煤颗粒热解的传热传质分析

第31卷第1期计算物理Vol 31. No I2014年1月CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICSJan.,2014文章编号:1001-246X(2014)014005908煤颗粒热解的传热传质分析刘训良,曹欢,王淦,温治北京科技大学机械工程学院热能工程系,北京100083)摘要:采用分布活化能模型及能量守恒方程对煤颗粒热解的传热传质过程建立数学模型,模型考虑煤热解的吸热效应及挥发分逸出时对流换热的影响.与有关煤粉和大颗粒煤热解的实验数据对比,对模型进行验证针对煤颗粒的温度变化过程和煤热解过程进行数值分析,研究煤热解的吸热效应挥发分气体逸出的对流效应颗粒尺寸等参变数的影响关键词:煤热解;传热传质;数学模型中图分类号:TQ511.6文献标识码:A0引言对于流化床中煤粉的燃烧或者移动床气化炉中煤的气化而言,煤热解都是一个重要的过程,研究煤热解规律并准确预测其温度变化和挥发分析出速率对于气化炉的优化设计尤为重要.通过一级反应模型可以预测煤的热解速率,然而由于煤颗粒中挥发分析出与其温度分布紧密相关,这种模型过于简单 Higuera(2采用竞争反应模型对移动的单颗粒煤热解过程进行了数值模拟Chem和 Hayhurst3通过改进的缩核反应模型对大颗粒煤的热解进行了研究,此后又采用一级反应模型研究了恒温小颗粒煤的热解过程. Anthony等人”提出了分布活化能模型( distributed activation energy model,DAEM), olomon等人“提供的相关实验数据表明这种模型与实际过程符合的很好,该模型是目前最常用的一种煤热解模型在挥发分析出或者热分解过程中,颗粒内部的热传递是反应速率的控制因素,而不是煤焦颗粒内挥发分的质量传递.在多数有关煤热解的研究中,细煤及煤粉都被认为是温度均匀分布.然而,在移动床气化炉中,煤颗粒的尺寸远大于煤粉煤颗粒的尺寸差异及煤的低热导率导致热解时颗粒内部产生较大的温度梯度Fu等人发表了由煤粉压制而成的大颗粒煤挥发分析出过程的动力学参数Zhao等人采用热传导方程和FGυVC模型研究了在流化床或固定床中燃烧的大颗粒煤的热解过程,模型中考虑了煤热解的热效应但在计算中该项设为零 Adesanya和Pham建立了在对流环境中大颗粒煤的热解通用模型,考虑了热解的热效应但是未考虑挥发分逸出时与颗粒的换热影响Huo等人考虑了两方面的影响建立了移动床中大颗粒煤的热解模型研究其热解过程并分析了颗粒直径、床层温度等参数的影响基于Huo等人提出的数学模型本文重点分析煤热解热效应和挥发分逸出所引起的对流换热对颗粒内部温度的变化和挥发分析出速率的影响并详细讨论煤颗粒尺寸及挥发分含量对煤颗粒升温历程和热解过程的影响1数学模型在流化床或者移动床等气化炉中,煤的热解伴随着颗粒内部传热传质现象的发生通过对刘易斯数3的分析可知颗粒内部的传热是煤热解过程的速率控制因素,因而本文重点关注颗粒内部的传热挥发分析出速率与颗粒温度的变化历程有着十分紧密的联系当温度在650℃以下时,热解反应是吸热的2.热解产生的挥发分物质会在颗粒内部产生气流,导致气体逸出时产生对流换热现象煤颗粒尺寸的变化是复杂多样收稿日期:2013-03-22;修回日期:2013-06-11基金项目:国家自然科学基金(51276015)资助项目作者简介:刘训良(1973-),男,山东,博士,副教授,主要从事计算流动及传热传质分析研究;E-mail:iuxl@me,ustb.edu.cn第31卷的,它取决于煤种、加热速率以及最终温度的共同作用 Sadhukhan等人针对高灰分低挥发分含量的次烟煤,在温度范围为440℃-460℃的实验中得到的膨胀率峰值为110,当颗粒升温超过这个温度范围颗粒中挥发分剧烈析出形成的鼓泡开始破碎导致颗粒收缩而 Adesanya和Pham0通过实验观察到在煤热解前后颗粒的体积基本不变上述的这些因素使得建立煤颗粒的热解数学模型变得十分复杂为方便研究,本文借鉴文献[3]中的作法,认为煤颗粒为球形,在热解过程中煤颗粒尺寸保持不变,忽略热解过程中的颗粒破碎及其他任何由二次反应所致的形状改变,假设水分的蒸发与煤颗粒挥发分析出同时进行,认为水蒸气为挥发分的一部分,并将蒸发潜热视为煤热解吸热效应的一部分1.1模型描述1)煤热解模型挥发分累积产量V(以原始煤的质量分数表示)随时间r的关系由分布活化能模型DAEM给出:="-aayo---nm、(E-B2)质量守恒方程d(p/p)- dv其中ρ°为初始煤颗粒密度3)热传导方程pc0(/427+s其中S为源项包含煤热解吸热效应及挥发分气体逸出时的对流换热效应,dv Qc at=p"△H式中Q表示煤颗粒加热时析出的挥发分质流率,而挥发分产生于颗粒内部的各个区域,由于颗粒温度分布的不均匀性,挥发分在各局部区域的析出速率不同在r处的质流率可由下式得到Q=[4m/"p煤颗粒的导热系数和比热容取自文献[10]A=0.23,T≤673K,(6)A=0.23+2.24×103(T-673)1,T>673K,=1254,T≤623K,=1254-1.75(T-623),T>623K.4)边界条件颗粒中心0(8)颗粒表面=h(T,-Tn)+6,0(T-TR),(9)其中T和Tn分别为环境温度和颗粒表面温度,6,为煤颗粒系统发射率,h表示颗粒与外界的对流换热系数,它可由Nu数得到,表达式如下0u=2.0+fRe2 Pr(10)式中∫为修正系数取值为0.6到1.8.