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(hào):1001 - 2020023-00壓力對(duì)噴動(dòng)流化床煤氣化影響數(shù)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(tái)首次析手段,在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)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(yīng)模型,氣相間的均相反應(yīng)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(yīng)用尚未力的變化對(duì)煤氣化的影響。當(dāng)壓力為0.1 MPa 時(shí),一氧化見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。鑒于此,近期由于計(jì)算軟件的發(fā)展,本研究碳,氫氣,甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)分別為8.75% ,10.5%.3%,壓力利用CFD軟件平臺(tái),結(jié)合歐拉雙流體模型計(jì)算噴動(dòng)為0.3 MPa時(shí),一氧化碳,氫氣,甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)分別為流化床流場(chǎng),在此基礎(chǔ)上利用軟件提供的用戶自定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(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。義方程( UDF)加人化學(xué)反應(yīng)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(shù)值模擬部分氣化爐3D整體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。中圖分類(lèi)號(hào):TQ051. 13;0242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A .1數(shù)學(xué)模型引言本文的模型以化學(xué)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),為簡(jiǎn)化模型,煤炭在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位,但在作以下說(shuō)明和假設(shè):利用過(guò)程中容易產(chǎn)生大量的污染物,因此實(shí)現(xiàn)煤的(1)此模型為三維模型;高效低污染轉(zhuǎn)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(chǔ),如整體煤氣化聯(lián)合且反應(yīng)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(shè)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(tǒng)等等,國(guó)(4)本模型只考慮甲烷的燃燒反應(yīng),不考慮生內(nèi)外研究者對(duì)此進(jìn)行大量的研究工作。依據(jù)煤的不成甲烷的加氫氣化反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)。同組分和不同轉(zhuǎn)化階段的反應(yīng)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(zhǎng)為2x用溫和的部分氣化方式將煤中高活性的部分轉(zhuǎn)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(yùn)行成本降低的前提下,達(dá)到提1.1.1連續(xù)性方程高系統(tǒng)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(duì)新-代PF-BC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)煤種適應(yīng)性寬不易結(jié)焦、氣固接m/s。等式右邊的s表示源項(xiàng),當(dāng)只有流場(chǎng)時(shí)設(shè)為觸特性好，是適應(yīng)此種氣化的較佳選擇。零,當(dāng)有異相反應(yīng)時(shí),在氣相和固相之間存在質(zhì)量、近年來(lái),隨著計(jì)算方法的改進(jìn)和計(jì)算機(jī)硬件條動(dòng)量]中國(guó)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(jī)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(shù),較小的顆粒粒徑和較固相:號(hào)(e。p.V.)+ V.(e。P.V.V)= -e.VP高的反應(yīng)溫度有利于Co的生成;反之,則有利于CO2的生成。對(duì)其的選取,可利用Ross的計(jì)算方+ε。Psg-VP。+ Ve."t.+β(Vg- V.)+Sqgu。式中:β- -曳力系數(shù), 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(jì)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(yīng)同時(shí)考慮化學(xué)反應(yīng)及氣Qng+ SgH。體的擴(kuò)散, Kar可由下式計(jì)算:式中:H-焓,J/kg;λ- -混合物熱傳導(dǎo)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(kuò)散系數(shù)。(5)項(xiàng)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(shù)受顆粒和氣體1.2 化學(xué)反應(yīng)模型流動(dòng)的影響。本模型按以下的計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算:煤氣化化學(xué)反應(yīng)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(yīng);(3)氣體均相反應(yīng)。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(yīng)的速率方程可由下式計(jì)合,煤中揮發(fā)分析出的時(shí)間與氣化反應(yīng)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(nèi)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(jié)合，進(jìn)行模擬計(jì)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(jì)算[3-4] ,具有- -定的通用性:K;-表面反應(yīng)速率常數(shù),取值如表1所示[7]。Volatile- →ajCO2+ a2CO + azCH4 + a4H2 + asH20表1焦炭非均相反應(yīng)的表 面反應(yīng)速率常數(shù)Sa;=1反應(yīng).單位方程1.2.2焦炭氣固非均相反應(yīng)Pa-'s-1Ks,1= 17.9ep[ - 13 750/T。]在本模型中,焦炭的氣固非均相反應(yīng)包含三個(gè)反(2Pa~'s-' Ks.2=5.95 x 10~ 'exp[ - 13 650/T,]應(yīng):焦炭的燃燒反應(yīng),焦炭和水蒸氣的反應(yīng),焦炭和二(3Pa-'g-'Ksg.s=3.92exp[ - 26 927/Tp]氧化碳的反應(yīng)( Boudouard反應(yīng))。關(guān)于焦炭與氧氣,水蒸氣和二氧化碳的反應(yīng)機(jī)理國(guó)外學(xué)者有不同的描以上反應(yīng)速率計(jì)算式中, V一顆粒的體積, m';述[5~-6] ,在本文中,我們假設(shè)焦炭的非均相反應(yīng)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(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)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?jǐn)?shù)。