用简化PDF模型对气化炉运行特性的分析

第27卷第32期中国电机工程学报Vol.27 No.32 Nov. 20072007年11月Proceedings of the CSEE02007 Chin.Soc.for Eilec.Eng.文章编号: 0258-8013 (00)32005706中图分类号: TQ171; TQ54文献标识码: A学科分类号: 470.20用简化PDF模型对气化炉运行特性的分析吴玉新，张建胜，王明敏，岳光溪，吕俊复(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京市海淀区100084)Analysis of Gasification Performance of a Texaco Gasifier Based onPresumed PDF ModelWU Yu-xin, ZHANG Jian- sheng, WANG Ming-min, YUE Guang-xi, LO Jun-fu(Key laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)ABSTRACT: Based on CFD software Fluent, a 3-d simulation考虑了焦炭同02. H2O、 CO2 和H2的反应。计算考察了改was conducted on a Texaco gasifier with boundary flted变水煤浆浓度及[C][O]原子比等重要参数对气化炉运行特coordinate system. Pre PDF model was use to predict species性的影响。焦炭仅同氧气反应时的转化率为32%，而总转化profile with β function. A UDF (user defined function) function率为95%，说明焦炭同H20、CO2和H2的异相反应在气化was introduced to simulate heterogencous reactions between过程中占重要作用:煤粉粒度越大，碳转化率越低，粒度为char and O2, H2O, CO2 and H2 Efects of some industrial175μm时，碳转化率仅为72%;气化温度是影响气化反应operation parameters, such as coal slury oxygen, [C][O] and的决定性因素。随着水煤浆浓度的增高，Co摩尔分数明显particle diameters, et al, on the gasification performance were升高、H2O和CO2摩尔分数明显降低，H2摩尔分数略有降analyzed. The coal conversion rate (CC) is 32% during coal低。随着[OV[C]原子比的增加，H2摩尔分数明显降低，Cocombustion with 02 process, while the total CC is 95%, which和CO2摩尔分数几本不变。出口温度和碳转化率随煤浆浓度shows that bheterogencous reations of char with H2O, CO and和[OV[C]原子比的增加而增高。冷煤气效率随煤浆浓度的提H2 plays an important role in the whole gasification. CC is高而提高，隨[OV[C]比的增加会在1~1.05 之间出现峰值.inverse proportional to the particle size. The CC is only 72%关键词:数值模拟; [O/[C]; 煤气化;运行特性when the particle diameter is 175um. Operation temperature isthe most important parameters that afects gasification process.0引言As the slurry concentration increases, the mole fraction of COIGCC (integrated gasification combined cycles)increases quickdy while the mole fraction of H2O and CO2和多联产的关键技术之- -是煤的大规模气化。大规drops sharply, H2 mole fraction drops a litle at the same time.模气化目前主要是采用气流床"。对于气流床炉内When [O][C] atom ratio increases, H2 mole fraction decreases气化过程的研究，不少学者作了大量工作。