基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法技术

基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，涉及Shell气化炉。包括如下步骤：1)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分；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设置和计算求解；3、模拟结果展示的后处理。对Shell气化炉的流场和温度场进行了模拟计算，准确且方便得到了Shell气化炉炉内的一些基本物理量，对Shell气化炉的设计和工业生产提供了完整的炉内信息。精准预测了炉内的物理量，从而实现了对Shell气化炉中煤粉气化过程的再现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及Shell气化炉，尤其是涉及一种基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法。
技术介绍
Shell气化炉是一种典型的气流床气化炉，广泛应用于燃煤发电、煤制甲醇和煤制天然气等领域。Shell气化炉气流床煤气化技术是一种先进的煤气化技术，具有气化强度高、碳转化率高、产品煤气中不含焦油和酚类物质等优点。Gazzani(Gazzani,et al.Reduced order modeling of the Shell–Prenflo entrained flow gasifier.Fuel,2013,104,822-837)曾报告了关于利用Shell气化炉的降阶模型模拟气化过程的文章，文章并没有详细的给出Shell气化炉内流场和温度场等信息。然而对于Shell气化炉的设计和工业应用，描述Shell气化炉内流场和温度场等信息具有重要意义，因此需要在建模过程中全面考虑Shell气化炉的结构、煤粉和气相的化学反应、气固两相流动及其相互的耦合作用等。针对Shell气化炉，通常的研究手段有实验室规模下试验、工业规模下探索和计算机仿真。而前两者研究的结果并不能针对流场和温度场等有很好的显示和解释，同时科研条件严格，经费数额巨大，因此计算机仿真研究在Shell气化炉流场和温度场模拟方面发挥了十分重要的作用。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对物理和化学现象做系统的分析。通过CFD模拟能够得到流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布。所得到的结果具有普遍性，为实验研究和工业设计提供了很好的指导作用。虽Shell气化炉在国内进行了大力推广，但这些装置的运转并不良好，暴露的问题主要有煤粉输送系统的稳定性差、下渣口阻塞、锅炉积灰等。由于对于工业采集的收据点少，炉膛内的物理和化学反应情况均不知道，目前Shell气化炉煤气化技术主要依靠生产经验进行调整。同时为了更加符合各个化工厂生产，气化炉所用的煤种和其产品均不同，这对探索一个普适性的模拟方法增加了难度。通过对现有技术的检索，并未发现类似专利。特别是针对Shell煤粉气化炉。如何能简单高效的得到Shell气化炉内各个位置上的基本物理量显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法。本专利技术包括如下步骤：1)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分；在步骤1)中，所述计算域网格的划分可采用ICEM CFD软件进行绘制，具体步骤如下：(1)、依据Shell气化炉的炉体结构和尺寸，并结合喷嘴结构，同时考虑到存在的工艺条件进行确定了Shell气化炉的几何模型，利用SolidWorks软件绘制所述几何模型；(2)、将上述几何模型导入ICEM CFD软件，并确定模拟计算域，所述模拟求解域的确定为；(3)、将所述计算域进行分块处理，划分成若干子区域；(4)、在所述子区域上采用非结构六面体网格进行划分，同时考虑网格质量、网格疏密程度和网格数量，确定六面体网格中的节点数目，网格绘制完成后再整合形成完整的计算域；(5)、初步设定边界条件，并导出网格文件，准备输出求解。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设置和计算求解；在步骤2)中，所述计算求解可采用求解器，所述求解器为Fluent软件，所述计算求解的具体步骤可为：(1)、将步骤1)中已编辑好的网格文件导入Fluent软件中，对网格进行进一步检查，确保网格和模拟计算域中的单位尺度一致，并选择Fluent求解器和其运行环境；(2)、选择计算模型并设置计算模型参数，包括激活能量方程，湍流模型以及非预混合燃烧模型；(3)、依据工业所用煤粉性质设置模拟所用的煤粉性质；(4)、依据工业运行的Shell气化炉情况设置边界条件，选择离散格式和设置欠松弛因子并激活监视器；(5)、初始化流场并完成迭代求解计算，得到Shell气化炉炉内的基本物理量。3)模拟结果展示的后处理。