采用简化PDF模型分析分级气流床气化炉的气化特性

第28卷第26期中国电机工程学报vol28No.26Sep.15,20082008年9月15日Proceedings of the CSEE@2008 Chin. Soc for Elec Eng. 29文章编号:02588013(200826002906中图分类号:TQ54文献标志码:A学科分类号:47020采用简化PDF模型分析分级气流床气化炉的气化特性吴玉新,张建胜,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10004Analysis of the Gasification Performance of a Staged EntrainedFlow Gasifier by presumed PDF ModelWU Yu-xin, ZHANG Jian-sheng, YUE Guang-xi, LU Jun-fu( Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University,Haidian District, Beijing 100084, China)ABSTRACT: n order to study the character of the flow field phased model,DPM)和随机轨道模型( stochastic trackingand the gasification performance of staged gasification method,sTM分别模拟颗粒气化过程和考察颗粒受湍流脉technology, numerical simulation for a staged entrained flow动的影响;计算根据简化PDF模型建立燃烧表以建立温度、coal gasifier located in Shanxi province was conducted based组分等标量同混合分数间的关系,并由此计算同相气化反应on Fluent. Body fitted hexahedron mesh was used to minimize过程。除此之外,还引入用户自定义函数改进了焦炭异相反the numerical diffusion due to mesh quality. Realizable kε应模型,通过对分级气化炉流场特性和温度等值面特征的分model was adopted to make a closure for turbulence equations.析,发现分级气化炉中由于二次对冲给氧射流的引入,造成dispersed phase model(DPM) and stochastic tracking method了二次卷吸效应以及冲击射流效应,加强了炉内混合过程( STM)were used to describe the coal particle gasification有利于碳转化率的进一步提高。process and to predict the turbulent disturbance effects关键词:数值模拟;分级气流床气化炉:简化PDF模型particle motion. A combustion table was built by presumedPDF model to describe the relationship between mixture0引言fraction and the scalars of temperature, species, et al. InGE气化工艺(原德士古气化工艺)采用下喷式tion, User Defined Functions was used to modify the单喷嘴水煤浆气化技术,具有进料简单,运行稳定,碳转化率较高等优点,也是目前气流床煤气化炉中analysis of the flow field and the contours of temperature of thestaged entrained flow coal gasifier show that the engulfment最成熟的技术。在该工艺中,由于气化喷嘴长期and the counter flow aroused by the secondary injection处于高温高压环境下,加之回流气体的冲刷,喷嘴strengthen the mixing process in the staged gasifier. This had a寿命往往很短。