Petersharply while Co and CO2 mole fraction almost doesn't change.Both outlet temperature and CC are proportional to coal slury等人对水煤浆气化炉建立了热力学模型[2;刘向军问concentration and [0VIC] ratio. Cold gas efciency is等人则采用涡量流函数方法和EBU模型对水煤浆proportional to coal slury concentration. The peak value of试验台进行了二维数值模拟。王辅臣41等人利用冷cold gas eficiency appears when the [O][C] ratiois 1 to 1.05.态试验台研究了气流床内的混合过程，认为炉内接KEY WORDS: numerical simulation; [OMC]; coal gasifcation;近全混流，并考察了炉体结构、喷嘴结构以及射流gasifcation performance特性对流场混合特性的影响。吴玉新问等人采用不摘要:应用CFD(computational fluid dyamic)软件FLUENT对同湍流模型模拟了气化炉内流场，得出与前者相似某化肥厂Texaco 水煤浆气化炉进行三维数值模拟，计算采的结思本政笙A (-8]左Wam/9)坐人的基础上采用小用贴体网格，简化PDP方法模拟湍流燃烧，编制UDF分别室模MH中国煤化工气化压力、煤颗基金项目s国家重点基础研究发展规划项目(2004CB217705).粒粒ICN M H G影响;贺阿特0、Poject Spposed by National Basic Research Program of China于海龙"等人采用简化PDFossibility density function)(2004CB217705).58中国电机工程学报第27卷模型建立了气流床气化炉的二维模型，并对结果进炭颗粒的燃烧过程，有助于火焰稳燃。假定温度小行了定性分析;陈彩霞12-1]等 人建立了三维数值模于1000K的区域为煤浆加热及脱挥发分区域，大型对热态试验台进行数值模拟，考察了气化反应速于2500K的区域为火焰区，则图1(b)分别表示出了率、煤颗粒大小、煤种等参数对气化的影响。本文这两个区域，可见火焰区非常狭窄，且与脱挥发分利用商业CFD软件FLUENT对某化肥厂的Texaco区域离得很近，这说明了煤浆火焰的特点。气化炉进行三维数值模拟，详细考察气化炉运行特性、颗粒在气化炉内的运动，比较冷态流场和热态流场，分析关键操作参数，如水煤浆浓度、[0][C]10000原子比、煤浆粒度等对气化过程的影响。模型采用三维贴体网格, Realizable k-e端流模型,简化的PDF>2500方法模拟气相湍流燃烧，同时编制UDF(user definedfunction) 分别考虑焦炭同02、H2O、 CO2 和H2的异相反应，采用文献[14-22]的参数， 模型及计算对象的详细描述参见文献[23]。1气化炉运行特性1.1工业运行条件下的模拟结果(细)温度等值线(b)火焰形状工业炉的运行条件为:操作压力4.2MPa,煤图1气化炉内温度等值线及火焰形状示意Fig. 1 Contours of temperature and Aame shape浆质量流量8.386kg/s,中心环氧气质量流量0.682kg/s,in the gasifler外环氧气质量流量3.864kg/so工业数据与本文计算由于火焰区域和氧浓度区域是紧密相关的，故预测数据如表1所示。由于实际气化炉并非真正的氧气在喷入气化炉后，绝大部分都在火焰区的独小反应平衡状态，故预测的CO/CO2组分有所偏差，空间内耗尽了，火焰区外的氧浓度迅速降低到接近从而导致预测出口温度值偏低。但总的来说，预测于零。结合以上预测，再考虑到焦炭的燃烧，不难值与实际值相差不大，这说明工业炉内气化过程基发现焦炭和氧气的反应在焦炭转化中的贡献非常有本达到反应平衡状态。限。为定量地考察气化作用，分别对仅考虑焦炭燃表1模型预测值和工业运行值的对比烧，和考虑焦炭同02、CO2、 H2O以及H2的反应ab.1 Comparisoo between industrial data这两种情况进行了计算,前者的碳转化率仅为32%，and model prediction项目工业运行模型预油后者达到95%。可见，当焦炭处在火焰区外的绝大出口温度/K16231573部分空间时，它与CO2、H20及H2发生的焦炭异相X (CO)%32.3535.88X (C02)1%616.0513.39气化反应对焦炭转化起着主要的作用。X (H20)/%25.3325.83x (H2V%25.7.24.44气化炉中各气体摩尔浓度及气体温度沿炉膛碳转化率/%594.64高度的变化如图2所示。图2(a)为各变量在某炉膛气化炉温度场如图1所示。图1(a)为气化炉内截面的平均值随距喷嘴距离的变化，图2(b)为各变温度等值线，可以看到在喷嘴正下方存在一狭长高量在轴线处的值沿距喷嘴距离的变化。温区域，形成了倒挂的火焰。由于回流的存在，等由图2可见Co和COr的组分浓度在距喷嘴不值线的形状并非垂直于截面，而是呈“V”形,通远处就迅速平稳下来，其摩尔分数不再变化;而H2过图1(b)的1600K等值面更可明显看出。气化炉弧和H2O则随着距喷嘴距离的增加分别逐渐增加和项回流区的温度比较低，只有1300K 左右，其原减小，只是这种趋势越来越平缓。另-方面，炉内因是氧浓度低，且高温气体主要是向下运动。