溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響的數值模擬

-潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù)溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響的數值模擬吳俁,周傳波,李乾軍2(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,武漢430074;2.東南大學(xué)熱能研究所, 南京210096)摘要:建立了基于CFD的三維非穩態(tài)的噴動(dòng)流化床煤氣化動(dòng)力學(xué)模型,考察了溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響。此模型包含了以下子模型:氣固流動(dòng)模型,煤的揮發(fā)分析出模型,焦炭氣化反應模型,氣相間的均相反應模型。焦炭的非均相反應的速率由氣體的擴散和化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)共同控制,氣體的均相反應可以作為二級反應來(lái)處理。試驗結果和模擬的計算結果進(jìn)行了對比，驗證的結果表明了此CFD模型可以用來(lái)預測煤氣化的反應過(guò)程。關(guān)鍵詞:三維;CFD模型;煤氣化;加壓噴動(dòng)流化床Abstract :A 3D unsteady mathematical model has been developed to simulate the coal gasifica-tion process in a pressurized spout-fuid bed. This CFD model is composed of gas- -solid hydrodynamics,coal pyrolysis, char gasification and gas phase reaction sub- -models. The rates of heterogeneous reac-tions are determined by combining Arrhenius rate and diffusion rate. The homogeneous reactions of gasphase can be treated as secondary reactions. A comparison of the calculation and experimental datashows that most gasification performance parameters can be predicted accurately. The good agreementindicates that CFD modeling can be used in the complex fluidized beds coal gasification processes.Key words: 3D;CFD modeling;coal gasification;pressurized spouted fluidized bed中圖分類(lèi)號:TK22文獻標志碼:A文章編號: 1001- 5523( 2009 )04-0021-05由于我國資源特點(diǎn)，以煤為主的能源供應在相作以下假設:(1)床料、焦炭具有同樣的粒徑,無(wú)粒徑當長(cháng)的時(shí)間內不會(huì )改變。煤氣化技術(shù)是諸多潔凈煤分布,且反應過(guò)程中粒徑不變。(2)假設煤的揮發(fā)分發(fā)電技術(shù)的基礎，國內外研究者對此進(jìn)行大量的研析出是一個(gè)瞬時(shí)的過(guò)程。(3) 本模型只考慮甲烷的究工作。近年來(lái),隨著(zhù)計算方法的改進(jìn)和計算機硬件燃燒反應,不考慮生成甲烷的甲烷化反應。(4)取無(wú)條件的提高,CFD模型被證明是- -種 有效的優(yōu)化和滑移的壁面條件,時(shí)間步長(cháng)為2x 10-s。(5)對出口分析手段，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。Scott未分解完的水蒸氣的摩爾分數進(jìn)行折算。Cope"利用FLUENT 6.0建立了二維流化床三相顆1.1氣固流體力學(xué)方程?；旌湍Ｐ?。Raelli利用FLUENT6.1建立了鼓泡1.1.1 連續性方程|能流化床RDF(refuse -derived fuel)燃燒模型,但在煤氣化領(lǐng)域的應用尚未見(jiàn)報導。