温度对喷动流化床煤气化影响的数值模拟

-洁净煤燃烧与发电技术温度对喷动流化床煤气化影响的数值模拟吴俣,周传波,李乾军2(1.中国地质大学工程学院,武汉430074;2.东南大学热能研究所, 南京210096)摘要:建立了基于CFD的三维非稳态的喷动流化床煤气化动力学模型,考察了温度对喷动流化床煤气化影响。此模型包含了以下子模型:气固流动模型,煤的挥发分析出模型,焦炭气化反应模型,气相间的均相反应模型。焦炭的非均相反应的速率由气体的扩散和化学反应动力学共同控制,气体的均相反应可以作为二级反应来处理。试验结果和模拟的计算结果进行了对比，验证的结果表明了此CFD模型可以用来预测煤气化的反应过程。关键词:三维;CFD模型;煤气化;加压喷动流化床Abstract :A 3D unsteady mathematical model has been developed to simulate the coal gasifica-tion process in a pressurized spout-fuid bed. This CFD model is composed of gas- -solid hydrodynamics,coal pyrolysis, char gasification and gas phase reaction sub- -models. The rates of heterogeneous reac-tions are determined by combining Arrhenius rate and diffusion rate. The homogeneous reactions of gasphase can be treated as secondary reactions. A comparison of the calculation and experimental datashows that most gasification performance parameters can be predicted accurately. The good agreementindicates that CFD modeling can be used in the complex fluidized beds coal gasification processes.Key words: 3D;CFD modeling;coal gasification;pressurized spouted fluidized bed中图分类号:TK22文献标志码:A文章编号: 1001- 5523( 2009 )04-0021-05由于我国资源特点，以煤为主的能源供应在相作以下假设:(1)床料、焦炭具有同样的粒径,无粒径当长的时间内不会改变。煤气化技术是诸多洁净煤分布,且反应过程中粒径不变。(2)假设煤的挥发分发电技术的基础，国内外研究者对此进行大量的研析出是一个瞬时的过程。(3) 本模型只考虑甲烷的究工作。近年来,随着计算方法的改进和计算机硬件燃烧反应,不考虑生成甲烷的甲烷化反应。(4)取无条件的提高,CFD模型被证明是- -种 有效的优化和滑移的壁面条件,时间步长为2x 10-s。(5)对出口分析手段，在许多领域得到了广泛的应用。Scott未分解完的水蒸气的摩尔分数进行折算。Cope"利用FLUENT 6.0建立了二维流化床三相颗1.1气固流体力学方程粒混和模型。Raelli利用FLUENT6.1建立了鼓泡1.1.1 连续性方程|能流化床RDF(refuse -derived fuel)燃烧模型,但在煤气化领域的应用尚未见报导。本文建立了基于CFD气相(e,P)+V"'(epJ)=S,|牌的煤气化数学模型，结合欧拉双流体模型计算喷动固相(e,p)+V'(eqPyY)=S%流化床流场，在此基础上利用软件提供的用户自定义方程(UDF)加入化学反应模块从而建立了加压煤在此e,p,V分别表示体积份额,密度和瞬时速|身部分气化炉3D整体反应动力学模型。度。等式右边的s表示源项.只有流场时设为0,当_用有异中国煤化工存在质量动量及1数学模型热量交YHCNMHG本文的模型以化学动力学为基础,为简化模型，1.1.2动量方程●21●吴俣等、温度对喷动流化床煤气化影响的数值模拟洁净煤燃烧与发电技术燃烧反应: .气相.，(e&p,V)+V"(ep>V)=-e,VP+ .C+一02→+(2- )CO+(号 -1)CO2(1)EgPg+V&g. rτg-B(V;-V)=Spu其中:业是机理因子,一些研究已确定业是温度、颗固相。(e,p,V,)+V.(ep,V,)=-e;VP+a粒大小和碳类型相关的函数,较小的颗粒粒径和较e,p, g+VP+Ver,r,+B(V-V)=S,山n高的反应温度有利于co的生成;反之,则有利于这里,β为曳力系数,g为重力加速度,u为颗粒CO2的生成。对其的选取,可利用Ross的计算方法:平均速度。| 2Z+2d,≤0.05 cm1.1.3能量方程2+2多相流的传热通过气相和固相的焓值进行计= 2Z+2- (-(100-0.0)0.0950.05 cm≤d,≤0.1 cm算:|1.0d,≥0.1 cm(E,p,H)+7 "(e,pu.JH)=Va.VT)+Q+SH,其中,z=2 500 exp|-6 249. (&, p,H)+V "(, pu,H)=V(),V T)+Qn+S.H,碳与水蒸气的反应:此处H、λ、Q分别为焓、混合物热传导率、气相C+H20- +CO+H2(2)和固相间的热交换，公式右边第三项为固相变为气二氧化碳的还原反应(Boudouard reaction);:相时带来的热量。