但回同一高度处火焰区域和非火焰区域内组分分布有很流区有很重要的作用，一方面，大量的高温回流气大的不同.相对炉体截而平均值而言,火焰区内H2O体迅速加热喷入的氧气和水煤浆，并使煤浆中的水和CO中国煤化工H2组分较低，分迅速蒸发，另一方面，回流气体中的CO和H2q YHCNMHG大，更多地生成和喷入的氧气迅速燃烧，产生的高温火焰加速了焦了氧化产物所致。第32期吴玉新等:用简化 PDF模型对气化炉运行特性的分析5972.2%。这是由于在考虑焦炭异相反应时采用了均1800相级数反应模型，从而焦炭燃尽时间随颗粒的增大_C.1400而增大。H2O_表3不同颗粒粒径下的碳转化率和停留时间100020Tab.3 cC and residence of difTerent particle_CO2600碳转化电/%31001498.11.0距喷嘴的距离/m1087.617(间)炉膛截面平均值600211.3冷态热态流场的对比采用试验方法研究气化炉冷态流场时，Thring-HQCC72 100Newby准则数θ25- 26是一个非常重要的相似依据.00则为考察其适用性，对冷态和热态流场进行了比较，CO2并与经典环状射流理论进行了对比。900图3为相同射流条件下冷态和热态轴向速度等} 3006值面的比较。可见热态条件下，高速射流区大大增(6)轴线值加，回流也更加强烈，从而更有利于煤浆的燃烧。图2气体各组分摩尔分数及温度沿炉膛高度的变化另-方面，冷态流场存在明显的射流区和回流区，Fig.2 CO, CO202, H2 and H20 mole fraction and但管流区几乎没有,而热态情况下，由于氧气喷入temperature changing along the distance from tbe nozde1.2颗粒运动及寿命分析后迅速受热膨胀，以及煤浆颗粒中水分的蒸发,热采用离散相模型(dpm)和随机轨道模型对煤浆态射流的环向扩散剧烈得多，使得射流区域明显变颗粒进行计算时[41,对全体颗粒追踪的最终结果统小(尽管高速射流区更大),在炉体的后13处出现了计如表2所示，占总质量60.77%的颗粒离开了气化明显的管流区。炉，37.4%的颗粒碰到壁面并被捕捉，剩余部分在追踪颗粒计算完成时仍停留在气化炉内，颗粒的平均停留时间约为11.5s。表2颗粒追踪结果Tab.2 Results of particle tracking质量份额/%碳转化率/%停留时间/s_持续反应1.8346.9进入渣层37.4094.311.4高60.7794.811.5平均94.6实际上，在气化炉工业运行中，大部分煤浆颗粒在炉内停留一段时间后，都会被壁面捕捉而形成熔渣，而模拟结果并没有反映出这点，这是因为在目前的计算中并没有建立渣层模型，故无法确定颗(@)冷态(b)热态粒在与壁面作用时的真正结果。这一缺陷对预测气化炉运行特性影响并不大，因为煤浆颗粒的气化过图3冷态及热态条件下轴向速度等值面(n/s)Fig.3 Contours of axial velocity in cold and程往往在数秒内就已完成，但它对颗粒运动寿命的industrial fDow field( m/s)分析有一定的影响，在下一步研究中，需要建立合图4为相同射流条件下，冷态和热态轴向速度理的渣层模型，以更好地对颗粒运动及寿命进行预测。沿对称轴的计算值，同采用Thring-Newbee 相似准为分析不同粒径煤浆颗粒的气化过程，对不同则以及环状射流理论计篁所得理论值的对比。粒径颗粒的气化特性分别进行了计算。各粒径颗粒中国煤化工论解和计算值在的碳转化率和停留时间如表3所示。可见不同颗粒射流IYHCNMHG明搭建冷态试验的停留时间大致相同，但焦炭转化率同颗粒粒径成台模拟冷态流场时，采用Thring-Newbee准则是比反比，当焦炭粒径为175um 时，其碳转化率仅为较合理的。但在热态条件下，模拟值和理论值存在6(中国电机工程学报第27卷.很大的偏差，这主要是因为煤浆颗粒同气体反应，度, 和保持煤浆浓度不变,而改变[O]V[C]原子比时成为气相的源相，从而加剧了射流的环向扩散;另对气化炉运行特性变化预测的主要结果。一方面， 由于同相及异相气化反应的存在，气体的随着煤浆浓度的增加，CO摩尔分数、气化温成分不断变化，从而密度也发生变化，这种变化在度和碳转化率迅速增加, H2摩尔分数略有减小,CO2轴线处的火焰区域是非常剧烈的。因此在火焰区域，和H2O则明显减小。这是因为随着煤浆浓度的增轴向速度呈现出波动，而在远离喷嘴处，又由于剧加，水蒸发所消耗的热量占总热量的份额越来越小，烈的环向扩散，轴线处轴向速度迅速降低。所有这从而炉内温度升高，这一方面加快了焦炭异相反应些因素导致在受限射流过程中,动量通量不再守恒，的进行，从而导致碳转化率升高，同时促进了CO而理论解正是基于这一假定得出的。 可见，冷态流和H2的生成，但另-方面，温度升高使得水煤气变场和热态流场之间有很大的不同，难以进行定性的换反应朝着不利于H2生成的方向移动,抵消了焦炭对比，需要通过热态试验对热态流场进行研究。和H2O反应加快引起的H2增量，故H2反而有所降1.采用Thring Newbee准则计算结澩(冷志)低。根据模拟结果，从理论上说，煤浆浓度的升高120 2-环状射流 理论计算结果(冷车)3.