本文建立了基于CFD氣相(e,P)+V"'(epJ)=S,|牌的煤氣化數學(xué)模型，結合歐拉雙流體模型計算噴動(dòng)固相(e,p)+V'(eqPyY)=S%流化床流場(chǎng)，在此基礎上利用軟件提供的用戶(hù)自定義方程(UDF)加入化學(xué)反應模塊從而建立了加壓煤在此e,p,V分別表示體積份額,密度和瞬時(shí)速|(zhì)身部分氣化爐3D整體反應動(dòng)力學(xué)模型。度。等式右邊的s表示源項.只有流場(chǎng)時(shí)設為0,當_用有異中國煤化工存在質(zhì)量動(dòng)量及1數學(xué)模型熱量交YHCNMHG本文的模型以化學(xué)動(dòng)力學(xué)為基礎,為簡(jiǎn)化模型，1.1.2動(dòng)量方程●21●吳俁等、溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響的數值模擬潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù)燃燒反應: .氣相.，(e&p,V)+V"(ep>V)=-e,VP+ .C+一02→+(2- )CO+(號 -1)CO2(1)EgPg+V&g. rτg-B(V;-V)=Spu其中:業(yè)是機理因子,一些研究已確定業(yè)是溫度、顆固相。(e,p,V,)+V.(ep,V,)=-e;VP+a粒大小和碳類(lèi)型相關(guān)的函數,較小的顆粒粒徑和較e,p, g+VP+Ver,r,+B(V-V)=S,山n高的反應溫度有利于co的生成;反之,則有利于這里,β為曳力系數,g為重力加速度,u為顆粒CO2的生成。對其的選取,可利用Ross的計算方法:平均速度。| 2Z+2d,≤0.05 cm1.1.3能量方程2+2多相流的傳熱通過(guò)氣相和固相的焓值進(jìn)行計= 2Z+2- (-(100-0.0)0.0950.05 cm≤d,≤0.1 cm算:|1.0d,≥0.1 cm(E,p,H)+7 "(e,pu.JH)=Va.VT)+Q+SH,其中,z=2 500 exp|-6 249. (&, p,H)+V "(, pu,H)=V(),V T)+Qn+S.H,碳與水蒸氣的反應:此處H、λ、Q分別為焓、混合物熱傳導率、氣相C+H20- +CO+H2(2)和固相間的熱交換，公式右邊第三項為固相變?yōu)闅舛趸嫉倪€原反應(Boudouard reaction);:相時(shí)帶來(lái)的熱量。C+CO2→2C0(3)1.2化學(xué)反應模型焦炭的燃燒和氣化反應同時(shí)考慮化學(xué)反應及氣煤氣化化學(xué)反應主要包括如下三個(gè)模型:(1)煤體的擴散,Kwy可由下式計算:KyF ShDs ,D,為氣熱解和揮發(fā)分析出模型;(2)焦炭非均相反應模型;dp(3)氣體均相反應模型。體的擴散系數。1.2.1揮發(fā)分析出模型表征顆粒傳質(zhì)特性的Sherwood數受顆粒和氣由于噴動(dòng)流化床傳熱速率高和良好的氣固混體流動(dòng)的影響。本模型采用岑可法提出的計算式和，煤中揮發(fā)分析出的時(shí)間與氣化反應相比要短得進(jìn)行計算:Sh=2+0.654Re"Sc^, (Re= ude ,Sc=多，研究煤氣化的模型中許多都假定揮發(fā)分進(jìn)入爐μ膛內立即釋放。本模型采用動(dòng)力學(xué)平衡模型來(lái)描述揮發(fā)分釋放后的產(chǎn)物分布,然后與其他子模型結合,焦炭的燃燒和氣化反應的速率方程:進(jìn)行模擬計算，因此該模型可以進(jìn)行多組分的熱解= 6V.K.PX,產(chǎn)物的計算,具有- -定的通用性2。dKKyVolatile- +aryCO2+a2CO+axCH+azH+a,H20能Ks;為表面反應速率常數,取值見(jiàn)表19。Za=1表1焦炭非均相反應的表面反應速率常數Pa-'s-+1.2.2 焦炭氣固非均相反應反應方程在本模型中，焦炭的氣固非均相反應包含三個(gè)Ks;=17.9exp[-13 750/Tp]用反應:焦炭的燃燒反應,焦炭和水蒸氣的反應,焦炭Ks=5.95 x 10-*exp[-13 650/Tp]3)Ks3=3.92exp[-26 927/Tp]和二氧化碳的反應( Boudouard反應)。關(guān)于焦炭與氧氣、水蒸氣和二氧化碳的反應機理,國外學(xué)者有不同中國煤化工5顆粒的體積(m),的描述。在本文中,我們假設焦炭的非均相反應速率,MYHCNMHC粒的直徑(m),P為.22.由氣體的擴散和化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)共同控制。氣體組分的分壓力(Pa),X 為氣體組分的摩爾分昊俁等,溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響的數值模擬潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù)數。