采用有限容积法(FVM)离散导热方程离散后的代数方程组采用TDMA算法进行求解描述挥发分析出的分布活化能模型(DAEM)是计算的难点由于其表达式是关于活化能和时间的双重积分,而积分式中又包含颗粒的局部温度,表明了颗粒的瞬时温度分布及升温历程对挥发分析出量的影响作用,而热解的热效应和挥发分逸出引起的对流换热又会影响颗粒的温度分布,呈现出复杂的传热传质耦合特性DAEM的双重积分表达式采用梯形算法求解.数值模拟的程序编码基于 Visual c++平台开发颗粒半径方向网格数为50,时第1期刘训良等:煤颗粒热解的传热传质分析间和活化能的积分步数分别取200和30时,计算程序在 Pentium4(3.0GHz)型个人电脑上的运行时间为40s数值模拟所需的相关参数在表1中列出表1模型用到的参数Table 1 Input parameters in model煤颗粒煤颗粒初煤颗粒初始周围气体平均活化挥发分比最终挥发分析煤热解反直径D始密度p温度温度T,能E0热容c出量v应热△Hm/(kg:m)℃℃/(k,md-)/小(kgk)-)/w%/(划·kg)85046.719);53.419);251139023.8H4数学模型的验证为了验证模型将模拟得到的温度变化曲线和挥发分产量曲线同实验结果03对比.如图1所示,对于颗粒尺寸在100到150μm的 Pittsburgh8号煤而言,它的最终挥发分产量v在加热速率为1℃·s时为46wt%(干燥无灰基,以下同),在1000℃时值为53w%计算时采用的参数k=2×1016s-1,E0=251 k]. mol及σ=21.4 k]. mol.对应于加热速率为1℃·s和1000℃·81,平均相对误差分别为24%和48%从图中可以看出,通过模型预测的结果与实验数据吻合的很好5,这也意味着DAEM在不同的加热速率下都能较好的描述煤的热解过程将大颗粒烟煤在对流换热环境中的挥发分演变过程和温度变化趋势的模拟结果同发表的实验数据0进行了比较,如图2所示,实验中采用打磨成圆形的 Arkwright烟煤颗粒,工业分析的挥发分含量为37%,在650℃实验条件下测得的最终挥发分含量为23.8w%.对于颗粒尺寸分别为D=10.2mm,13.5mm,16mm的烟煤,其温度平均相对误差分别为5.2%,3.2%及3.9%,挥发分析出的模型预测值平均相对误差为5.8%计算中DAEM参数取值如下:k=1×106s-;E0=251 kJ. mol';a=39.2 k]. mol-.由此可见,模型预测值与实验数据符合较好.式(10)中的修正系数∫的取值对不同直径的颗粒略有差异,以使模拟值与实验结果相吻合,对于细颗粒煤,如 Pittsburgh8号煤粉,f=1.6;而对于直径大于1mm的煤颗粒,∫=1.2Model predcticModel predation--13.5mm---.16 mmExperimental dataExperimental data口10.2mm△13.5mm0.11000°s12003004005006007006009001000图1模型预测煤粉挥发分析出量与实验数据15图2大颗粒煤中心温度模型预测值与实验数据0Fig. 1 Model predicted volatile yields of pulverized coalFig 2 Model prediction of centre temperature of largeand experimental data 15Jperimental data?2结果和讨论本节分析煤热解热效应和挥发分逸出时的对流换热对于煤颗粒温度变化和挥发分析出过程的影响,并讨论颗粒尺寸、挥发分含量对煤颗粒升温历程和挥发分析出过程的影响.2.1颗粒温度和挥发分析出针对颗粒直径D=16mm的大颗粒煤,选取了三个不同位置的区域即核心(r=0mm),中间层(r=计算物理第31卷4mm),外层(r=8mm),研究其温度和挥发分析出量随时间的变化图3显示不同区域的温度和温升速率的变化曲线由图可见颗粒外层温度在初始时温度升高很快,在温度达到约250℃后变得平缓,而温升速率在加热初期即快速衰减对于颗粒的中间层和核心而言温升速率在加热初期迅速增加,并在50s后达到峰值,然后开始缓慢下降.对于颗粒核心及中间层而言温度随时间的变化曲线相似,因此温升速率曲线也相似.这是由于颗粒的热容量从外层到核心逐步减小,从而导致颗粒内层区域的升温历程与外层区域有较大差异500Local temperaturecoremiddle layerexternal laverRate of temperature- middle laver图3直径D=16mm的大颗粒煤瞬时温度及温升速率随加热时间的变化Fig3 Local transient temperature and rate of temperature rise of a large coal particle with diameter of 16 mm versus heating time图4显示挥发分产量和挥发分物质产生速率的曲线挥发分产生速率曲线均呈抛物线形,三条曲线的最大值出现在不同时间从某种意义上而言,在颗粒内部好像存在反应前沿,类似于缩核反应模型3.在挥发分产生速率达到最大值时对应的颗粒温度分别为(如图3):外层421℃,中间层457℃,核心处44℃.这意味着随着煤热解反应在整个颗粒内部的持续进行,越是处于颗粒内层,挥发分快速释放所处温度越高,析出速率峰值也越高.同时表明挥发分析出速率较快的温度区间为420~470℃,这与前人发表的煤热重实验结果6-所呈现的规律相同.