简化PDF模型对Texaco气化炉的三维数值模拟

第58卷第9期化]学报Vol. 58 No. 92007年9月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)September 2007研究论文 美简化PDF模型对Texaco气化炉的三维数值模拟5333333333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，滑华大学热能工程系，北京100084)擠要:应用商业CFD软件Fluen建立气化过程热态模型，对某化肥厂Texaco水煤浆气化炉进行了三维数值模拟。计算中采用简化PDF模型描述炉内的化学反应，将水煤浆看作燃料流，氧气看作氧化剂流;根据对冷态流场的计算，采用六面体绡构网格为主的网格划分; Realizable ke湍流模型封闭湍流方程; dpm模型考察气体和颗粒相耦合;随机轨道模型对颗粒相进行追踪，P-1 辐射模型计算炉内辐射特性:同时编制UDF函数模拟焦炭和O2、H2O、CO2以及H:的颗粒异相反应。通过与工业数据的对比，证明该模型能够真实反应气化炉内的物理特性，同时表明工业炉内的同相反应藁本达到化学平衡。关键词:敷值模拟;简化PDF;异相反应中图分类号: TQ171.6'25; TQ 54文献标识码: A文章编号: 0438-1157 <2007) 09- 2369-063D numerical simulation of Texaco gasifier using assumed PDF modelWU Yuxin, ZHANG Jiansheng, WANG Mingmin, YUE Guangxi, LU Junfu(Key Iaboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education ,Department of Thermal Engineering , Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Based on commercial CFD software Fluent, numerical simulations of the coal gasification processfor a Texaco gasifier was investigated with a comprehensive model, which contained several simplified sub-models. Chemical process was described with assumed PDF model. In this model, coal slurry was defined asthe fuel stream, pure oxygen was defined as the oxidizer stream. According to the numerical simulation ofthe cold flow field, the mesh mainly composed of hexahedral structure was adopted and realiable k-eturbulent model was used. The coupling effect between gas phase and discrete phase was considered byusing Particle Source In Cell (PSIC) model. A stochastic tracking method was used to simulate turbulentdispersion of the particles. P-1modelwas also adopted to include the radiationin thgasifier. .Heterogeneous reactions, including carbon with O2, H2O, CO2 and H2, were considered by UserDefined Functions (UDF) . The comparison between the industrial performance and the prediction datashowed that the model could describe the gasification process correctly. The gasification process in anindustrial gasifier could be regarded as in kinetic equilibrium.Key words: numerical simulation; assumed PDF model; heterogeneous reaction气化强度高、碳转化率高、产品煤气中不含焦油和引言酚类物质等优点。