表3計算工況參數1.2.3氣體均相反應工況工況1工況2工況3對于氣體均相反應，由于流化床內湍流運動(dòng)十加煤量Akg*h-'5.79分強烈,因而可燃氣體與氧氣混和良好,反應時(shí)不考空氣量/Nm2.h-18.210.1911.53慮氣體間的傳質(zhì)和混和問(wèn)題，而認為氣相間的反應蒸汽量/kgh-11.781.861.93壓力MPa0.3完全由反應動(dòng)力學(xué)因素控制，因此上述反應可作為空氣、蒸汽入爐溫度1C525533550二級反應來(lái)處理。除了氣體燃燒反應以外,水氣置換氣化爐溫度/9C88489812反應也可按二級反應來(lái)處理。各反應的反應速率可表4煤的工業(yè)分析和元素分析%表示為:工業(yè)分析(ad)水分揮發(fā)分固定碳灰分r=A.1exp(1.1626.9346.0125.90元素分析(ad)氣體均相各反應式的動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表29。低位發(fā)熱量Cad Had 0ad Nad SadMad Aad表2氣體均相反應的動(dòng)力學(xué)參數1kJ.kg-+反應頻率因子活化能57.86 3.723 220/m'kmol-'g~'AkJ*kmol-*C0+ 1/20- +CO,3.09x 109.976x 10*3.1噴動(dòng)流化床床內氣體組分的分布H+ 1/202 +H208.83x 10在這里取縱向截面Y=0的截面來(lái)進(jìn)行描述。圖CHL+ 20;→2H,0+CO,2.552 x 104 .9.304x 102表明了氣體各組分濃度的分布。不同工況下濃度CO+H.0-→C0+H22.978x 10*3.69x 10分布的趨勢大體-致。氧氣的濃度沿著(zhù)床高的方向CO:+H2~ +CO+HO6.245 x 10*3.983x 10很快消耗完畢,這表明燃燒反應速率很快。同時(shí)在反2計算工況及網(wǎng)格劃分應器底部二氧化碳的濃度一直在增加， 并達到了最高值。CO2在床層下部環(huán)形區濃度高于噴動(dòng)區,說(shuō)明生成二氧化碳的燃燒反應主要集中在環(huán)形區。隨著(zhù)取相D-氧氣的消耗完畢,焦炭和水蒸氣、二氧化碳的反應成為主要的反應，如圖2所示，沿著(zhù)反應器的高度方向,氫氣和一氧化碳的濃度逐漸增加,而二氧化碳的濃度在降低。因為在本模型中只考慮甲烷的燃燒反應,不考慮生成甲烷的甲烷化反應,所以甲烷的濃度圈1試驗流程圖及三維網(wǎng)格劃分模型以熱輸人為0.1 MW的噴動(dòng)流化床氣化爐是噴口人口處最高,隨著(zhù)床高的增加逐漸減少。從圖為對象",氣化爐系統流程圖如圖1所示，同時(shí)圖1中還可以發(fā)現,在自由空間里,各組分的濃度基本保還給出了噴動(dòng)流化床的網(wǎng)格劃分示意圖。噴動(dòng)流化持穩定,說(shuō)明在自由空間基本上不發(fā)生化學(xué)反應,可能床由上部柱體和下部錐體構成。網(wǎng)格上部圓柱體采能的原因是，在自由空間里顆粒的濃度很小且溫度用規則的四面體網(wǎng)格,下部采用三角形網(wǎng)格,總的網(wǎng)的下降使得氣化反應速率大為降低。格數量約為5.6萬(wàn)。徐州煙煤的工業(yè)分析和元素分3.2噴動(dòng)流化床床內溫度的分布圖3表明了三種不同工況下反應器內溫度的析見(jiàn)表4,計算工況的參數如表3所示。分布(取縱向截面Y=0和橫向截面z=0.04)。如圖所用3模擬結果與分析示,給中國煤化工,反應器內的溫度隨之CN M H c年的趨勢基本一從表3的三個(gè)工況考察床層溫度對煤氣化的影致,中心順動(dòng)區溫度明顯咼十周邊壞形區，密相區的響。溫度高于懸浮段。人口射流有一一個(gè)非常明顯的高溫● 23●吳俁等，溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響的數值模樅潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù)11949電485-02HCOCH4CO2工況1185.011m-0150614hc1h-0019.C .60-01510342u日15-8154u042*”。.)2H;:0CH2工況218090m-18+016.72-08140-088-Ca1394015-685.68-09 .454-68.804-0010+00:O2工況3能圖2不同工況下O2、H2、CO.CH2和CO的分布火焰，并且沿著(zhù)床高的方向溫度場(chǎng)沿著(zhù)床高方向逐漸降低。究逐漸降低。在人口處，氧氣濃度最3.3溫度對氣化的影響高，氧氣與煤發(fā)生劇烈的燃燒反溫度對氣化產(chǎn)物的影響如圖用川I應并逐步被消耗完畢。當氧氣消4所示,H2和CH4的摩爾分數隨◎◎◎耗完以后,焦炭和水蒸中國煤化工而減少，而CO和碳的非均相反應此時(shí)d占三顯。原則上,床內溫工改1工配2工觀(guān)3的地位。