德士古气化炉内煤气化过程的数值研究

第22卷第5期动力工程vo].22No,51932·2002年10月POWER ENGINEERINOOct 2002文章编号:1000-6761(2002)05-1932-04德士古气化炉内煤气化过程的数值研究刘向军1,朴泰俊(1.北京科技大学热能系,北京100083;2.韩国能源研究所,韩国大田305-343)摘要:采用涡量流函敷渎,并引入教性势函教对德士古气化炉炉内两相流动、传热、燃烧及气化过程进行了教值研究。计算提供详細的气化炉内速度、湿度、浓度分布。计算结果合理,与实验结果定量相符,说明所秉用的模型和算汝是可行的,计算蛞果为深入研究气化过程及其机理提供了依据。图6表3参关键词:气化炉;煤气化;数值研究;涡量-流函数法中图分类号:TK16文献标识码:A0前言0.2m,炉膛上部0~1.2m为高温段,大部分燃烧和气化反应在此进行。炉壁包有多层保温材料;下煤是世界上储藏量最丰富的化石燃料,其直部1.2m~2.05m温度较低,炉壁有循环水冷却,接燃烧的利用形式却对大气造成严重污染,危害在本文工况下,冷却水流量为1m3/h,带走热量为人类生存环境。作为一种新型的清洁燃烧技术煤30.189kJ/s。图2、图3所用喷嘴简图,中心喷孔的气化日益受到广泛重视为水煤浆喷口,圆环形为氧气喷口。水煤浆和氧气德士古气化炉是目前最常见的一种气化炉炉从气化炉炉顶喷入炉内,混合、加热进而燃烧气型,是第二代煤气化技术中最成熟商业化装置最化。气化炉各部分的尺寸示于表1,运行工况参数多的技术,具有对煤种适应性大、整体热利用率于表2。高碳的转换率高以及产气品质高等优点我国目前正在开发和引进这项技术,对其炉内过程的深入详细研究十分关键。德士古气化炉是一种高温、高压煤粉气化炉,炉压为2×103~6×10kPa90%以上的煤粉颗粒尺寸小于100um,炉膛中心温度达2000C以上,煤粉颗粒在3~6s的时间内完成混合加热、热解、燃烧和气化一系列过程由于该过程涉及时间短,且气化炉内温度、浓度梯度变化大采用实验方法对煤气化进行详细研究几乎是不可能的,必须同时借助数值模拟的手段。1韩国能源所0.5D德士古气化炉本文的研究对象是韩国能源所0.5t/D德土古气化炉。如图1所示气化炉高2.05m,直径为收日:20010422图1韩国能源所0.5t/D德士古气化炉简图金项目:教育部归国人员科研启动基金资助项目表1几何尺寸(单位mm)清大拿来士:在北京料太学热旗系任费「a⊥ D2 D3 D4D5从事流动及煤粉燃流过程的数值研究2050中国煤化工CNMHG动力T.程对有化学反应或相变的气体—颗粒群两相流而言,气相瞬时流场的连续方程写为V·(pV)+Sm=式中Sm-一气相物质源项将气相流场上一点的瞬时质量速度矢G=p分解,作为瞬时质量矢pi与之和图2喷嘴横截面图(2)定义质量速度矢P为V·(p)-0因此存在一流函数v,对于本文所研究的轴对称问题,有1 ay1 ay(4)由式(1),式(2)和式(3),有:图3喷嘴纵截面图V·(pi)=S本文所研究的煤种是韩国能源所实验用定义质量速度矢PuKIDEC煤。对于本文所模拟的喷嘴实验研究表V(6)明:水煤浆喷入气化炉后,迅速被气流冲击为大小对于轴对称问题,有不等的水煤浆颗粒。进行数值模拟时,我们把水煤(7)浆颗粒视为颗粒相,水煤浆颗粒中水份、灰份、挥p ar(8)发份及固定碳的含量分别为42%9.86%,Vφ=S18.93%及29.21%。这就是数性势函数方程。另外,在计算中,根据实验数据,将水煤浆颗3气化反应模型粒按初始粒径分为11组,分别为:10m,20m,气化炉中各组分的质量分数(浓度)方程为:30pm,40pm,5m,60pm,70m,8opm,90a(Aa/100m和110pm,总计算轨道数为400条+i arouf. aror ar/+衰2运行参数(,/coal0.8912+s速度(m/s)水煤浆流量(kg/h)65.39式中,SA=组0·R19+Rm·v+2R(10)干煤流量(kg/s)1 if=fH.(11)温度(C)0tff;≠速度(m/s)RHo:煤粉水分蒸发质量,采用高温水蒸发的流量(Nm3/h)扩散模型L。泯度Rd:煤粉挥发的气体质量,釆用平行双反应射角a模型。7:挥发份中各气体的质量分数,对于本文所2数性势函数的引入研究的澳大利亚 drayton煤,取挥发份中CO,本文采用涡量流函数法计算气化炉内流场,CO2,H2,CH的质量分数分别为:49.27%,25%,对于洲流两相反应流,气相流场的速度散度不为11.24%,13.99%零,密度非均匀分布,这时,直接采用速度分解来中国煤化工定义祸量和流函数显然不合适,须引入数性势函中生成或消耗CNMH第22卷掉的质量,喷流床气化炉内涉及9个同相、异相化学反应,具体各反应率的计算参考文献[4]、[5]控制方程及其求解2+0a本文对气相流场的求解采用涡量流函数法,湍流模型采用修正的kE双方程模型,炉内换热采用四通量模型,通用控制方程的形式为so,+ rs(12)式中各a,bcS,S,的表达式示于表3。