鼓泡流化床內粉煤氣化的數值模擬

第41卷第10期化學(xué)工程Vol. 41 No. 102013年10月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Oct. 2013鼓泡流化床內粉煤氣化的數值模擬王海艷"”，郝振華'，房倚天'，黃戒介'，董立波'，張磊', 陸慧林(1.中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉化國家重點(diǎn)實(shí)驗室，山西本原030001; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100039; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)摘要:將應用歐拉雙流體模型對鼓泡氣化爐內的氣化過(guò)程進(jìn)行研究。摒棄傳統顆粒動(dòng)理學(xué)理論中顆粒光滑無(wú)旋轉的假設,引人顆粒的旋轉運動(dòng),構建粗糙顆粒動(dòng)理學(xué)理論來(lái)封閉雙流體模型?；谌紵碚摻⒎勖簾峤鈿饣Ｐ鸵约肮呐荽矁葰夤讨g以及氣體和氣體之間的傳熱、傳質(zhì)模型。采用該模型進(jìn)行數值模擬計算,分析床內的氣固反應過(guò)程,對比實(shí)驗結果表明粗糙顆粒動(dòng)理學(xué)理論適用于模擬鼓泡床氣化爐內的反應。關(guān)鍵詞:粗糙顆粒動(dòng)理學(xué);粉煤氣化;鼓泡流化床中圖分類(lèi)號:TQ 545文獻標識碼:A文章編號:005-9954( 2013) 10-0045-05DOI:10. 3969/j isn.100S-9954. 2013.10.011Numerical simulation of coal gasification in bubbling fluidized bedWANG Hai-yan'.2 ,HAO Zhen-hua' ,FANG Yi-tian'，HUANG Jie-jie' ,DONG Li-bo' ，ZHANG Lei' ,LU Hui-lin'(1. State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry ,Chinese Academy of Sciences，Taiyuan 030001 ,Shanxi Province ,China ;2. University of Chinese Academy of Sciences , Bejing100039, ,China ;3. School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute ofTechnology , Harbin 150001 , Heilongjiang Province, China)Abstract: The gasifcation behavior of gas and solids in a bubbling fluidized bed gasifer was simulated by Euleriantwo-fuid model. Different from the present kinetic theory of granular flow based on the assumption of smooth andelatic during the cllision of particles, the rolation of particles was taken into account and the kinetic theory ofrough spheres( KTRS )was proposed for the two-luid model closure. Meanwhile the coal pyrolysgsification modelbased on the combustion theory and the heat and mass transfer model between gas and solid as well as gas and gasin a bubbling fluidized bed were established. By this means, the reaction behavior of gas solid in the fluidized bedwas analyzed. The simulated resuls agree well with the experimental data, which shows that the kinetic theory ofrough spheres can reasonably describe the reaction in a bbling fluidized bed gasifer.Key words:kinetic theory of rough spheres ;coal gasification ;bubbling fluidized bed .流化床碎煤氣化技術(shù)由于具有反應條件溫和，人顆粒旋轉對流化床 進(jìn)行了模擬計算,結果表明顆可以氣化高灰、高灰熔點(diǎn)煤,設備造價(jià)低等諸多優(yōu)粒旋轉對床內顆粒的速度和濃度均有影響。但是，點(diǎn),顯示出強大的發(fā)展前景。將顆粒旋轉引人煤粉氣化反應的數值模擬研究還未假定顆粒表面光滑無(wú)旋轉運動(dòng),前人對鼓泡床見(jiàn)報道。氣化爐數值模擬做了許多工作(3。