与温度变化曲线相似,颗粒中间层和核心处的挥发分析出规律非常相近0.0014r Rate of volatile released.0012--middle layerexternal layer0.0010Volatile yields-- middle layer1ols兰0.00060.100.00040.0500002图4直径D=16mm的大颗粒煤挥发分析出量及挥发分析出速率随加热时间的变化Fig 4 Local transient volatile yields and yields rate of a large coal particle with diameter of 16 mm versus heating time2.2热解热效应及挥发分逸出换热的影响煤热解热效应和挥发分逸出时对流换热的共同影响使得颗粒内部传热变得复杂·为了阐明上述两种因素对于煤颗粒热解过程的影响,采取以下三种方式分别进行模拟:方式1,二者影响都考虑;方式2,只考虑煤热解吸热效应,忽略挥发分逸出对流换热的影响;方式3,二者都不考虑.图5给出了三种方式下直径D=第1期刘训良等:煤颗粒热解的传热传质分析6316mm的煤颗粒热解过程中局部温度和挥发分产量的变化曲线.由图可见,方式2与方式l模拟得到的变化曲线几乎重合,表明挥发分气体逸出时对流换热的影响不明显.而方式3与方式1的模拟结果有明显差异,说明煤热解的吸热效应对于煤颗粒热解过程的影响较大,尤其是在200s到400s的时间段内颗粒的核心处.在这段时间,煤挥发分析出量急剧增加,从而影响传热和热解过程,温度变化最大值接近50℃,挥发分产量变化最大值近5wt%7000.20D=16mmp=23.8wt%D=16mmp=23.8wt%Case 10.15--core-D-extermal layer--external layerCase 2Case 2010-o-external layerExternal layerCase 3CiD-core-C-coreexternal laver-i-extermal layer/sa)局部温度变化(b)挥发分析出量图5直径D=16mm的大颗粒煤的局部温度变化(a)和挥发分析出量(b)(方式1:煤热解效应和挥发分逸出对流换热影响都考虑;方式2:只考虑煤热解效应;方式3:二者都不考虑)Fig 5 Local transient temperature(a) and volatile yields(b)of a large coal particle with diameter of 16 mmIn Case 1, influences of heat of pyrolysis and transpirational convection of volatile are both taken into accorOnly endothermic effect of pyrolysis is considered in Case 2. While in Case 3, none of them is considered.2.3挥发分含量的影响针对挥发分含量更高但相同尺寸的煤颗粒进行了模拟,结果如图6所示.尽管颗粒的挥发分物质含量高达70%,但忽略逸出时对流换热的影响作用,在整个热解过程中温度的变化小于5℃,挥发分析出量的增加小于2wt%.而对于颗粒直径更小或挥发分含量更少的煤颗粒而言,挥发分物质逸出时对流换热的影响作用将进一步降低.因此认为挥发分气体逸出时对流换热的影响可以忽略D=16mm*=23.8wt%irexternal layerCase 3一core△ external layer图6直径D=16mm、挥发分含量V=70wt%的大颗粒煤挥发分析出量Fig 6 Local volatile yields of a large coal particle with diameter of 16 mm and ultimate volatile yields of 70 wt%2.4煤颗粒尺寸的影响基于以上分析,对于颗粒尺寸的影响研究只考虑方式1和方式3.直径D=10mm的煤颗粒的模拟结果计算物第31卷如图7所示.两种方式模拟的最大温差小于30℃,挥发分产量的差异小于2%.直径D=0.2mm的煤颗粒局部温度及挥发分析出量变化曲线如图8所示由图可见,随着颗粒尺寸的减小,煤热解的吸热效应对颗粒内部传热和热解过程的影响变小.对于直径D=0.2mm的煤颗粒,方式1和方式3的模拟结果没有太大区别对于直径D=2mm的煤颗粒,在加热初期的8s内其表面和核心仍有20℃以上的温差,而对于直径D=0.2mm的煤颗粒,在0.2s内颗粒表面和核心的温差迅速减小并接近零这意味着,当颗粒尺寸小于0.2mm时,热解热效应和挥发分逸出的对流换热效应均可忽略,在很短的时间内颗粒表面和核心处温度趋于相同因此推断,在加热过程中,颗粒直径D<0.2mm的煤粉可以看作温度均匀的颗粒,热解热效应亦可忽略.另方面,对于直径D>2mm的大颗粒煤而言,达到热平衡(即与环境气体温度相同)的时间和挥发分完全析出的时间基本上相同,而对直径D=0.2mm的小颗粒煤或尺寸更小的煤粉而言,达到热平衡的时间较短,而挥发分完全析出需要更长的时间D=16mm=23.8wt%external layerCase 3external laver图7直径D=10mm的煤颗粒挥发分析出量Fig. 