采用Thring-Newbee准则计算结果(热态)总是对气化过程有利的，所以应当在工业允许的范.4-环状射流理 论计算结果(热志)80围内尽可能提高煤浆浓度,但这又受煤浆流动特性、雾化特性和耐火材料的限制，故应综合进行考虑。表5表明，随着[O][C]原子比的增加，CO和CO2摩尔分数几乎不变(但绝对质量流量增加);出口温度和H2O的摩尔分数迅速增加，碳转化率起先距喷嘴的距离/m图4冷态及热态条件下轴线处轴向速度增加迅速，随后增加较为平缓; H2 摩尔分数则迅速Fig. 4 Axial velocity on the axis in cold and减小。随着氧气的增加，冷煤气效率总的来说先增Industrial conditions加，后减小，在[O][C]为1~1.05 之间达到峰值。产2改变参数对气化的影响生这些现象的主要原因是随着氧气的增加，气化温表4和表5分别列出了在保证煤粉质量流量不度迅速提高，促进了焦炭的气化反应，故碳转化率变的前提下，保持[O][C]原子比不变而改变煤浆浓升高。随着更多氧气的加入，使得更多的焦炭直接表4 [0V[C]比不变时不同煤桨 浓度下的模拟结果Tab.5 Model results at different coal slurry concentration with a fixed [O][C]水煤浆浓度%项目5659一_60.562.63.565. 6_8_C29.99 .32.5634.9335.8837.1539.0841.95摩尔分数/%H25.4424.825.2424.4424.424.5523.92CO215.2913.3913.39 .13.112.1411.17 .H2025.9925.83 .24.9123.7922.52 .CO 42.1744.9247.2248.4149.4951.2954.14”摩尔分数(干燥基)%34.2134.1232.9832.5132.2230.8721.520.2818.118.07 .17.4515.9314.42出口温度/K1478.9155.51633.9”1732.5碳转化率/%85.2989.8994.2394.6496.197.0498.6冷煤气效率/%69.65969.59957.3585571.36916 71.70741_ 73.41991_ 73.57013_表5煤浆浓度不变,不同[0V[C]原子 比时的模拟结果Tab. 5 Model results at different [OV[C]atom ratio with a fixed coal slurry concentrationJOICI原子比090.950.961.05CO35.535.6935.8435.6726.8425.4925.28235921 5413.4913.4413.53 .13.4513.66H2O23.3624.7725.8326.6828.7346.6347.62中国煤化工50.05摩尔分数(干燥基Y%35.133.9230.2217.6517.89YHCNMHG19.17出口温度K i1449.715169172084.9790.4591.096.3498.5870.5770.9270.8071.3771.S5 .6.35093__第32期吴玉新等:用简化 PDF模型对气化炉运行特性的分析61生成CO2,但高温同时又促进水煤气变换反应向有1932-1935(in Chinese)利于co的方向移动，在这两个因素共同作用下，[4] 王辅臣， 于广锁，龚欣，等.射流携带床气化炉内宏观混合过程研究C.D0.化工学报，197, 48(); 193-206.CO和CO2的摩尔分数变化不大，但其绝对流量都Wang Puchen, Yu Guangsuo, Gong Xin, a a。lnvestigation of在增加，而H2的摩尔分数则迅速下降。由此可见，macTo mixing process for jet eotrained gisfer(LI U]. Jourmal of炉内气化温度是气化过程中的决定性因素.温度高，Chemical Industry and Engineering(China), 1997， 48(2)+ 193-206(inChinese). .碳转化率就高，减少水分吸热以及加入氧气都能增5] 王辅臣,吴锅,于建国，等.射流携带床气化炉内宏观混合过程研加炉温，但氧气的加入并不能使合成气组分总是增究()[切.化工学报，1997, 48<3) 336-346.加。故提高煤浆浓度是改善气化效果的有效途径，Wang Fuchen, Wu Tao, Yu Jianguo. Investigation of macTo mixingprocess for jeretrined gisf({D., Journal of Chemical Industry而[O][C]原子比则有一个最佳值，在煤浆浓度为and Engineering (China), 1997， 48(3); 336-346(in Chinese)62%的情况下，这一最佳值出现在1.0~1.05 之间。[6] 吴玉新，张建胜，岳光溪，等.