壓力對噴動(dòng)流化床煤氣化影響數值模擬

第24卷第4期熱動(dòng)力工程Vol. 24,No.42009年7月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENFRCY AND POWERJuly. ,2009t新能源動(dòng)力技術(shù)f文章編號:1001 - 2020023-00壓力對噴動(dòng)流化床煤氣化影響數值模擬鄧中乙,肖睿,金保升， 宋啟磊(東南大學(xué)熱能工程研究所,江蘇南京210096)摘要:借助 CFD(Computaional fluid dyamics)軟件平臺首次析手段,在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。Frazeli 利建立了三維噴動(dòng)流化床氣化動(dòng)力學(xué)模型。此模型包含了以用CFD工具建立了甲烷重整反應模型"。Raveli.下子模型:氣固流動(dòng)模型,煤的揮發(fā)分析出模型,焦炭氣化反利用Fluent 6.1建立了鼓泡流化床RDF( refuse - de-應模型,氣相間的均相反應模型。此模型重點(diǎn)考察了操作壓rived fuel)燃燒模型[2]，但在煤氣化領(lǐng)域的應用尚未力的變化對煤氣化的影響。當壓力為0.1 MPa 時(shí),一氧化見(jiàn)報導。鑒于此,近期由于計算軟件的發(fā)展,本研究碳,氫氣,甲烷的摩爾分數分別為8.75% ,10.5%.3%,壓力利用CFD軟件平臺,結合歐拉雙流體模型計算噴動(dòng)為0.3 MPa時(shí),一氧化碳,氫氣,甲烷的摩爾分數分別為流化床流場(chǎng),在此基礎上利用軟件提供的用戶(hù)自定11.2%,12.81% ,4.27%。煤氣質(zhì)量在加壓后有了明顯的提高,并通過(guò)試驗結果進(jìn)行了驗證。義方程( UDF)加人化學(xué)反應模塊從而建立了加壓煤關(guān)鍵詞:CFD模型;煤氣化;加壓噴動(dòng)流化床;數值模擬部分氣化爐3D整體反應動(dòng)力學(xué)模型。中圖分類(lèi)號:TQ051. 13;0242文獻標識碼:A .1數學(xué)模型引言本文的模型以化學(xué)動(dòng)力學(xué)為基礎,為簡(jiǎn)化模型,煤炭在我國的能源結構中占有重要地位,但在作以下說(shuō)明和假設:利用過(guò)程中容易產(chǎn)生大量的污染物,因此實(shí)現煤的(1)此模型為三維模型;高效低污染轉化具有十分重要的意義。煤氣化技術(shù)(2)床料、焦炭具有同樣的粒徑,無(wú)粒徑分布，是未來(lái)潔凈煤發(fā)電技術(shù)的基礎,如整體煤氣化聯(lián)合且反應過(guò)程中粒徑不變。循環(huán),第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán),整體煤氣化一(3)假設煤的揮發(fā)份析出是一個(gè)瞬時(shí)的過(guò)程。燃料電池和以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統等等,國(4)本模型只考慮甲烷的燃燒反應,不考慮生內外研究者對此進(jìn)行大量的研究工作。依據煤的不成甲烷的加氫氣化反應和甲烷化反應。同組分和不同轉化階段的反應特性不同的特點(diǎn),采(5)取無(wú)滑移的壁面條件,時(shí)間步長(cháng)為2x用溫和的部分氣化方式將煤中高活性的部分轉化成10-4。煤氣,殘余的低活性半焦碳通過(guò)燃燒方式加以利用，1.1 氣固流體力學(xué)方程從而在總體投資和運行成本降低的前提下,達到提1.1.1連續性方程高系統碳利用率的目的，第二代增壓流化床聯(lián)合循氣相:最(egPz)+ V.(∈epov,)=Sp .環(huán)發(fā)電技術(shù)正是基于此。東南大學(xué)在對新-代PF-BC系統的設計中，其前置氣化爐采用噴動(dòng)流化床固相:最(e。p.)+ 0.(e,p.V,)=Sg技術(shù)。噴動(dòng)流化床兼有固定床、流化床和氣流床的式中:e- -體積份額;ρ- -密度, kg/m'; V一瞬時(shí)速度，特點(diǎn).建立模型對煤種適應性寬不易結焦、氣固接m/s。