C+CO2→2C0(3)1.2化学反应模型焦炭的燃烧和气化反应同时考虑化学反应及气煤气化化学反应主要包括如下三个模型:(1)煤体的扩散,Kwy可由下式计算:KyF ShDs ,D,为气热解和挥发分析出模型;(2)焦炭非均相反应模型;dp(3)气体均相反应模型。体的扩散系数。1.2.1挥发分析出模型表征颗粒传质特性的Sherwood数受颗粒和气由于喷动流化床传热速率高和良好的气固混体流动的影响。本模型采用岑可法提出的计算式和，煤中挥发分析出的时间与气化反应相比要短得进行计算:Sh=2+0.654Re"Sc^, (Re= ude ,Sc=多，研究煤气化的模型中许多都假定挥发分进入炉μ膛内立即释放。本模型采用动力学平衡模型来描述挥发分释放后的产物分布,然后与其他子模型结合,焦炭的燃烧和气化反应的速率方程:进行模拟计算，因此该模型可以进行多组分的热解= 6V.K.PX,产物的计算,具有- -定的通用性2。dKKyVolatile- +aryCO2+a2CO+axCH+azH+a,H20能Ks;为表面反应速率常数,取值见表19。Za=1表1焦炭非均相反应的表面反应速率常数Pa-'s-+1.2.2 焦炭气固非均相反应反应方程在本模型中，焦炭的气固非均相反应包含三个Ks;=17.9exp[-13 750/Tp]用反应:焦炭的燃烧反应,焦炭和水蒸气的反应,焦炭Ks=5.95 x 10-*exp[-13 650/Tp]3)Ks3=3.92exp[-26 927/Tp]和二氧化碳的反应( Boudouard反应)。关于焦炭与氧气、水蒸气和二氧化碳的反应机理,国外学者有不同中国煤化工5颗粒的体积(m),的描述。在本文中,我们假设焦炭的非均相反应速率,MYHCNMHC粒的直径(m),P为.22.由气体的扩散和化学反应动力学共同控制。气体组分的分压力(Pa),X 为气体组分的摩尔分昊俣等,温度对喷动流化床煤气化影响的数值模拟洁净煤燃烧与发电技术数。表3计算工况参数1.2.3气体均相反应工况工况1工况2工况3对于气体均相反应，由于流化床内湍流运动十加煤量Akg*h-'5.79分强烈,因而可燃气体与氧气混和良好,反应时不考空气量/Nm2.h-18.210.1911.53虑气体间的传质和混和问题，而认为气相间的反应蒸汽量/kgh-11.781.861.93压力MPa0.3完全由反应动力学因素控制，因此上述反应可作为空气、蒸汽入炉温度1C525533550二级反应来处理。除了气体燃烧反应以外,水气置换气化炉温度/9C88489812反应也可按二级反应来处理。各反应的反应速率可表4煤的工业分析和元素分析%表示为:工业分析(ad)水分挥发分固定碳灰分r=A.1exp(1.1626.9346.0125.90元素分析(ad)气体均相各反应式的动力学参数见表29。低位发热量Cad Had 0ad Nad SadMad Aad表2气体均相反应的动力学参数1kJ.kg-+反应频率因子活化能57.86 3.723 220/m'kmol-'g~'AkJ*kmol-*C0+ 1/20- +CO,3.09x 109.976x 10*3.1喷动流化床床内气体组分的分布H+ 1/202 +H208.83x 10在这里取纵向截面Y=0的截面来进行描述。图CHL+ 20;→2H,0+CO,2.552 x 104 .9.304x 102表明了气体各组分浓度的分布。不同工况下浓度CO+H.0-→C0+H22.978x 10*3.69x 10分布的趋势大体-致。氧气的浓度沿着床高的方向CO:+H2~ +CO+HO6.245 x 10*3.983x 10很快消耗完毕,这表明燃烧反应速率很快。同时在反2计算工况及网格划分应器底部二氧化碳的浓度一直在增加， 并达到了最高值。CO2在床层下部环形区浓度高于喷动区,说明生成二氧化碳的燃烧反应主要集中在环形区。随着取相D-氧气的消耗完毕,焦炭和水蒸气、二氧化碳的反应成为主要的反应，如图2所示，沿着反应器的高度方向,氢气和一氧化碳的浓度逐渐增加,而二氧化碳的浓度在降低。因为在本模型中只考虑甲烷的燃烧反应,不考虑生成甲烷的甲烷化反应,所以甲烷的浓度圈1试验流程图及三维网格划分模型以热输人为0.1 MW的喷动流化床气化炉是喷口人口处最高,随着床高的增加逐渐减少。从图为对象",气化炉系统流程图如图1所示，同时图1中还可以发现,在自由空间里,各组分的浓度基本保还给出了喷动流化床的网格划分示意图。喷动流化持稳定,说明在自由空间基本上不发生化学反应,可能床由上部柱体和下部锥体构成。网格上部圆柱体采能的原因是，在自由空间里颗粒的浓度很小且温度用规则的四面体网格,下部采用三角形网格,总的网的下降使得气化反应速率大为降低。格数量约为5.6万。徐州烟煤的工业分析和元素分3.2喷动流化床床内温度的分布图3表明了三种不同工况下反应器内温度的析见表4,计算工况的参数如表3所示。分布(取纵向截面Y=0和横向截面z=0.04)。如图所用3模拟结果与分析示,给中国煤化工,反应器内的温度随之CN M H c年的趋势基本一从表3的三个工况考察床层温度对煤气化的影致,中心顺动区温度明显咼十周边坏形区，密相区的响。温度高于悬浮段。