然而,許多研究綜上,作者考慮粗糙顆粒瞬時(shí)碰撞過(guò)程中的旋表明'48] ,顆粒旋轉會(huì )對氣固流動(dòng)結構產(chǎn)生- -定的影轉摩擦效應,采用粗糙顆粒動(dòng)理學(xué)理論[12]對固相方響,在數值模擬過(guò)程中,應予以考慮。Sun'°! , Wang程進(jìn)行封閉,對高2 m直徑為0.2 m的鼓泡床氣化Shuyan' 10] , Wang Shuil1] 等分別采用不同的方法引爐內氣化反應過(guò)程進(jìn)行數值模擬,為今后的研究工收稿日期::2012-12-11中國煤化工基金項目:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所青年創(chuàng )新基金(2011SQNRC02).MYHCN M H G通信聯(lián)系人,Emal:作者簡(jiǎn)介:王海艷(1986- -), 女,碩士研究生,研究方向為流態(tài)化.數值模擬，E-mailhzh203@ 163. com?！?6●化學(xué)工程2013 年第41卷第10期作拓寬思路。數;p為密度;u為速度。1.2動(dòng)量方程.1氣化爐內氣固二相流動(dòng)-反 應數學(xué)模型1.1連續性方程Q(φ,Pou,) +V●(qP2u.ug)=中e V.τ +φpP,8 -(φP。)+V.(φp。u,)= Es。.4。Vp-Bg(u,-u,)+S?！駏g (2)(1)(pρ,u,) +V●(qp,u.u,) =φ, V●T, +φρ,8 -8ti(φp.)+V.(φ.ρ.u.)= 2S.φ。Vp+β。(u。-u.) +Sg●u. (3)式中:下標s,g分別表示氣體和固體;N為組分個(gè)式中:τ 和β。分別為氣體和固體的應力及氣固曳數;S。和S分別為組分i的生成速率;p為體積分力,ρ為顆粒相總應力,本構關(guān)系參照表1。表1本構關(guān)系式"Table 1 Constitutive relation氣相應力:r。=p,[Vu, +(Vu。)"]-號u。(V.u,)8 .(T-I)固相應力:r，= p,8 +μ,[Vu, + (Vu,)"] +5(V.u,)δ +ξ.δxVxu.(T-2)固相壓力:p, =二a.p.p.e。 + p,p.g.(1 +e)e。T-2a)顆粒相體積黏度:6 = +.O.,(1+e) 1唇{o.v(T-2b)顆粒相旋轉黏度:ξ. 19uw. K(1+)(T-2c)顆粒相剪切黏度:μ。=p.um +μ.cu(T-2d顆粒相動(dòng)力黏度:H.kin =μu[1 +1.6[n:(3n. -2) +0.5n2(6m. -1 -2n2 - 2n.a,/( Ka,))]o.B.1+ 號(2n +3n)4.| (T.2d1)g。[(2-η -n)(η + n) + na,/(6Ka,)]顆粒相碰撞黏度:μo= qp.g.dp. ,/*(4n, +3m2){o.a古層πa,π[an +2p.g.(1 +e)aa](T-2d2)η =(1 +e)2,n2 =0.5K(1 +β)/(1 +K),K=」-rdm(T-e)K, ={421[a(I], +1.) +a,(I, +I,)]+號4.8。0(小+號2)(.,I2 +a,I,)+| 4gJI顆粒脈動(dòng)動(dòng)能擴散系數:(T-3) .3 V3ae°a,(η + n2)4,p.g.d +2m_λ_-4.g.(a,I +a,I,) +-43.p.g.da,J4πK g,= -(3a3a; - 25a,a,);I]2 =(6asag + 10aqa.p.g.);l3 =卡(Sa,a, + 3a2agp.g.)II。= 5(5asa。+asay4.B.);Is = 25(agas + 5ara69.g.)a = n/K;az =4a,(2η -1);a; =41(η +n2) -33(力+m2) +50ηηz - 7aa,/a;as = 3/2 + a24.g./K;as =5/2 +[4(6n2 一站) -2m(9η +4m2) +8a,m(2K +a,/a)]o.g.;a6 =a[3中國煤化工”-16a,n.+ar +8a。7;ag = (η +n2) +a,/3n2(7-4n,) -a,(2 + 1/K)YHCNMHG王海艷等鼓泡流 化床內粉煤氣化的數值模擬●47●續表1顆粒碰撞能量耗散:x =- 3q,.p.g.Oa,海、1gr1-2+(三2)(+ 9)] 300951C,a, +2aq.1+.)1v..(T4)2dVπc,=aud, c;=aA+尋(1-e)+(二其) Koa.tga,(1 +e)顆粒相單位體積能量耗散率:D。=_25(T-5)(3a).5 me.g.“dp.'*a,與a,為量綱- -平動(dòng)和轉動(dòng)系數,a, +a, =號;g.為顆粒徑向分布函數;刀; ,加為與顆粒彈性恢復系數e和切向恢復系數β有關(guān)的系數;akx與a..分別為懸浮能和碰撞與總能量的比值。M. 0.81.3擬總溫方程中+、告m)(12)類(lèi)比顆粒動(dòng)理學(xué)理論,引人顆粒擬總溫e。:/8(1 +me。==<+c +(4)λ.= ZwAwA.=u.(Cu+4M.)(13)式中:C為顆粒平動(dòng)脈動(dòng)速度;w為顆粒旋轉脈動(dòng)速度;1為轉動(dòng)慣量。中g(shù) =中。6入p。中.Nu,(14)d2 j(qp.eo) +V .(4p.e。u.)]=V.(K, ve.)+Nu, =(7-10a +5a2)(1 +0.7Re,2 Pr'3}) +p:Vu. -x. -D。-3βge。(5)(1. 33 -2.4a。+1. 2q})Re;,'Pr/3 (15)式中:K,X.,D。