等式右邊的s表示源項,當只有流場(chǎng)時(shí)設為觸特性好，是適應此種氣化的較佳選擇。零,當有異相反應時(shí),在氣相和固相之間存在質(zhì)量、近年來(lái),隨著(zhù)計算方法的改進(jìn)和計算機硬件條動(dòng)量]中國煤化工件的提高,CFD模型被證明是一種有效的優(yōu)化和分1.1.2MYHCNMHG收稿日期:2008-05-06;修訂白期:2009-03-25基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(5060600)作者簡(jiǎn)介:鄧中乙(1982 - ),男,江蘇宿遷人,東南大學(xué)博士研究生.524●熱能動(dòng)力工程2009年氣相:((epP&V)+" V.(ePeV&V)=-egVP式中:φ-機理因子,一些研究已確定φ是溫度、顆C+ CO2→2C0(3)+egPrg+ Vεg°τg- B(Vg-V)+Sg4。粒大小和碳類(lèi)型相關(guān)的函數,較小的顆粒粒徑和較固相:號(e。p.V.)+ V.(e。P.V.V)= -e.VP高的反應溫度有利于Co的生成;反之,則有利于CO2的生成。對其的選取,可利用Ross的計算方+ε。Psg-VP。+ Ve."t.+β(Vg- V.)+Sqgu。式中:β- -曳力系數, kg/(m's),g-重力加速度, m/法[8]:s;u,一顆粒平均速度, m/s。(2Z+2dp<0.05 cm .Z+21.1.3 能量方程.算:多相流的傳熱通過(guò)氣相和固相的焓值進(jìn)行計p={2z +-0(002p -0.05)0.05 an≤dp≤0.1 cm或(ePeH)+ V*(egPoufHg)= 0(a。V7,)+(1.0dp≥0.1 cm(4)Qg+ SgH。!-62492(e,p.H,)+ v.(e。p.u,H,)= V(2,VT,)+其中,Z=2 50x0=0o0)焦炭的燃燒和氣化反應同時(shí)考慮化學(xué)反應及氣Qng+ SgH。體的擴散, Kar可由下式計算:式中:H-焓,J/kg;λ- -混合物熱傳導率, W/(m.K);Q一氣相和固相間的熱交換, W/m2 ,公式右邊第三Kar= SMUDe ,D。氣體的擴散系數。(5)項為固相變?yōu)闅庀鄷r(shí)帶來(lái)的熱量。表征顆粒傳質(zhì)特性的Sherwood數受顆粒和氣體1.2 化學(xué)反應模型流動(dòng)的影響。本模型按以下的計算式進(jìn)行計算:煤氣化化學(xué)反應主要包括如下三個(gè)過(guò)程:(1)sh=2+0.654RQ.sS!?,(Re= udePr,μ揮發(fā)分析出;(2)氣固異相反應;(3)氣體均相反應。1.2.1揮發(fā)分析 出模型Sc=H)(6)PgD由于噴動(dòng)流化床傳熱速率高和良好的氣固混焦炭的燃燒和氣化反應的速率方程可由下式計合,煤中揮發(fā)分析出的時(shí)間與氣化反應相比要少得多,研究煤氣化的模型中許多都假定揮發(fā)分進(jìn)人爐6V。K.PX:(7)膛內立即釋放。本模型采用動(dòng)力學(xué)平衡模型來(lái)描述dp揮發(fā)分釋放后的產(chǎn)物分布,然后與其它子模型結合，進(jìn)行模擬計算,因此該模型可進(jìn)行多組分的熱解產(chǎn)K.=1/(文+立)(8)物的計算[3-4] ,具有- -定的通用性:K;-表面反應速率常數,取值如表1所示[7]。Volatile- →ajCO2+ a2CO + azCH4 + a4H2 + asH20表1焦炭非均相反應的表 面反應速率常數Sa;=1反應.單位方程1.2.2焦炭氣固非均相反應Pa-'s-1Ks,1= 17.9ep[ - 13 750/T。]在本模型中,焦炭的氣固非均相反應包含三個(gè)反(2Pa~'s-' Ks.2=5.95 x 10~ 'exp[ - 13 650/T,]應:焦炭的燃燒反應,焦炭和水蒸氣的反應,焦炭和二(3Pa-'g-'Ksg.s=3.92exp[ - 26 927/Tp]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)者有不同的描以上反應速率計算式中, V一顆粒的體積, m';述[5~-6] ,在本文中,我們假設焦炭的非均相反應速率rp-顆粒表面溫度, K;dp-顆粒的直徑,m,P-氣是由氣體的擴散和化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)共同控制”。