另一方面,工业实际运行过程中由positive effect on the improvement of coal conversion rate.于工况、煤质变化、煤浆流动不畅等原因会使氧煤KEY WORDS: numerical simulation; staged entrained flor比瞬间升高,从而造成近喷嘴区域温度过高、火焰黑区变短,这也是导致喷嘴烧损的重要因素。月前工业运行的GE气化炉喷嘴寿命般为2个月左右,摘要:为详细研究分级气化技术的流场特点及气化性能,采用 Fluent软件对山西某分级气化炉进行:维数值模拟。计是造成GE气化炉被迫停炉的主要原因之-15。为算采用贴体六面体网格划分计算域以降低数值扩散,采用保护气化喷嘴,延长单炉连续运行时间,如何在降Realizable k模型封闭湍流方程,应用离散相模型 (dispersed低喷嘴附近区埔淂度的回时保证炉内整体气化性能是关中国煤化工提出非熔渣-熔渣基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(973项目2004CB分级CNMHG到工业应用。217705)The National Basic Research Program of China (973 Program)实验室热态实验和利用小室模型对分级气化2004CB21705技术的模拟结果均表明,采用分级气化技术能够中国电机工程学有效降低主喷嘴附近区域的气化温度,二次给氧加(2)将煤浆看作燃料流股,O2和CO2混合气入后气化温度迅速升高,保证了焦炭气化反应迅速体看作氧化剂流股,以便采用单组分简化PDF模型进行,分级式气化炉碳转化率、冷煤气效率均高于3)气化炉内任一点在任何时刻都保持化学GE气化炉的设计值。这些优点已在示范工程运行平衡,只是受到湍流影响而偏离平衡状态,这一影结果中得到验证。为进一步掌握分级气化炉流场响可采用牌DF函数来表示。特性以及炉内各组分、温度的分布,进而深入研究(4)由于微量元素气体不是该模型的主要考其气化机理,需要进行更细致的数值建模研究。本虑指标,为简化起见,不考虑S元素在反应平衡中文采用简化PDF模型对山西某分级气化炉进行三的作用,将S元素的组分并入N元素,认为N元维数值模拟,并将模拟结果同某GE气化炉的数值素只生成N;并假定挥发分主要由CHCO、N2计算结果进行比较,通过对2种炉型下流场特点和和H2组成。温度、组分分布特性的比较,讨论了分级气化炉的(5)假定水煤浆被充分雾化,水煤浆滴的粒运行特点。径分布和煤粒的粒径分布规律一致,充分雾化后的1研究对象及模型假设煤浆粒度分为30、60、110和175m四档,质量分数分别为45%、25%、25%和5%该分级气化炉操作压力为40MPa,煤气化炉6)假定煤浆气化过程按如下理想状态进行结构简图如图1所示。气化剂为质量分数占85%的即依次发生水分蒸发、热解及焦炭燃烧与气化反应O2和15%的CO2,主喷嘴通入部分O2和所有CO(7)忽略湍流脉动对焦炭异相反应的影响将剩余O2从距炉体顶部约1/3处的2个对冲喷嘴引计算焦炭异相反应速率时,反应物和生成物浓度可入。气化用煤为神府煤,水煤浆浓度为591%,氧-按时均值计算煤比为0930(氧-碳元素质量比为1.25),煤的工业根据以上假定,便可基于简化PDF模型建立完分析及元素分析如表1所示。整的热态模型O/水煤浆2数学建模及计算步骤2.1基本模型描述非熔流段基于简化PDF方法建立的三维数值模型已在对GE气化炉的数值模拟中得到应用,这里仅熔渣段对模型作简要介绍,详细的模型请参阅文献[0根据对不同湍流模型在模拟气流床煤气化炉冷态流场计算结果的比较⑨,本文选用 RealizablekE模型来封闭湍流方程12。根据假设(2)、(3)和图1分级气流床煤气化炉结构简图Fig. 1 Sketch of a staged entrained flow coal gasifier(4),采用单组分简化PDF模型计算湍流对同相气表1水煤装原料煤的工业分析和元素分析(干燥基)化反应过程的影响,并采用数米计算不同混合Tab. 1 Proximate and ultimate analysis of分数下各标量的时均值。尽管气化炉内温度很高,the coal for slurry(as dry base但一方面由于整个炉体温度比较均匀,壁面可近似工业分析看作绝热条件,另一方面炉内气体CO2和HO占发分%固定碳%灰分隔高位发热撒M/g很大比重,因此选用较简单的P1模型来计算炉内26.163元素分析%辐射传热根据假设(5),可采用离散相模型DPM)描述4.3913.08煤焦颗粒的气化过程,并采用随机轨道模型(SPM)为便于建立计算稳定的数学模型,本文采用如来追踪颗粒的运动并同时考虑湍流脉动对焦炭运下简化和假设:中国煤化工次离散相计算约追(1)稳态假设:入口的氧气和煤浆给入量不CNMHG既保证了计算结果随时间而变化。