7 Local volatile yields of a large coal particle with diameter of 10 mm0.25D=16mmp=23.8wt%0.15D=16mm=23.8wt%coreexternal layerCase 30.10extermal layercoreCase 3external layer-O core-o external layer0050.100.150.200.250.300.350.400.10.20.3040.50.60.70.80.91.0(a)局部温度变化(b)挥发分析出量图8直径D=0.2mm的煤颗粒的局部温度变化(a)和挥发分析出量(bFig8 Local transient temperature (a)and volatile yields(b)of a coal particle with diameter of 0. 2 mm3结论考虑煤热解热效应及挥发分逸出对流换热的影响,对煤颗粒的热解过程建立数学模型通过数值模拟研究了煤热解过程中颗粒的局部温度变化及挥发分析出的规律,对于所模拟的条件,主要得到如下结论:1)在加热初始阶段,直径D=16mm的煤颗粒核心处和表面处的温差可达200℃以上经过约600s,二者的温差会降到10℃以下.挥发分析出速率较快的温度区间为420℃-470℃,越是处于颗粒内层,挥发分第1期刘训良等:煤颗粒热解的传热传质分析65快速释放所处温度越高,析出速率峰值也越高颗粒中间层的温度变化及挥发分析出规律均与核心处相似2)对于直径D=16mm的煤颗粒而言,即使最终挥发分析出量高达70wt%,气体逸出时的对流换热效应仍可忽略,但热解热效应的影响不能被忽略,它有助于准确预测煤颗粒内部的温度分布热解热效应的影响随颗粒尺寸的减小而减弱,对于直径D<0.2mm的煤颗粒而言,热解热效应的影响可以忽略不计3)颗粒尺寸对于煤的传热过程的影响是显而易见的.对于对流环境中直径D>2mm的大颗粒而言,煤颗粒表面和核心处需要10s以上的时间才能达到温度均匀,达到热平衡的时间和挥发分完全析出的时间相近.而对于直径D<0.2mm的煤粉颗粒而言,表层与核心的温差迅速减小,加热时间小于0.2s即可达到温度均匀,因而可以采用集总参数法进行研究,而挥发分完全析出比达到热平衡需要更长的时间符号说明煤颗粒比热容,J(kg·K)ˉ挥发分比热容,J(kgK)D——煤颗粒直径,mmE—表观活化能, k].molE0—平均活化能, kJ molh——对流换热系数,W·(m2…K)k。—指前因子,s1S—能量守恒方程中源项,W·m3Q—挥发分质流率,kgs△H——单位质量热解反应热,k·kgr——轴坐标,mR——煤颗粒半径,mm;通用气体常数,J(molK)1煤颗粒温度,V—时间r所产生挥发分的累积量(以原始煤的质量分数表示v—一当t→∞时V的值希腊字母p—煤粒密度,kg:m3卩—环境气体密度,kgm加热时间,A—煤粒的导热系数,W·(mK)σ—标准差,kmol';黑体辐射常数,567×10W·m-2,K系统发射率参考文献1] Anthony D B, Howard J B. Coal devolatilization and hydrogasification [J]. AIChE J, 1976, 22:625-6562] Higuera F J. Numerical simulation of the devolatilization of a moving coal particle [J]. Combust Flame, 2009, 156: 10233]Chen J S, Hayhurst A N. A model for the devolatilization of a coal particle sufficiently large to be controlled by heat transfer[]. Com bust flame,2006,146:553-5714]Chern J S, Hayhurst A N. A simple theoretical analysis of the pyrolysis of an isothermal particle of coal [J]. Combust Flame2010,157:925-933[5] Anthony D B, Howard J B, Hottel H C, Meissner H P. Rapid devolatilization of pulverized coal [c]/15th IntemationalSymposium on Combustion, Pittsburgh: Combustion Institute, 1975: 1303-1317[6] Solomon P R, Serio M A, Carangelo R M, Markham JR. Very rapid coal pyrolysis [J].Fuel,1986, 65:182-194[7] Sadhukhan A K, Gupta P, Saha R K. Modeling and experimental studies on single particle coal devolatilization and residual计算物理第31卷char combustion in fluidized bed [J]. Fuel, 2011, 90[8]Fu W, Zhang Y, Han H, Duan Y. A study on devolatilization of large coal particles [J]. Combust Flame, 1987, 70: 253266[9] Zhao Y, Serio M A, Solomon P R. A general model for devolatilization of large coal particles [C]/26th SymposiumInternational)on Combustion, Pittsburgh: Combustion Institute, 1996, 3145-3151[10] Adesanya B A, Pham H N. Mathematical modelling of devolatilization of large coal particles in a convective environment [JIFuel,1995,74(6):896-902.