ye+003表3通用控制方程中ab,c,S;;S,的表达式流函数图4炉内速度分布图5炉内温度分布势函数φ0表4颗粒相控制方程涡置-2/;/x动量方程dv/dr(涡动能耗散率s,-:(3)-:(3)]质量方程dm/dt-m. Bexp,月]3a]具-=H+C如P2/e,C1-1,44,C1=1.92,C=0.09,0=1.0,=1nni=aL(P,-P:)3,-1,0,=1.0,d=1.0→y+(颗粒相的模拟采用随机轨道模型控制方程气相控制方程的离散化采用控制容积法,网方e/~cC.9m:一mr(r”-1)+mN(T-,示于表4Ln-m1△Mh1-m12Mh2+∑mQ格数为30×51,为非均匀矩形网格。对流项的离散采用上风格式,扩散项的离散化采用中心差分散混合,随后炉内速度很快均匀,平均流速在3m/格式。代数方程的求解采用 Gauss-Seidel迭代法。s左右。这种流场分布说明喷嘴的设计有利于炉颗粒相控制方程的求解采用Gl算法内气化过程的进行。计算结果与分析5.2温度场图5为计算所得的温度分布,由炉膛内的温5.1流场度分布可将气化炉沿高度方向分为3段图4为计算所得气化炉内流场分布,在入口0-湖密总体偏低,水煤段,由于二次流(O2)入口速度大,此处速度差大,浆颗中国煤化工些过程都是吸近壁处有回流区出现加速了O2与水煤浆的扩热过CNMHG第5期动力工程935在中间段(0.3m~1.2m),平均温度很高,焦的燃烧和气化反应都在此完成。碳和挥发份气体的燃烧在此段进行,使得此部分燃烧段过后,温度沿炉膛逐渐降低(L.2m~温度上升,局部高达200°C以上。相应地,此部分2.05m),这是由于气化反应吸热以及此部分水冷的高温又加速了燃烧和气化反应的进行,大部分壁不断带走热量所造成的0200570654n1928}912508图6(a~)炉内各组分分布图(体积比,干组分5.3组分分布图6(a-e)为计算所得O2、CO、O2、H2及6结论H2及CH4在炉内的分布(体积份额,干组分)。由上述计算结果分析提供了详细的气化炉内速此5图可看出:O2喷入气化炉后迅速扩散,同时度、温度及浓度分布,为深入研究气化过程及其机由于氧化反应的消耗沿炉膛方向O2浓度逐渐理提供依据计算结果合理,出口处产品气的浓度减少,到炉膛下部O2已全部消耗,为零值。随着与实验结果定性相符,这说吸本文采用的模型和O2的消耗,CO,CO2、H2及CH4在炉内不断生成算法是可行的。与图5所得的温度分布相一致,COCO2、H2及参考文献:CH4的生成(及消耗)集中发生在炉膛上部,在下部低温段,大部分反应均已完成,各部分基本保持[1]毛健雄,等煤的清洁燃烧[M]北京:科学出版社,1998[2]熊树建,整体煤气化燃气燕汽联合循环(GC[M]北京:不变。另外,由图中还可看出CO、CO2、H2及CH4中国电力出版社,1996在炉的分布均有多个峰值,这是由于各个组分都[3] Li You zhan. The Gas-phase Vorticity Transport Equation涉及多种化学反应of Gas-particles (or Gas-Liquid- Droplets )Two-phase Chem-表5所示为计算所的产品气组分和实验结ically Reacting Turbulent Flow [C]. the 2nd International果印的对比,CO、CO2、H2的计算结果与实验结果Symposium on Heat Transfer, Beijing: 1998,5(9-11): 391相差小于5%,CH,的计算组分和实验组合均为[41 Wen CY. Chaung TZ. Entrainment Coal Gasitication Mode最小,计算结果与实验结果定性相符ing]. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev.. 1979, 18(4).表5计算所得的产品气组分和实验结果的对比5 Rakesh Bovine, Jogen Shah. Modeling and Simulation of AnEntrained Flow Coal Gasifier[J]. AlChE Journal, Vol 30计算结果0.0144[6中国煤化工 tion and Gasification实验结果0.0035CNMHG下转第2004页)针对火电厂运行经济性偏低的现象本文研参考电厂机组运行经济性的提才2004动力工程第23结论依据,促进究了基于Web的运行指标考核系统,该系统按班1毕政益国内外火电机组运行优化在线管理系统应用现状值对反映机组运行水平的具体指标进行考核,做[].