实际工业运行中,在某一不长的时的准确,也省计算盯段能够保证该假设的成立。由于单组分简化PDF模型中,并不关心煤浆颗吴玉新等:采用简化PDF模型分析分级气流床气化炉的气化特性粒释放各组分的量,而仅关心煤浆在每一时刻的失致的单位时间消耗量为重量,故对煤浆颗粒的水分蒸发、热解以及异相反应过程的建模过程的精度要求不高。本文煤浆脱挥发分过程采用单步模型,如式(1)所示:式中:m为焦炭颗粒的单位时间消耗量,kgs;mp为焦炭颗粒质量,kg:S为焦炭颗粒的比表面积,=-AB)m一n)()m/g22网格、边界条件及计算步骤式中:m,和m分别为颗粒质量和颗粒中除挥发计算采用以结构网格为主的贴体六面体网格,分以外物质的质量,kg:t为时间,s:T为颗粒以减小数值计算中因网格因素而造成的数值扩温度,K:;A、和E分别为单步脱挥发分速率的指散,计算域为12炉体,网格划分和边界条件设前因子和活化能,其值分别为320058和358X定分别如图2和图3所示,图2为炉体计算域的网10* kJ/kmol l31格划分及边界条件设定,在主喷嘴及二次喷嘴附近煤颗粒完成热解过程后,粒径会发生膨胀,由划分网格尺寸较小的六面体贴体网格,在远离火焰于这一过程会促使焦炭表面积发生变化,从而影响区的地方建立交界面,并采用插值方法对交界面处到后继的气化模型,因此需要考虑焦炭的膨胀率,传输量进行求解,考虑到高速射流及氧气的带压喷本文中神府煤的膨胀率为10814。加压条件下,假定焦炭异相反应同时受外扩散外环氧入口处采用质量入口边界条件,如图3所示和本征反应共同控制,可用式(2计算焦炭颗粒同某计算域总网格数约为18万,基本保证了网格质量种气体i的异相反应速率和网格独立性。R计算过程采用分步渐进的方法,首先计算冷态R, d+Ri k流场,待基本收敛后(约1100步)再加入颗粒相计算式中:R为单位表面积的焦炭颗粒与i种气体的反热态流场。计算时依次采用一阶迎风格式和二阶迎应速率,kg/m2shRd为扩散控制的速率kg(m2s);Rk为本征控制速率,kg(m2s)模型采用压力n次方经验公式来计入压力对焦次给氧炭异相反应的影响,见式(3)和式(4)交界面+T)/2P压力出口Rk=Aex(-n)P/10°)y(4)式中:C为i气体扩散控制常数,假定各气化反应扩散控制常数均为5×103sKk07;T为气休温度,K:d为颗粒粒径,m;A1和E分别为焦炭同i气图2分级气化炉计算域及六面体网格体本征反应的指前因子和活化能,R为气体常数Fig. 2 Calculation domain of the staged gasifier8314kJ/kmol;P为气体i的分压,Pa;n为反应级数。焦炭同O2、CO2、H2O和H2反应的活化能和指前因子,以及压力影响因子n的值如表2所根据以上模型,焦炭颗粒同各种气体反应而导表2式(3和式(4中的常数外环:质量入LTab 2 Constants of Eq(3)&Eq-(4)内环:壁面条件参数C+O: C+CO C+H2o C+H中国煤化工A(kg/(m"s-Pa))CNMHG边界条件FO/mol)13x1o32610154×10315×03rg. J Mesning ana Boundary definition of中国电机工程学报第28卷风格式离散控制方程中的对流项。计算初期采用低松弛因子(颗粒源相松她因子为01),每叠代40步450控制方程进行一次颗粒轨道计算,待结果稳定后逐a2001573步增加松她因子以加速收敛。最终采用二阶迎风格式、能量松弛因子0.9,其余松弛因子从0.5到09不等(颗粒源相松弛因子05),每叠代200步控制方(a) Texaco气化炉炉内温度分布程进行一次颗粒轨道计算来得到最终结果。采用出D300B口入口质量差(01%X入口质量);气化炉内不动点0x1510温度及组分监视(波动<1%×平均值)以及控制方程1575残差(能量方程峰值残差<1×10,其他方程峰值残差<5×10这3个变量判断计算收敛。每一工况约(b)分级气化炉二次喷嘴截面温度的分布计算11000步,计算时间约为3d<13003结果分析14002001751510采用平衡模型、简化PDF模型对分级气流400床出口温度以及主要气体组分的预测值同工业气(c)分级气化炉内二次射流对冲面上温度的分布化炉碳洗塔出口处主要组分的测试值以及炉内出图4 Texaco气化炉及分级气化炉的温度等值面(K)口温度T的测试值的比较如表3所示。