因為焦炭與蒸MHCNMH(利于反應生成CO、書(shū)及時(shí)川同日●24●圍3不同工況下床內溫度的分布碳的反應是吸熱反應，所以溫度CH4和H,但由表3可知,工況1昊俁等、溫度對噴動(dòng)流化床煤氣化影響的數值模擬-潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù)到工況3的加煤量不變,是通過(guò)風(fēng)量來(lái)調節床層溫4結論度。隨著(zhù)風(fēng)量的增加,反應生成的CO、CH4和H2等可燃氣體均會(huì )和空氣發(fā)生反應,致使CO.CH和H2本文建立了噴動(dòng)流化床三維非穩態(tài)的化學(xué)反的摩爾分數減少。但同時(shí)我們發(fā)現CO和CO2的摩應動(dòng)力學(xué)模型，獲得了氣化爐內溫度和組分分布,爾分數變化不明顯，這是因為隨著(zhù)溫度的升高，考察 了宋層溫度對煤氣化過(guò)程的影響,并和試驗數Boudouard reaction (C+CO2-→2CO)反應速度加快,消據進(jìn)行了對比,有以下的結論:(1)人口中心噴動(dòng)區耗了CO2和生成了更多的CO。這樣使CO和CO2的的溫度最高。當氧氣消耗完以后,焦炭和水蒸氣、二二摩爾分數變化不是太明顯。氧化碳的反應占居了主導的地位。因為焦炭與水蒸氣、二氧化碳的反應是吸熱反應,所以溫度場(chǎng)沿著(zhù)床高方向逐漸降低。(2)溫度對氣化有兩方面的影10響:一方面,溫度的升高可以加快氣化反應速率,另-- co---- H-方面，溫度的升高意味著(zhù)更多空氣量的加入，而.... CH,更多的空氣會(huì )和已經(jīng)生成的CO、CH4和H2發(fā)生反應導致其濃度的降低。880885890895900905910915溫度/心參考文獻:圄4出口氣體組分隨不同床層溫度的變化[1]Scott C, Charles J,Coronella CFD Simulation of Particle Mixing3.4模擬值和試驗值的對比in A Binary Fluidized Bed[] .Powder Technology,2005,(151):試驗驗證在如圖1所示的熱輸人為0.1 MW27-36.的噴動(dòng)流化床氣化爐中進(jìn)行。表5比較了本模型的[2] Ravelli s, Perdichizi A, Barigozi Description C. Applications模擬值和試驗值,同時(shí)也給出了每種工況下各組分and Numerical Modeling of Bubbling Fluidized Bed Combus-計算的相對誤差?？梢园l(fā)現計算值和試驗值吻合得ion in Waste- to- energy Plants [D. Progress in Energy andCombustion Science ,2008,34(2):224- -253.很好，絕大多數的誤差在10%以?xún)?，平均誤差為8.18%。各組分最大的誤差是甲烷的計算誤差,達到[3] Lee J兒L KimY J, LeeW J, Kim s D. Cal-gasification KineticsDerived from Pyrolysis in A Fluidized Reacor 辦Energy,了15%。由此可見(jiàn)本模型中關(guān)于甲烷的模型存在一1998, 23(6):475- 488.定的偏差,低估了煤熱解揮發(fā)分析出模型中甲烷的[4] Liang Yu, Jing Llu, Xiangping Zhang. Numerical Simulation of釋放量。the Bubbling Fluidized Bed Coal Gasification by the Kinetic表5試驗值與計算值的比較%Theory of Granular Fow(KTGFU]. Fuel, 2007, (86):722-734.組分數值工況1工況2工況3[5] Hut R H,Calo J M. Semi-global Intrinsic for Char Combustion實(shí)驗值11.2511.1811.15ModelingJ,Combustion and Flame,2001,125)3)1138-1149.:0計算值11.95110.98[6]沈維道鄭佩芝.工程熱力學(xué)(M]北京:高等教育出版社，相對誤差6.221.631.521987.1311.710.85[7李乾軍,章名耀,施愛(ài)陽(yáng)、加壓噴動(dòng)流化床煤部分氣化試驗H213.71.4810.915.381.880.55[I.東南大學(xué)學(xué)報,2006, 36):765 -768.|京3.453.172.66|弟CH,3.983.342.71收稿日期:2009-02-09用15.365.3615.6917.3716.84中國煤化工CO214.0614.5314.36MYHCNMHG10.3816.3514.7●25●