在步骤3)中，所述后处理的具体方法可为：将CFD模拟获得的数据输出并显示为图形或曲线，利用ANSYS CFD-Post软件进行后处理，通过后处理能够有效地观察和分析模拟计算的结果，直观地了解Shell气化炉炉内的流场和温度场分布。本专利技术展示了喷嘴平面的速度矢量图、喷嘴平面的温度云图和CO和H2摩尔分数在轴向的分布。本专利技术的有益效果为：本专利技术对Shell气化炉的流场和温度场进行了模拟计算，准确且方便得到了Shell气化炉炉内的一些基本物理量，对Shell气化炉的设计和工业生产提供了完整的炉内信息。本专利技术适用于基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，为工业运行操作提供理论基础，推进Shell气化炉的设计和开发，为Shell气化炉的发展提供全面可靠的建模方法，节约开发成本，具有很好的应用前景与经济价值。本专利技术采用CFD数值模拟方法充分考虑了炉内的物理与化学变化，克服了实验测试投资大、周期长等缺点，精准预测了炉内的物理量，从而实现了对Shell气化炉中煤粉气化过程的再现。附图说明图1为Shell气化炉物理结构模型图。图2为ICEM CFD工作流程图。图3为网格划分示意图。图4为Fluent工作流程图。图5为喷嘴平面的速度矢量图。图6为喷嘴平面的温度云图。图7为CO摩尔分数沿气化炉中轴线的变化图。图8为H2摩尔分数沿气化炉中轴线的变化图。具体实施方式本专利技术可以为Shell气化炉流场和温度场模拟提供一个新方法，并为工业生产操作和Shell气化炉设计提供依据，从而为Shell气化技术的推广提供了保证。以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。利用CFD软件对Shell气化炉流场和温度场进行模拟整个工作流程包括三个部分，即CFD 前处理、CFD求解器和CFD后处理。在CFD前处理阶段，针对国内某工厂的Shell气化炉并利用SolidWorks软件建立了相同的物理结构模型；并利用ICEM CFD软件划分计算域，在分块的计算域中分别划分网格，考虑网格质量、网格疏密程度和网格数量等因素，确定六面体中网格节点数；最终确定网格并导出网格文件供求解器所用。在CFD求解器阶段，根据工业运行情况，建立合适的Shell气化炉模型和控制方程，设置模型参数和合理的边界条件；通过设置求解器参数，将控制方程和边界条件进行离散化；给定求解参数，进行计算初始化，最后对控制方程进行迭代求解计算，求解迭代之后将结果文件保存，供后处理所用。在CFD后处理阶段，主要是有效地观察和分析数值模拟计算的结果。参见图1，本专利技术以国内某工业运行的Shell气化炉为例，炉膛高度为8800mm，炉膛1直径为2960mm，四个对称式的喷嘴2沿气化炉圆周同一平面均匀布置，偏置角为4.5°，距离炉渣出口垂直距离为2060mm。喷嘴2采用的双通道方式，并由中心通道和环形通道组成，其中中心通道运输的是煤粉和载气CO2，环形通道运输的是氧化剂O2。本专利技术利用SolidWorks软件建立了Shell气化炉物理结构模型。参见图2和图3，本专利技术对Shell气化炉进行了网格划分，为了保证网本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于包括如下步骤：1)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分；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设置和计算求解；3)模拟结果展示的后处理。

【技术特征摘要】
1.基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于包括如下步骤：1)前处理，所述前处理包括Shell气化炉物理模型的建立、模拟求解域的确定和计算域网格的划分；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设置和计算求解；3)模拟结果展示的后处理。2.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤1)中，所述计算域网格的划分采用ICEM CFD软件进行绘制，具体步骤如下：(1)、依据Shell气化炉的炉体结构和尺寸，并结合喷嘴结构，同时考虑到存在的工艺条件进行确定了Shell气化炉的几何模型，利用SolidWorks软件绘制所述几何模型；(2)、将上述几何模型导入ICEM CFD软件，并确定模拟计算域，所述模拟求解域的确定为；(3)、将所述计算域进行分块处理，划分成若干子区域；(4)、在所述子区域上采用非结构六面体网格进行划分，同时考虑网格质量、网格疏密程度和网格数量，确定六面体网格中的节点数目，网格绘制完成后再整合形成完整的计算域；(5)、初步设定边界条件，并导出网格文件，准备输出求解。3.如权利要求1所述基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法，其特征在于在步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华，蔡重，曹志凯，江青茵，师佳，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35