的压差阻力,使压力恢复时间较1 597-1 601.长,扩大了气蚀区域,缩短了阀座的寿命,所以应该尽[4]偶国富,饶杰,章利特,等.煤液化高压差调节阀空量避免涡流的产生。通过改变阀体的曲率半径,可有蚀/冲蚀磨损预测[J].摩擦学学报, 2013,33(2):155效地避免涡流的产生(如图1a模型和图1b模型所-161示),并且保持流体呈倒锥状分布流动(如图1a模型[5]王福军.计算流体力学分析-CFD软件原理与应用[M].所示),使汽蚀发生在阀座出口流道的中心部位,远离北京:清华大学出版社, 2004: 122- 125.壁面,有效减轻了汽蚀对阀座出口流道的破坏。[6]刘芳.控制阀闪菜和空化现鱼乃阳塞流的计算[J].4结论石油化]中国煤化工[7]陈懋章.|YHCN M H G.京:高等教育出根据CFD计算结果与现场实际使用情况的比较,版社,2002. .(下转第38页).- 38-煤化工2015年第2期醇中平均杂醇质量分数均为0.04%,使用两种催化剂MK151的产能最大化。生成的粗甲醇品质方面差别不大。因此，初期活性阶段,MK151与MK121在催化剂的选择性方面基本相当。参考文献: .[1]韩文光.化工装置实用操作技术指南[M].北京:化学4结语工业出版社, 2001: 148.通过对比MK151催化剂与MK121催化剂初期活[2]赵绍民合成气成分对甲醇合成生产的影响[J].煤化工, 2003.31(4):42.性阶段的实际运行情况，可以得出: MK151的平均CO[3]冯元奇，李关云.甲醇生产操作向答[M].北京:化学工单程转化率较MK121的C0单程转化率高5. 6%，业出版社, 2008 : 186-188.MK151的最大生产负荷较MK121的最大生产负荷高[4]钱盛,李卫东.影响甲醇合成催化剂时空收率的因6. 9%, MK151的实际产能大于MK121的产能。咸阳化素[J].中氮肥,2002(1):3-5.工在总结MK121催化剂使用经验的基础上，使用[5]周道康.甲醇合成催化剂1K-101在国内某装置上的MK151的过程中，充分地利用MK151的活性，可使应用探讨[J].云南化工, 2002(4):20.Comparison of the MK151 and MK121 Methanol Catalyst in the 600 000 t/a UnitAn Bo(Shaanxi Xianyang Chemical Industry Co., Ltd., Xianyang Shaanxi 712000, China)Abstract The HTAS methanol synthesis process was sketched and the performance and characteristics of the MK151and MK121 catalysts were introduced, respectively. Analysis and comparison of the service of the two catalysts were madebased on their data of loading, reduction and initial activity, which indicated that the average CO conversion per pas of MK151was better than that of MK121, the maximum production capacity of MK151 was greater than that of MK121 and the productionload of MK151 was 6.9% higher than that of MK121.Key words methanol, synthesis, MK151 catalyst, MK121 catalyst, activity(上接第26页)Research on the Optimization of Intermal Flow Field of the Black WaterAngle Valve in the Coal Gasification UnitWang Yongzhou', Chen Chang' and Li Zuowei?(1. Yulin Enengy & Chemical Co., Ltd, Yanzhou Coal Mining, Yulin Shaanxi 719000, China;2. Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Corporation, Beijing 100076, China)Abstract Black water angle valves used for commercial direct coal gasification suffered serious damages on their bodies.Three geometric models of black water angle valves with different curved flow surfaces were built up. Simulating calculationand analysis were performed with the help of the k-ε model of the CFD for the intemal flow field of the valve. The resultindicated that there existed vortexes at diferent locations of the intemal flow fields with the change of the curvature radius ofthe inlet and outlet of the valve body, which changed the direction of the flow, and that caused an impact on the location of theflash and cavitation. This change avoided cavitation at the valve body, thus alleviated its damage.Key words coal gasification, black water angle valve, intemal flow field, curvature radius, CFD, simulation, optimization中国煤化工MYHCNMHG .