用于Texaco气化炉同轴射流计算的不同治流模型的比较[小化工学报，2007, 58(3); 537-543.3结论Wu Yuxin, Zhangjasbeng, Yue CGuangxi, a al. Comparison of通过对气化炉内过程的数值模拟，发现焦炭同dfferent turbulent models in computarion of c-axial jet steam oftexaco gasifer[J]. Joumal of Chenical Industry and EngineeingH20、CO2和H2的气化反应起着重要作用，焦炭燃(China), 2007, 58(3); 537-543(in Chinese)烧所引起的焦炭转化率仅为32%，而大部分焦炭的[7] 李政，王天骄，韩志明，等.煤气化炉数学模型的研究-~建模部分消耗都是通过气化反应实现的;由于煤粉粒度的增([].动力工程，2001, 21(2): 161-1168.Li Zheng, Wang Tanjao, Han Zhiming, et al. Study of matbematical加直接引起反应时间的增加，故粒度越大，碳转化model for texaco gaifiermnodeling[]. Power Engineering, 21(2);率越低;所有因素中，气化温度是影响气化反应的1161-1168(in Chinese)决定性因素，气化温度越高，对焦炭的转化越有利，[8] 李政，王天骄，韩志明，等.煤气化炉数学模型的研究-计算结果及分析[].动力工程，2001, 21(4); 1316-1319.但冷煤气效率则由多种因索共同决定。Li Zheng, Wang Tajiao, Han Zhiming, et al. Study of Matbematical随着煤浆浓度的增高，CO摩尔分数明显升高、Model for Texaco GasifierCalculation and Analysis ]。PowerH2O和CO2摩尔分数明显降低,H2摩尔分数略有降Eninering, 200, 21(4); 1316-1319(in Chinese)低。随着[O][C]原子比的增多，H2摩尔分数明显降9] Wen C Y, Chaung T Z. Engtainneat coal gaicaio[J]. Ind.Eng. Chem. ProcessDes. Dev., 1979, 18(4);: 684-695.低，Co和CO2摩尔分数基本不变。出口温度和碳[10)贺阿特，冯宵，董绍平,等.德士古渣油气化炉的数值模拟[J].高转化率随煤浆浓度和[O][C]原子比的增加而增加。校化工学报，2001, 15(6); 526-531.冷煤气效率总是随煤浆浓度的提高而提高，但当He A'te, Feng Xiao, Dong Shaoping, et al. Comprchensive noumericalmodel for residual oil texaco gasific{J]. Jourmal of Chemical[O][C]原子比增加时，冷煤气效率则是先增大后减Enginering of Chinese Universities， 2001， 15(6): 526 531(in小，在[O][C]为1~1.05时存在峰值.Chinese)欲正确预测煤浆颗粒在气化炉内的运动及寿[I]于海龙,赵翔，周志军,等.氧碳原子比和水煤浆质量分数对水煤浆气化影响的数值模拟[D].燃料化学学报，2004, 32(4); 390-394.命，需要建立合理的渣层模型。由于反应的影响，Yu Hailong, Zhao Xiang, Zhou Zhju, d al. Numerical simulation热态流场和冷态流场存在巨大差异，故对于热态流analysis on the efe of o咖ratio and coal concentation in coal waler场，只能通过搭建热态试验台进行研究，冷态试验slury on gasification process [0]. Journal of Chenistry and Technology台并不具有指导作用。2004, 32(4); 390-394(n Chinese)[|2] Chen Caixia, Horio M, Kojima T. Numerical simulatio of eotrained参考文献flow coal gasifiers. Part I: modeling of coal gasifcation in a cntrainodflow gasifier[]. Chemical Engineering Science, 2000, 55(18);[1] 邓世敏，危师让，林万超。 IGCC系统专用单元模型研究[]. 中3861-3874. .国电机工程学报，2001, 21(3); 3436.[13} Chen Caixia, Horio M, Kojima T. Numerical simulation of enrainedDeng Shmin, Wei Shirang, Lin Wanchao. Study on modeling lypicalflow coal gasifiers. 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