[11] Huo G, Tian W, Xu W, Cheng H. Devolatilization model of large coal particles in moving bed [J]. J Shanghai JiaotongUniversity,2001,35(5):733-736[12Merrick D. Mathematical models of the thermal decomposition of coal 2 Specific heats and heats of reaction [J]. Fuel1983,62:540-546[13] Sadhukhan A K, Gupta P, Saha R K. Modeling and experimental investigations on pyrolysis of large coal particles [J]Energy Fuels,2011,25(12):5573-5583[14]Donskoi E, McElwain D L S. Approximate modelling of coal pyrolysis [J]. Fuel, 1999, 78: 825-835[15] Gibbins-Matham J, Kandiyoti R. Coal pyrolysis yields from fast and slow heating in a wire-mesh apparatus with a gas sweep[J. Energy Fuels, 1988, 2: 505-511[16] Zhu X, Zhu Z, Zhang C. Study of the coal pyrolytic kinetics by thermogrametry [J]. J Chemical Engineering ChineseUniversity,1999,13(3):223-228.[17] Ping C, Zhou J, Cheng J, Yang W, Cen K. Research on the pyrolysis kinetics of blended coals [J]. Proceedings of the CSEE( China),2007,27(17):6-1[18] Yang J, Zhang Y, Cai N. A comparison of a single reaction model with a distributed activation energy one based on coalpyrolysis kinetics [J]. J Engineering Thermal Energy Power, 2010, 25 (3): 301-305Numerical Analysis of Heat and Mass Transfer during Pyrolysis of Coal ParticleLIU Xunliang, CAO Huan, WANG Gan, WEN ZhiSchool of Mechanical Engineering, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, ChiAbstract: A mathematical model is developed to analyze numerically coal pyrolysis and heat transfer inside a heated coal particleosition and transpirational convective heat transfer are taken into account. A coupled comprehensive modelwas validated with experimental data of pulverized coal and large particles. Then, temperature history and coal pyrolysis of coal particleheated were analyzed numerically. Effects of endothermic of pyrolysis, transpirational convection, volatile content and particle size wereKey words: coal pyrolysis; heat and mass transfer; mathematical modelReceived date. 2013-03-22: Revised date: 2013-06-ll