體組分的分壓力,Pa;X-氣體組分的摩爾分數。燃燒反應:中國煤化工，C+0→(2-彭)C0+(壺- 1)CO2(1)二床內湍流運動(dòng)十碳與水蒸氣的反應:分強，MHCNM H G良好,反應時(shí)不考C+ H20-→CO+ H2(2)慮氣體間的傳質(zhì)和混和問(wèn)題，而認為氣相間的反應二氧化碳的還原反應( Boudouard reaction):完全由反應動(dòng)力因素控制。上述反應可作為二級反第4期鄧中乙，等:壓力對噴動(dòng)流化床煤氣化影響數值模擬525.應來(lái)處理。除了氣體燃燒反應以外,水氣置換反應網(wǎng)格_上部圓柱體采用規則的四面體網(wǎng)格,下部采用.也按二級反應來(lái)處理。各反應的反應速率為:三角形網(wǎng)格網(wǎng)格數量約為5.6萬(wàn)。對于此模型,進(jìn)r:=Agrexp(- n )CACg(9)口采用速度入口邊界條件,出口采用質(zhì)量出口邊界氣體均相各反應式的動(dòng)力學(xué)參數如表2所條件。對于壁面,采用無(wú)速度滑移和無(wú)質(zhì)量滲透條件;本文模擬的試驗煤種為徐州煙煤,工業(yè)分析和元示9。素分析如表5所示,計算工況如表3所示。表2氣體均相反 應的動(dòng)力學(xué)參數表3計算工況參數頻率因子活化能Egi反應A/m(kmol*)-1/k. kmol : 1工況1工況2工況3加煤量/kg*h-'4.24.65.87co+- 20-→CO23.09x 109.976x 10*空氣量/m2.h-17.87.59.4H+→0→HO8.83x 1089.976x 104蒸汽量/kg-h-'1.I51.241.6CH4+ 202-+2H20+ CO22.552x 1049.304x 10壓力/MPa.10.0.3CO+ H20→CO2+h22.978 x 10123.69x 10空氣、蒸汽入爐溫度/C534549557CO2+ HB2→CO+ H2O6.245x 1043.983x 10氣化爐溫度/心60862計算工況及網(wǎng)格劃分表4試驗數據[煤+脫蛋劑廣co8.3210.051.37冷卻器(Hh9.7611.9712.97取樣0-J降塵舞8DH2.403.084.00O215.2315.2416.18燃燒口N64.2959.66 .56.15氣壓縮機氣3模擬結果與分析蒸餾水-口一r-E2-高潞空氣水箱蒸汽蒸汽蒸氣加熱器1鍋爐過(guò)熱器為了方便簡(jiǎn)潔的對模擬的結果進(jìn)行分析,在這排渣罐里取縱向截面Y =0來(lái)進(jìn)行描述。(a), .00-015.70--015.40e-01I 5.10e-014.80--014.50-014.30--013.90e-013.60--013.30e- -01.3.00e-01 .3.70e-012.40e -012.10e-01Gx1.80e-01(b)1.50e-011.20-018.99-02圖1試驗流程圖及 三維網(wǎng)格劃分中國煤化工U模型以熱輸人為0. 1 MW的噴動(dòng)流化床氣化爐MYHCNMHG工I況3為對象[10] ,試驗流程如圖1所示，圖1(b)為噴動(dòng)流化床的網(wǎng)格劃分示意圖。試驗結果如表4所示。圖2不同工況下 固相體積濃度分布噴動(dòng)流化床氣化爐是由上部柱體和下部錐體構成?！?26●熱能動(dòng)力工程2009年| 1.69e-01100-018.020-02, 9.55e-021.73e-011.60-017.62e-02953e-02907-021.56e-01151e-019.03e-027.21e-028.60--021.47e-01143e-018.53e-028.12-021.38e-011.34e-01 .8.03-026 01. .007.64e-021.30--01 .期1.25e-01753-025610 0臨7.16e -021.21e-011.16e-017.03-02521--026.59e-021.13-011.07e-016.53e-024.81e-026.21e-021.04e -019.80-026.02-024.41e-025.73e- 029.51e-02，8.91e-025.52-024.01e- -025.25--028.64. 