人口射流有一一个非常明显的高温● 23●吴俣等，温度对喷动流化床煤气化影响的数值模枞洁净煤燃烧与发电技术11949电485-02HCOCH4CO2工况1185.011m-0150614hc1h-0019.C .60-01510342u日15-8154u042*”。.)2H;:0CH2工况218090m-18+016.72-08140-088-Ca1394015-685.68-09 .454-68.804-0010+00:O2工况3能图2不同工况下O2、H2、CO.CH2和CO的分布火焰，并且沿着床高的方向温度场沿着床高方向逐渐降低。究逐渐降低。在人口处，氧气浓度最3.3温度对气化的影响高，氧气与煤发生剧烈的燃烧反温度对气化产物的影响如图用川I应并逐步被消耗完毕。当氧气消4所示,H2和CH4的摩尔分数随◎◎◎耗完以后,焦炭和水蒸中国煤化工而减少，而CO和碳的非均相反应此时d占三显。原则上,床内温工改1工配2工观3的地位。因为焦炭与蒸MHCNMH(利于反应生成CO、书及时川同日●24●围3不同工况下床内温度的分布碳的反应是吸热反应，所以温度CH4和H,但由表3可知,工况1昊俣等、温度对喷动流化床煤气化影响的数值模拟-洁净煤燃烧与发电技术到工况3的加煤量不变,是通过风量来调节床层温4结论度。随着风量的增加,反应生成的CO、CH4和H2等可燃气体均会和空气发生反应,致使CO.CH和H2本文建立了喷动流化床三维非稳态的化学反的摩尔分数减少。但同时我们发现CO和CO2的摩应动力学模型，获得了气化炉内温度和组分分布,尔分数变化不明显，这是因为随着温度的升高，考察 了宋层温度对煤气化过程的影响,并和试验数Boudouard reaction (C+CO2-→2CO)反应速度加快,消据进行了对比,有以下的结论:(1)人口中心喷动区耗了CO2和生成了更多的CO。这样使CO和CO2的的温度最高。当氧气消耗完以后,焦炭和水蒸气、二二摩尔分数变化不是太明显。氧化碳的反应占居了主导的地位。因为焦炭与水蒸气、二氧化碳的反应是吸热反应,所以温度场沿着床高方向逐渐降低。(2)温度对气化有两方面的影10响:一方面,温度的升高可以加快气化反应速率,另-- co---- H-方面，温度的升高意味着更多空气量的加入，而.... CH,更多的空气会和已经生成的CO、CH4和H2发生反应导致其浓度的降低。880885890895900905910915温度/心参考文献:圄4出口气体组分随不同床层温度的变化[1]Scott C, Charles J,Coronella CFD Simulation of Particle Mixing3.4模拟值和试验值的对比in A Binary Fluidized Bed[] .Powder Technology,2005,(151):试验验证在如图1所示的热输人为0.1 MW27-36.的喷动流化床气化炉中进行。表5比较了本模型的[2] Ravelli s, Perdichizi A, Barigozi Description C. Applications模拟值和试验值,同时也给出了每种工况下各组分and Numerical Modeling of Bubbling Fluidized Bed Combus-计算的相对误差。可以发现计算值和试验值吻合得ion in Waste- to- energy Plants [D. Progress in Energy andCombustion Science ,2008,34(2):224- -253.很好，绝大多数的误差在10%以内，平均误差为8.18%。各组分最大的误差是甲烷的计算误差,达到[3] Lee J儿L KimY J, LeeW J, Kim s D. Cal-gasification KineticsDerived from Pyrolysis in A Fluidized Reacor 办Energy,了15%。由此可见本模型中关于甲烷的模型存在一1998, 23(6):475- 488.定的偏差,低估了煤热解挥发分析出模型中甲烷的[4] Liang Yu, Jing Llu, Xiangping Zhang. Numerical Simulation of释放量。the Bubbling Fluidized Bed Coal Gasification by the Kinetic表5试验值与计算值的比较%Theory of Granular Fow(KTGFU]. Fuel, 2007, (86):722-734.组分数值工况1工况2工况3[5] Hut R H,Calo J M. Semi-global Intrinsic for Char Combustion实验值11.2511.1811.15ModelingJ,Combustion and Flame,2001,125)3)1138-1149.:0计算值11.95110.98[6]沈维道郑佩芝.工程热力学(M]北京:高等教育出版社，相对误差6.221.631.521987.1311.710.85[7李乾军,章名耀,施爱阳、加压喷动流化床煤部分气化试验H213.71.4810.915.381.880.55[I.东南大学学报,2006, 36):765 -768.|京3.453.172.66|弟CH,3.983.342.71收稿日期:2009-02-09用15.365.3615.6917.3716.84中国煤化工CO214.0614.5314.36MYHCNMHG10.3816.3514.7●25●