Texaco 气化炉是典型的气流床气流床煤气化炉是一种先进的气化技术，具有煤气化炉，我国已有多家企业采用了Texaco气化2006- -09-25收到初稿，2006-11- 14收到修改稿。中国煤化工) cndidate. R- mil:;联系人及第一作者:吴玉新(1979-), 男，博士研究生。基金项目:国家熏点基础研究发展计划项目wuyx02:TYHCNMHG(2004CB217705).Foundation itm: supprted by the National Basic ResearchProgram of China (2004CB217705).2370●比学第58卷炉装置，为深入了解水煤浆气化过程，提供改进方表1水煤浆原料煤的工 业分析和元素分析案，建立详细的数值模型显得十分重要。Table 1 Primary and ulimate analysis of coal for slurry国内外已有不少学者对水煤浆气化过程进行了Primary analysis(d)/%模型研究，Peter 等川对水煤浆气化炉建立了热力VFCAQnHv/MJ.kg 1学模型，并考察了气化炉的反应特性;李政等1C-3]21. 9863. 2414.7826. 163在Wen等[4的基础上，对Texaco气化炉建立了完Utimate analysis(da)/%整的小室模型，与工业数据进行了对比，并考察了0N煤浆浓度、氧煤比、气化压力、煤颗粒粒径等参数65. 744. 3513. 870.91. 35变化对气化过程的影响;贺阿特等0采用简化PDF模型对Texaco渣油气化炉进行了二维数值模(2)由于煤浆中的液滴蒸发和挥发分析出过程拟;于海龙等(0也采用了简化PDF模型对Texaco都很快(10~'s)，故将水煤浆视为具有特殊性质的水煤浆气化炉进行了数值模拟;刘向军等[2则采用煤粒，水和挥发分均视为挥发分的组成部分，同涡量-流函数方法，EBU模型对水煤浆试验台进行时，由于氨气不参与反应，故认为氧气纯度为.了二维数值模拟。以往模型研究多以二维为主，而在采用简化100%，则采用简化PDF模型时，就可将水煤浆作PDF模型时，往往难以考虑焦炭与CO2、H2O等为燃料流、而将纯氧作为氧化剂流，从而采用单混物质发生的焦炭异相反应。本文在玲态试验和模型合分数模型。研究的基础上[80]，应用Fluent 软件建立了三维网(3)由于本模型主要考察气化炉的气化过程及格划分，采用简化PDF模型模拟炉内化学反应、特性，故不考虑S元索和N元素的反应，将S元dpm模型考虑颛粒相和气相的耦合作用、随机轨素的质量分数并入N元素，认为N元素只生成道模型追踪颗粒运动、P-1 模型计算炉内辐射传N2，并认为挥发分主要由H2O、CO、N2和H2热、编制UDF模拟焦炭异相反应，采用此模型对组成。Texaco气化炉进行研究，与工业数据进行了对比。(4)认为炉内无论是气化反应还是燃烧反应，均处于反应平衡状态，从而不必计算同相反应，而1研究对象及模型假设是根据Gibbs最小自由能原理确定混合分数的关Texaco气化炉是典型的气流床煤气化炉。其系，并根据β形PDF函数(10来建立混合分数同其运行特点是采用外混式三通道喷嘴将水煤浆及纯氧他守恒标量平均值的PDF表，并根据该表来确定高速喷入气化炉内，水煤浆在氧气的高速冲击下被所要求解的守恒标量值，如温度、各组分摩尔分雾化成几十微米的煤浆液滴，并被大量的高温回流数等。气体迅速加热，煤浆液滴中的水分因此迅速蒸发，(5)认为气化炉内处于允分发展的湍流状态。既而发生脱挥发分、挥发分及焦炭颗粒的燃烧等过(6)假定水煤浆被充分雾化，水煤浆滴的粒径程，同时氡气被迅速耗尽，在喷嘴下方形成一- 下行分布和煤粒的粒径分布规律一致，根据工业值，火炬。燃烧生成的高温气体在向下游流动的过程中即可认为充分雾化后的煤浆粒度分布如表2所发生气化反应，最终生成合成气。示。同时假定煤浆颗粒在炉内距喷嘴不远处呈.本文中的模拟对象为某化肥厂的Texaco气化20°锥形角以一定速度向外喷射，速度分布由喷炉，气化炉操作压力4.2 MPa，氧气纯度99. 6%嘴出口截面积以及中心氧和煤浆的体积流量来(其余大部分为Ar),人口温度303 K。水煤浆浓确定。度为62%，入口温度323 K。