028.02e-025.03--023.6le- 02| 4.78e-027.78 027.13--024.52-02331e-024.30--02693元006.24e-024.02-023.81e-023.83e -02605 05.35e-023.51-023.41e-023.34e -025 100| 3.01-022.87e-024.46-02201e -023.56e- 022.51-021.61-022.39e 02| 2.01-02| 1.91e -023.46-022.67e-021.21e-021.51-021.43e- 021.78e-028.04e- -031.01-028.91e-03 ;4.04- 039.4le- -235.05e-033.09<-05.3.36e- -05000e+004.54e-06(a).工況1組分分布1.79e-011.04e- 011.10-01; 9.46e -02 .1.74c-011.67e-019.69c-02165e-011.03--018.83-021.55--018.99-021.43e-019.50-028.20-02 .8.30e-028.77e-027.57e-021.39e-011.31e-018.04-026.94e- 027.61e-02130-011.19e-01731e-026.31e-026.92e-021.13e-016.58e-025.68e-02633-02.9.53e -025.85e-025.05e -025.54e-02955e-02 .8.330 025.120-024.42e-024.84e-027.81e-027.14e-024.39e- 023.79e-024.15e-025.95e-02366-023.16e-023.46e-02521-24.76e-02293-02253e-02277-02.34e-02220e- 023.47e-023.57e -021.90-023.61e-021.47-021.38-022.38- -021.37-021.74-021.19e-027.41-036.37e-06.92-038.73e-032.14e -27VW1.09e- -046.59c-05 .5.28e-05(b)工況2組分分布1.74e-011.09e-019.75c-021.01e-01! 1.73e-011.040-019.36c-02 .9.36-02.1.64e-011.56-019.83e-028.77-029.27e-02 .8.39c-02 .805e 028.73e-027.80-027.54.-02m8807.0402119 07090-026.34c- 026.54.-02104e-06.55-025.85-026.04e-02104-019.55-026.0e-025.36-025.53e -029.5le 028.68e-025.40-024.88--025.03e-02| 8.64e- 027.91--02491--024.39<-024.53e-027.78e -026.94e-024.37-023.90--024.02e-026.08e-023.83e-023.42c-023.52-026.05e-025.21e-023.28e-022.93c-023.02e- 025.19e-024.34e-023.73e-022.44c-022.51e-024.32e-023.47-029.19e-021.96-02201e- 021.64e-021.47--022.S9e 021.51e-021.74e-021.10 029.81e -034.94c-038.68-055.03e-033.03e-180H00中國煤化工COn(c) T況3組分分YHCNMHG圖3不同工況下O2,H2,CO,CH和CO2的分布第4期鄧中乙，等:壓力對噴動(dòng)流化床煤氣化影響數值模擬表5煤的工業(yè)分析和元素分析濃度基本保持穩定,說(shuō)明在自由空間基本上不發(fā)生工業(yè)分析數值/%化學(xué)反應。水分1.16揮發(fā)分26.9314 t固定碳2t灰分_25.90元素分析0+一0- co57.86一p- CH3.77-0- Co28.7。