物理意義及具體的本構關(guān)系式見(jiàn)1.6 熱解反應采用如下雙方程熱解模型:表11.4 組分方程[煤-“+(1-a)w(炭) +a,(揮發(fā)分)(16)(pwe.) +V(ρou.u,)=-V.Ju. +S。(6)煤氣+(1-a2)w2(炭) +a2(揮發(fā)分)(17)反應速率:ro=(a,h + azk)c.(18)式中: w。,為組分i的局部質(zhì)量分數。式中:C為固體碳顆粒未反應的濃度。擴散通量J。.=-(p,D;+二)V ●w。.(7)速率系數h; = A,exp[- E/(RT)]i=1,2(19)式中:σγ為Schmidt數。1.7 異相反應1.5 能量方程煤氣化過(guò)程中的非均相反應為j(apgcT) +V. (ap,CT,u,)=V(λg VT)+2K +2K+氣C(s) +O2(g)→H2C0(g) +φ。(T。-T,)+ ESuCgT(8)2一一CO2(g)(20)O(ap,c,T.) +V. (ap,c.T.u,)=V(Aλ。VT,) +C(s) +H2O(g)-→C0(g) +H2(g) (21)C(s) + CO2(g)-→2CO(g)(22)φ&(T,-T)+ ES.cgT.(9)按縮核模型計算式(20)- -(22)反應系數k..式中:T,c,λ ,中。分別表示溫度、比熱容、導熱系數和(Pa-'●s")為相間換熱系數;ScT為反應引入的源項。具體表達k.3 = 17. 9x'exp(- 13 750/T)(23 )式為k, =5.95x 10 Yexp(- 13 650/T,) (24)cq= Zw,Cg c。= Sw.c。(10)中國煤化工T,) (25)x;hgi，5RCNM H G_λ.=ZxJYH2 ixXiPy;5g=4He(Cy+4M) (11) 式中:x= (ww，，0在山v。與w0,10。分w"w?！?8●化學(xué)工程2013 年第41卷第10期別為初始時(shí)刻與反應中殘炭顆粒內灰分和固定碳的1.8 均相反應質(zhì)量分數。主要均相反應及化學(xué)反應速率見(jiàn)表2。表2均相化學(xué)反應速率Table 2 Homogeneous reaction rates used in simulations反應反應速率/(kg.m-3.s-I)動(dòng)力常數_動(dòng)力常數單位CH, +202- +2H2OR。=kJT-' w( CH:)w(O2)p2k。=1 x10l*exp(- 15 700/T)kmol-' .m' .K.s-'H2 +02-→+2H2OR, = khT"*w's(H2)w(O2)p2'h, =5.159x 10'exp( - 3430/T，) kmol :2C0+02-→2CO2Rg = kgw( CO)w^s(O2)p;'hg = 1.0x 10'*exp(- 16 00/T7) kmol-0.75 .m2.5. K!'5.s-'_u(CQ)u(H) 1的=2. 78 x 10'exp(- 1510/T,)∞+H0一-cCO2 +Hh R=k [ w(CO)w(H2O)kmol-' .m' .s'hg. = 0. 0265exp(3 968/T])2數值計算條件3計算結果分析計算模型按照Chejne等[13]的實(shí)驗數據,結構3.1模擬結果與實(shí)驗結果對比示意如圖1所示。計算采用速度人口邊界條件,頂圖2為數值模擬結果與實(shí)驗結果的對比，由圖部為壓力出口,出口壓力為100 kPa。燃料反應器兩可見(jiàn)計算值中CO2和H2的值偏大, CO的值偏小。側為絕熱壁面。初始床料高度為1.0 m,體積分數分析原因可能是:①CaCO3 ,SO2和O2的反應發(fā)生量為0.58。固體煤顆粒中水分、固定碳、揮發(fā)分和灰較小,計算時(shí)忽略;②煤熱解模型的局限性。分分別為2.6% ,54. 1% ,41. 8%和1.5%。其余模60照實(shí)驗擬參數見(jiàn)表3。習模擬↑↑↑↑↑q.-21.9kgh寂40- q(H2O)=4.6kghT。-693K至30-20_D10t: CO: CH， CON:圖2 模擬結果與實(shí)驗對比Fig.2 Comparisons between predictions and experimental data3.2顆粒擬總溫 .圈1流化床氣化床結構圖3為顆粒擬總溫隨體積分數的變化。顆粒擬Fig.1 Structure scheme of 2D fuel reactor總溫反映了顆粒平動(dòng)和轉動(dòng)脈動(dòng)的強弱。由圖可見(jiàn),隨著(zhù)體積分數的升高,顆粒之間的平均自由程減表3 Chejne 等[3)實(shí)驗參數及數值模擬參數小,致使顆粒脈動(dòng)減弱。Table 3 Parameters used for Chejne et al'!. and simulationsd 0.62 mmh.=1.0m符號物理意義文獻模擬q.≈21.9kg/sp./(kg. m-3)顆粒密度1 250p.=1250kgm'd./mm顆粒直徑0.62T。693Kq./(kg.h"')進(jìn)口空氣流量21.921.9q(H.O)-4.6kg/sq(H20)/(kg.h~")進(jìn)口水蒸氣流量4.64.6To/K進(jìn)口氣體溫度69393初始氣相質(zhì)N2 =80.0,wo量分數/%02 =20.0N.xN,網(wǎng)格數22x118中國煤化工04 0sAt時(shí)間步長(cháng)/s5.0x10-*-.MYHCN M H G變化規律2.0x 10 -Fig.3 Total energy variation as a function of particle volume fraction