该气化妒采用混煤，(7)异相反应时间尺度相对于湍流脉动时间尺.煤的工业分析及元素分析如表1所示。度来说很大，故忽略湍流脉动对异相反应的影响，为便于建立计算稳定的数值模拟，采用如下中国煤化工生成物浓度可按时假设:均值CHCNMH G(1)假定气化炉稳定运行，人口的氧气和煤浆根据以上假定，可建正元整的热态模型，下面给入量不随时间而变化。详细叙述。第9期吴玉新等:简化PDF模型对Texaco气化妒的三维数值模拟●2371●裹2媒和煤浆颢粒的粒度分布温度，K;A.和E.分别为单步脱挥发分速率的指Tabke2 Size dstribtion of coal and coal slury paricks前因子和活化能，其值田分别为210000 s~'和3.28X10' J●krmol-1。Coal mesh Mas fraction of cosl Average coalsize/pm particles psed/% slury size/pm factin%62.2焦炭异相反应4530气化炉中，焦炭除与氧气反应外，还与水蒸7411:气、CO3. H2等发生气化反应。由于气化过程处49110于高温高压环境，故这些气化反应的反应速率急剧200175增大，在焦炎转化过程中也占据着重要的地位。事实上，氧气喷入气化炉后，会被回流的合成气及焦2模型介绍炭颗粒迅速消耗，有氧区域仅存在于狭长的火焰中，焦炭与氧气的反应时间十分有限，而在焦炭颗2.1基本模型粒处于气化炉内的绝大部分时间中，气化反应占据已有不少学者证实，在工业炉气化过程中，气着主导地位，故必须考虑焦炭同H2O、CO2和H2化反应可近似认为达到平衡[,而在煤的气化过等气体间发生的气化反应。在Fluent中，为了模程中，可近似认为煤中各组分是均匀释放的。基于拟这一过程，采用UDF函数计算了焦炭的气化反以上两点，可假定各守恒标量(例如温度、各组分应速率，完善了焦炭颗粒的气化过程，下面详细的摩尔分数等)由混合分数及其均方差惟一决介绍。定[01,故在本模型中，采用简化的PDF方法来.加压条件下，假定异相反应受扩散和本征反应模拟煤气化过程。共同控制，且扩散和本征反应互不影响，则可用式气流床气化炉属于典型的湍流受限射流过程，(2) 计算焦炭颗粒同某种气体i的异相反应处于充分发展的湍流状态，故选择正确的湍流模型速率[1)对数值计算至关重要。为此，搭建了冷态试验装.R.R.(2)置[8]，以此实验台为研究对象进行了数值模拟，分R.= R.+R.k别对不同的三维网格划分和不同的湍流模型进行了式中R,表示单位表面积的焦炭颥粒与i 种气体的评估(142，根据试验测试结果和模型预测的对比，反应速率，kg.m-'.s~'; R.s表示扩散控制的速最终选定Realizable ke模型对湍流模型进行封闭。率，kg.m-1.s~'; R..，表示本征控制速率，kg前文中已假定水煤浆雾化过程是充分的，煤浆雾化后的颗粒分布由煤粉粒度分布值给出，在此情由于气化炉是在压力条件下运行的，故在计算况下，可采用离散相模型来考虑颗粒相和气相间的本征反应和扩散反应中，均需考虑压力的影响，本相互作用，采用随机轨道模型来追踪颗粒的运动。模型中采用常用的压力n次方经验公式来计人压力实际计算中，考虑到计算速度限制，每次离散相计的影响，R.d和R..分别用式(3) 和式(4) 计算算约追踪2000条颗粒轨迹，这一数目既保证了结Rs= C;[(T,土T.)/27]0p,(3)果的准确，也节省了计算时间。d。气化炉内的气化气富含水蒸气和COz,对热辐R.s - A.exp(- :><:/0)"4)RT,射有强烈的吸收作用，且气化炉的直径约1.6 m,式中C为i 气体扩散控制常数，假定各气化反应故可认为炉内气体介质是光学厚介质，在此情况扩散控制常数均为3X10-*s.K-0.7s; T。为气体下，可采用较为简单的P1模型计算炉内辐射的温度，K; d,为颗粒粒径，m; A,和E分别为焦传热.煤浆颗粒的脱挥发分过程采用单步模型，如式炭同i气体本征反应的指前因子和活化能，其值根据文献及试验数据共同校核051); R为气体常数，(1)所示8314中国煤化工压，Pa; n为反dm=-A.exp(-六)(m, -m。)(1)应级MHCN M HGH2O和H2反应式中m。 和mp分别表示颗粒质量和颗粒中除挥发的活化能和指前因子，以及压力影响因子n的值如分以外物质的质量，kg; l为时间，s; T,为颗粒表3所示。●2372●化I学指第58卷表3式(3)和式(4)中的常数Table3 Constants of FEq (3)and EQ (4)ConstantC+O2 C+CO2 C+H2O C+H2A/kg.m-2.gi.pe 300222442.51.62E/J. kmol-11.3X104 2.2X10 1. 