1.11s.u1.500.100.15 0.200.250.3025.9壓力1MPa低位發(fā)熱址/Ukg-'23 220，圍4不同壓力下各組分的摩爾分數的比較圖2表明了床內固相和氣相體積濃度分布。在由圖4與圖5可以看出隨著(zhù)操作壓力的提高，加壓下,氣泡體積變小,形狀扁平且在床內均勻分煤氣的質(zhì)量也有了很大的提高,在壓力為0.1 MPa布,相同的床料和氣速下,流化更均勻,環(huán)形區和噴的條件下,一氧化碳，氫氣,甲烷的摩爾分數分別為動(dòng)區之間的傳熱和傳質(zhì)更均勻,氣固接觸性變好,導8.75%, 10.5% ,3%,而在壓力為0.3 MPa的條件致氣化劑在床內停留時(shí)間變長(cháng)。下,一氧化碳，氫氣,甲烷的摩爾分數分別為圖3表明了氣體各組分濃度的分布。不同工況11.2% ,12.81% ,4.27% ,均有了大幅度的提高。這下濃度分布的趨勢大體一致。 例如氧氣的濃度沿著(zhù)是因為,在增壓下,氣泡體積變小,形狀扁平且在床床高的方向很快消耗完畢,這表明燃燒反應速率很內均勻分布,相同的床料和氣速下,流化更均勻,環(huán)快。同時(shí)在反應器底部二氧化碳的濃度- - 直在增形區和噴動(dòng)區之間的傳熱和傳質(zhì)更均勻,內循環(huán)更加,并達到了最高值。CO2 在床層下部環(huán)形區依度穩定,氣固接觸性變好,且氣化劑在床內停留時(shí)間變高于噴動(dòng)區,說(shuō)明生成二氧化碳的燃燒反應主要集長(cháng)，且在加壓條件下反應物濃度也增大了,所有的這中在環(huán)形區。些條件使得煤氣質(zhì)量在加壓后有了明顯的提高。隨著(zhù)氧氣的消耗完畢,焦炭和水蒸氣,二氧化碳圖5同時(shí)也給出了模擬值和試驗值之間的對的反應成為主要的反應，如圖3所示,沿著(zhù)反應器的比工況1中各組分最大的誤差是甲烷的計算誤差，高度方向,氫氣和一氧化碳的濃度逐漸增加,而二氧.達到了25% ,工況2中各組分最大的誤差也是甲烷化碳的濃度在降低。因為在本模型中只考慮甲烷的的計算誤差,為17.8%。由此可見(jiàn)本模型中關(guān)于甲燃燒反應,不考慮生成甲烷的甲烷化反應,所以甲烷烷的模型存在- -定的偏差,還有待改進(jìn)。絕大部分的濃度是噴口入口處最高,隨著(zhù)床高的增加逐漸減的計算誤差均在10%以?xún)?可以說(shuō)模型計算的結果少。從圖中還可以發(fā)現,在自由空間里,各組分氣的很好地驗證了試驗的結果?？谠囼?工況2口試驗工況3目模擬■模擬.■模擬6016.18412.971421210號275104 4.273.08中國煤化工:0H: CH4 CO2TYHCNMH GCH，CO;圖5模擬值與試驗結果的對比●528熱能動(dòng)力工程2009年圖6表明了不同工況下反應器內溫度的分布的(1)人口中心噴動(dòng)區的溫度最高。當氧氣消耗趨勢(取縱向截面Y=0和橫向截面Z=0.04)。從完以后,焦炭和水蒸氣,二氧化碳的反應占居了主導圖中看出,隨著(zhù)加煤量和空氣量的增加,反應器內的的地位。因為焦炭與水蒸氣,二氧化碳的反應是吸溫度隨之升高。但是三種工況下的溫度分布的趨勢熱反應,所以溫度場(chǎng)沿著(zhù)床高方向逐漸降低?；疽恢?中心噴動(dòng)區溫度明顯高于周邊環(huán)形區,密(2)煤氣質(zhì)量在加壓后有了明顯的提高,當壓相區的溫度高于懸浮段。人口射流有一個(gè)非常明顯力為0.1 MPa時(shí)下,一氧化碳,氫氣,甲烷的摩爾分的高溫火焰,并且沿著(zhù)床高的方向溫度逐漸降低。數分別為8.75%, 10.5%,3% ,壓力為0.3 MPa時(shí)，在人口處,氧氣進(jìn)人反應器內,沿著(zhù)床高的方向上發(fā)一氧化碳,氫氣,甲烷的摩爾分數分別為11.2%，生劇烈的燃燒反應并逐步被消耗完畢。當氧氣消耗12.81%,4.27%。主要是由于氣固混合改善,以及完以后,焦炭和水蒸氣,二氧化碳的非均相反應此時(shí)加壓下反應物濃度增加影響氣化反應所致。占居了主要的地位。因為焦炭與水蒸氣,二氧化碳參考文獻: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。1] FRAZELI A, BEHNAM M. 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