能源研究与信息,2000,16(1):12~16.到公平、公正,增强了运行人员的优化管理意识,[2]要水平,黄树红等,种火电站运行指标考核系统[].热能动力工程,2000,15(89):541~543从而促进运行人员提高操作水平通过Web方式「3]李陈坚红,等lmme下的能损分析件[1.动力r的应用管理人员不需深入现场就可实时了解机程,2001,21(6):1548~1551.组的运行状况,为电厂运行人员的管理提供科学Research on Checking System of Operation Indexesfor Power Plant under Web modelLI Wei, REN Hao-ren, SHENG De-renCHEN Jian-hong, LI Bin(Institute of Power Plant Thermal Energy Engrg. and AutomationZhejiang Univ, Hangzhou 310027, China)Abstract: In order to promote the operating skill of operators in power unit, this paper introduces achecking system of operation indexes under Web. The stored data that can reflect the operating levelof unit is counted according to shift. The results are displayed dynamically on Intranet. This systemhelps to appraise operators equally and improve the economical efficiency of generating unit Also thesystem structure and implementation method are analyzed in detail. figs 3 and refs 3.Key words: power plant; operation; indexe checking system; Web(上接第1935页)L7 Park T 3. Kim JH, et al. Status of Coal Gasification R&Dtion Techology, September 2-6, 1996, BeiKIERC]. I st China-Korea Joint Workshop in Coal UtilizaNumerical Simulation of The Coal Gasification in An Texaco GasifierXlU Xiang-jun, T.. Park(1. Dept. of Thermal Engrg. Beijing Univ. of Science and Technology, Beijing 100083, China;2. Dept. of Energy Environment Research, Korea Institute of Energy ResearchTaejon 305--343, Korea)Abstract: The gasification in a slurry feed type entrained-flow coal gasifier is numerically studied busing Vorticity-Stream Function Method. A Scalar Potential Function is introduced to fulfill the masssource terms. Detailed studies on the characteristics of velocity, temperature and concentration distibutions in the gasifier are conducted. The calculated results are reasonable, which shows that themodels and mathematical methods used for two-phase reacting process are viable, and these results also provide a better understanding of the gasifier perfor中国煤化工efs7Key words: coal; gasification; numerical simulation; VCNMHGhod