42X10* 1.5X10.0.650.6对颗粒追踪时，假定颗粒粒径在挥发分析出过程中会发生膨胀，膨胀率根据文献[19]推荐的公.式计算，其值为1.1.而在焦炭的燃烧和气化过程中，假定颗粒粒径不变而密度减小。并假定颗粒为球形，颗粒比表面积S即1 kg球形焦炭颗粒的外围1气化炉计算城及六面 体网格表面积。这样，焦炭颗粒同各种气体发生燃烧气化Fig.1 Calculation domain of gasifier反应而导致的单位时间消耗量可由式(5) 计算composed of hexahedral mesh得到m= Em,R,S(5)式中im 表示焦炭颗粒的单位时间消耗量，kg.5~'; m。表示焦炭颗粒质量，kg; s表示焦炭颗粒的比表面积，m2●kg-'.mass flow_ intetlc annular:2.3网格及 边界条件, center.通过在冷态条件下对多套三维网格计算结果的mass flow. inlet评估，最终采用以结构网格为主的六面体网格(田,以1/4炉体为计算城，网格划分和边界条件设定分图2气化炉喷嘴网格划分及边界条件Fig.2 Meshing and boundary delinition of gasifier nozle别如图1和图2所示。图1为计算域炉体的网格划分的剖面示意，计算采用贴体六面体网格，中心火w.m~,收缩段为-1500 W .m-*,故分别按以炬区城网格划分较小，远离火焰处网格较大,两者上值设定各壁面为等热流边界条件;出口延长段为体积比约为1 : 200;图2为气化炉氧气喷嘴人o激水环，因为不是本文研究所关心的部分，故将其处的网格划分及边界条件设定。由于煤浆是按颗粒简化为等壁温边界条件，壁温为1500K,喷嘴内相处理的，认为雾化充分，故将水煤浆入口视为壁取壁温为323K (水煤浆温度);喷嘴水冷套管外面边界条件。考虑到高速射流及氧气的带压喷射，壁取壁温600 K.且氧气人口处存在变截面几何体，对中心氧和外环根据假设(6)， 煤浆颗粒按20°的锥形角在距氧人口处采用质量人口边界条件，如图2所示:出喷嘴下方0.05m处以30 m.s"'速度给人,煤浆口采用压力出口边界条件;计算域考虑1/4炉体，颗粒粒径及质量分布如表2所示。对于颗粒在壁面切面采用尚期边界条件.采用该模型分别对网格数的边界条件，取拱形炉壁和垂直炉壁均为反弹边界量为2万(8X24X120， 环向X径向X轴向)、8条件， 弹性系数因温度而异:由于下部炉体温度较万(12X40X160)和20万(18X50X230) 的计高，取下部收缩段和炉体出口处均为颗粒捕捉边界算域进行了计算，最终确定计算域的网格数目为8条件。 以上简化的边界条件,基本保证了模型和气万左右。化炉物理特性的一- 致性。对于气化炉壁面，假定外界环境平均温度为3. 计算过程及结果283 K,炉内平均温度1600 K,根据炉体耐火材料中国煤化工厚度及热导率建立气化炉炉体与外界的对流换热模型，从而计算出炉体各段的壁面热通量，得到上部.MCHCNMHG法,首先计算冷态拱形结构为- 1030 w. m-*,垂直段为一1024流场，基华收效口代用八积坦i算热态流场。计算时依次采用一阶迎风格式和二阶迎风格式离散控制第9期吴玉新等:简化PDF模型对Texaco 气化炉的三维数值模拟●2373 .方程中的对流项。计算初期采用低松弛因子，待结.气化炉中各气体摩尔分数及气体温度沿炉膛高果稳定后逐步增加松弛因子以加速收敛。最终采用度的变化如图4所示。图4 (a) 为变量在炉膛截二阶迎风格式得到最终结果。采用出口人口质量差.面的平均值沿距喷嘴距离的变化，图4 (b)为变(<0.1%X入口质量)、气化炉内不动点温度及组量在轴线处的值沿距喷嘴距离的变化。可见CO和分监视(波动<1%X平均值)以及控制方程残差COr很快就能达到平衡，在距喷嘴不远处，其摩(能量方程峰值残差<1X10~',其他方程峰值残差尔分数就不再变化;而H2和H2O则随着距喷嘴<1X10-*)这3个变量判断计算收敛。每一工况距离的增加而逐渐减小，只是这种趋势越来越平约计算23000步，计算时间约为2 d.缓，说明H2达到平衡的时间要长一些。另一方表4列出了工业运行数据与模型预测值的比面，炉内同一高度处火焰区域和非火焰区域内组分较，其中CO摩尔分数的预测值比实际值高，这也有很大的不同，火焰区内H2O和CO2的摩尔分数是出口温度偏低的主要原因，但总的来说，预测结很高，CO和Hp组分很低，这主要是因为火焰区果与实际结果基本吻合，说明了模型的准确性。氧气浓度较大，更多地生成了氧化产物。