燃燒反應(yīng):中國(guó)煤化工，C+0→(2-彭)C0+(壺- 1)CO2(1)二床內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)十碳與水蒸氣的反應(yīng):分強(qiáng)，MHCNM H G良好,反應(yīng)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(rèn)為氣相間的反應(yīng)二氧化碳的還原反應(yīng)( Boudouard reaction):完全由反應(yīng)動(dòng)力因素控制。上述反應(yīng)可作為二級(jí)反第4期鄧中乙，等:壓力對(duì)噴動(dòng)流化床煤氣化影響數(shù)值模擬525.應(yīng)來(lái)處理。除了氣體燃燒反應(yīng)以外,水氣置換反應(yīng)網(wǎng)格_上部圓柱體采用規(guī)則的四面體網(wǎng)格,下部采用.也按二級(jí)反應(yīng)來(lái)處理。各反應(yīng)的反應(yīng)速率為:三角形網(wǎng)格網(wǎng)格數(shù)量約為5.6萬(wàn)。對(duì)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(yīng)式的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2所條件。對(duì)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(yàn)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(jì)算工況如表3所示。表2氣體均相反 應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)表3計(jì)算工況參數(shù)頻率因子活化能Egi反應(yīng)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(jì)算工況及網(wǎng)格劃分表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)[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(jī)氣3模擬結(jié)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(duì)模擬的結(jié)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(yàn)流程圖及 三維網(wǎng)格劃分中國(guó)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(duì)象[10] ,試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(gòu)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(guó)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(duì)噴動(dòng)流化床煤氣化影響數(shù)值模擬表5煤的工業(yè)分析和元素分析濃度基本保持穩(wěn)定,說(shuō)明在自由空間基本上不發(fā)生工業(yè)分析數(shù)值/%化學(xué)反應(yīng)。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?jǐn)?shù)的比較圖2表明了床內(nèi)固相和氣相體積濃度分布。在由圖4與圖5可以看出隨著操作壓力的提高，加壓下,氣泡體積變小,形狀扁平且在床內(nèi)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(qū)和噴的條件下,一氧化碳，氫氣,甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)分別為動(dòng)區(qū)之間的傳熱和傳質(zhì)更均勻,氣固接觸性變好,導(dǎo)8.75%, 10.5% ,3%,而在壓力為0.3 MPa的條件致氣化劑在床內(nèi)停留時(shí)間變長(zhǎng)。下,一氧化碳，氫氣,甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)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(shì)大體一致。 例如氧氣的濃度沿著是因?yàn)?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(yīng)速率很內(nèi)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(yīng)器底部二氧化碳的濃度- - 直在增形區(qū)和噴動(dòng)區(qū)之間的傳熱和傳質(zhì)更均勻,內(nèi)循環(huán)更加,并達(dá)到了最高值。CO2 在床層下部環(huán)形區(qū)依度穩(wěn)定,氣固接觸性變好,且氣化劑在床內(nèi)停留時(shí)間變高于噴動(dòng)區(qū),說(shuō)明生成二氧化碳的燃燒反應(yīng)主要集長(zhǎng)，且在加壓條件下反應(yīng)物濃度也增大了,所有的這中在環(huán)形區(qū)。些條件使得煤氣質(zhì)量在加壓后有了明顯的提高。隨著氧氣的消耗完畢,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(yàn)值之間的對(duì)的反應(yīng)成為主要的反應(yīng)，如圖3所示,沿著反應(yīng)器的比工況1中各組分最大的誤差是甲烷的計(jì)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(dá)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?yàn)樵诒灸Ｐ椭兄豢紤]甲烷的的計(jì)算誤差,為17.8%。由此可見(jiàn)本模型中關(guān)于甲燃燒反應(yīng),不考慮生成甲烷的甲烷化反應(yīng),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,隨著床高的增加逐漸減的計(jì)算誤差均在10%以內(nèi),可以說(shuō)模型計(jì)算的結(jié)果少。從圖中還可以發(fā)現(xiàn),在自由空間里,各組分氣的很好地驗(yàn)證了試驗(yàn)的結(jié)果?？谠囼?yàn).工況2口試驗(yàn)工況3目模擬■模擬.■模擬6016.18412.971421210號(hào)275104 4.273.08中國(guó)煤化工:0H: CH4 CO2TYHCNMH GCH，CO;圖5模擬值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比●528熱能動(dòng)力工程2009年圖6表明了不同工況下反應(yīng)器內(nèi)溫度的分布的(1)人口中心噴動(dòng)區(qū)的溫度最高。當(dāng)氧氣消耗趨勢(shì)(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(yīng)占居了主導(dǎo)圖中看出,隨著加煤量和空氣量的增加,反應(yīng)器內(nèi)的的地位。因?yàn)榻固颗c水蒸氣,二氧化碳的反應(yīng)是吸溫度隨之升高。但是三種工況下的溫度分布的趨勢(shì)熱反應(yīng),所以溫度場(chǎng)沿著床高方向逐漸降低?；疽恢?中心噴動(dòng)區(qū)溫度明顯高于周邊環(huán)形區(qū),密(2)煤氣質(zhì)量在加壓后有了明顯的提高,當(dāng)壓相區(qū)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,并且沿著床高的方向溫度逐漸降低。數(shù)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(yīng)器內(nèi),沿著床高的方向上發(fā)一氧化碳,氫氣,甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)分別為11.2%，生劇烈的燃燒反應(yīng)并逐步被消耗完畢。當(dāng)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(yīng)此時(shí)加壓下反應(yīng)物濃度增加影響氣化反應(yīng)所致。占居了主要的地位。因?yàn)榻固颗c水蒸氣,二氧化碳參考文獻(xiàn):的反應(yīng)是吸熱反應(yīng),所以溫度場(chǎng)沿著床高方向逐漸降低。1] FRAZELI A, BEHNAM M. 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