表4工业运行敷据与模型预测值比较02:-CO:一Co- H2O;. H;-- T1800Table 4 Measurement data and model prediction data50-1600DataOut temp. CO COr H20 H2 C/%/%/%/%/%1200measurement32.3516.0525.33 25.7 95model prediction 1573 35. 8813. 3925. 8324. 4494. 64客2080000图3分别表示了炉内温度场及各组分的摩尔分00o数等值面。由温度场可见气化炉中心有一明显的高0门2一34一56200温区，即下行火焰区，氧气在火焰区内基本都被消distance from 0zzl/m耗，产物主要以CO2和H2O为主，而在火焰区外(a) average value in a given height测，CO迅速达到平衡，而H2达到平衡的过程要50厂相对慢一些。总的来说，预测结果与实际工况基本.50}{ 2700符合，这也说明工业炉运行时，炉内气化反应基本2400达到平衡。210030d -1300-15001500的<1000525002100售 - 1700冒20600300回) temperature23456distance fom nozzle/m-20%-36%(b) value along axis图4气体各组分摩尔分数及温度沿炉膛高度的变化(6) Co mole fractionFig.4 co, CO, O2, H2 and H2O mole fraction andtemperature changing along distance from nozzle叫<5%~20%~24%4结论(C) H2 mole fnactio中国煤化工图3气化炉温度、 CO和H;摩尔分数等值线CHCNMHG立热态模型，对Fig. 3 Contours of temperature, CO & H2某化肥厂Texaco 水煤浆气化炉进行了三维数值模mole fraction in gasifier拟。编制UDF函数建立了焦炭和O2. H2O、CO2，2374●化指第58卷以及H;的颗粒异相反应模型。通过模型预测与工[9] Wu Yuxin (吴玉新)，Zhang Jiansheng (张建胜). Yu业数据的对比，证明该模型能够真实反应气化炉内Guangxi (岳光锅)，La Junfu (目俊复). Numerial的物理特性，同时表明，工业炉内的同相反应基本simulation of the gas flow field from a triple channel coal-water surry gasifer porzle J. Tinghua Univ. Sei, &达到化学平衡。.Tech. (清华大学学报:自然科学版)， 2006，, 46; 691-695References[10] Jones WP, Whitelaw J H. Calculation methods for reactingturbulent flows: a review. Comburtion and Flame, 1982.[1] Peter Ruprecht， Wolfgang Schifer Paul Wllce A48; 1-26computer model of entrained coal gasication. Fuel, 1988,[1]SmootLD, SmithP J. Coal Combustion and Gsifcation.67 <6)。 739-742New Yorks Pleum Press, 1985; 267-2982] LiZheng (李政)，Wang Tinio (出天骄). eal. Strdy[12] Wu Yuxin (吴瓦新)，Zhang Jiansheng (张建胜)，Yueof matheatical model for Texaco gasilier (I); Modeling,Guangxi (岳光摸)，L Junfu (目俊复). Comparison ofPouer Enginering (动力工程)，2001，21 (2):difereat turbulence models in computation of co-axial jet1161-1168stream o1 Texaco gasitier. Journal of Chemical Indusry3] u Zheng (李教)， Wang Tisnio (王天骄), nal. 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