可以看出Fig. 4 Contours of temperature of the Texaco采用简化PDF模型同平衡模型的预测结果非常接gasifier and staged gasifier(K)近,均高估了气化炉出口处CO的含量而低估了H2尽管GE气化炉同分级气化炉采用了不同的煤的含量,这说明湍流脉动对气化过程的影响在气化种和氧煤比(GE气化炉氧煤比为0874,氧碳质炉出口处并不大。与此同时,2种模型的预测值与量比为1.33但明显可以看出,GE气化炉的炉内测试值相差并不大,说明气化炉出口处基木达到了温度场更单一,穹顶温度与气化炉出口温度相差不平衡状态,因而采用简化PDF模型能够准确预测该大。相对GE气化炉来说,分级气化炉炉内温度分分级气化炉的气化特性布较不均匀,其一是分级气化装置的穹顶温度相对表3平衡模型、简化PDF模型预测值与测试值的比较气化炉出口温度来说低了很多,这一方面是由于山Tab,3 Comparison of predictions using presumed PDF西气化炉煤浆浓度较低,会有更多的水分在炉体穹model, equilibrium model and industrial measurement顶处富集,另外则主要是由于主喷嘴氧量降低导致参数测量值PDF模型预测值平衡模型预测值主下行火焰区变短,因此造成穹顶温度较低。另5方面,从图4(b)和图4(c)的对比可以看出,分级气aACOM%9CO2》%化炉内,二次给氧截面上和二次给氧对冲面(xy平面)上的温度分布存在明显差异。在次给氧截面H2)%30.6上,由于O2的加入,在二次喷嘴下游形成了对置事实上,由于二次给氧对冲射流的存在,分级的二次高温火焰区,在该高温区内,未反应完全的给氧的运行方式改变了气化炉内局部流场和温度焦炭颗粒会进一步发牛燃烧及气化反应,从而弥补分布特性,为比较分级给氧运行方式同GE气化炉主火焰较短而导致焦炭反应不充分的缺点。由于运行方式的差异,将本文对分级气流床气化炉炉内该二次高温区主要是由O2同CO、H2等气体的燃烧温度的预测结果同文献10中对GE气化炉炉内温造成的,高温区的相对厚度比主火焰区的相对厚度度预测结果进行比较,如图4所示。也要大很多。受气化炉壁面回流区及主喷嘴射流的图4a)为GE气化炉的温度等值面,图4(b)为影响,二次火焰略微向炉顶偏斜,火焰锋面并非对分级给氧气化炉中二次喷嘴截面(xz平面)上的温称形式中国煤化工火焰和二次火焰度等值面,图4(c)为分级气化炉中垂直于二次给氧的交CNMH《焰高温区受二截面的纵切面(xy平面,即二次氧的对冲面)上的温次火焰高温区的加强并不明显,总体来说,分级气度等值面。化将GE气化炉原有的一个高温区变成了3个高温第26期吴玉新等:采用简化PDF模型分析分级气流床气化炉的气化特性区,降低了喷嘴附近的温度,明显改变了炉内温度些。与此同时,由于对冲面上在二次给氧截面下游的分布特征的区域同样存在大量的高温气体,这使得对冲面上对比图4(b)和图4(c)可见,二次火焰对冲面上的高温区范围也要大一些的高温区范围比二次火焰截面上的高温区范围要为进一步说明二次射流的卷吸作用以及对冲大一些,穹顶处的温度也要高一些。造成这一差异火焰对分级气化炉流场造成的影响,图6比较了在的原因是二次给氧在气化炉主轴处相汇发生碰撞GE气化炉和分级气化炉2种运行方式下,对冲面后,加强了高温气体在对冲面上的径向扩散过程。上在二次喷嘴高度处径向速度分布的比较。明显可这一过程可根据图5不同截面上的速度矢量分布来见在加入二次射流后,该高度处的径向速度大大增进行说明。在二次射流截面上,二次射流对周围气加,从而形成强烈的扩散体形成一定卷吸效应,另一方面,二次射流的根部和末梢又分别受到气化炉壁面回流流动和主射流火焰卷吸作用的共同影响。这二方面因素共同作用两段炉的效果是:二次射流火焰自身由于受到主射流火焰的卷吸作用以及气化炉主回流区的影响而略微向上游偏斜:另一方面,二次火焰周围的气体由于同一段炉时受主射流火焰和二次火焰射流的卷吸作用,在二0次火焰左侧区域和右侧区域分别形成了2个逆时针0.4距中心线距离m方向的涡,如图5a)所示。相应地,壁面回流的形成使炉体下游温度较低的气体被卷吸至二次射流图6 Texaco气化炉和分级气化炉在二次喷嘴高度处对冲面上的径向速度分布比较区,并和氧气发生反应生成高温气体,再进入主射Fig.6 Comparison of radial velocity profile in the counter流区,从而在二次火焰交汇处形成较为明显的高温flow section at the height of secondary jet in a Texaco区,并呈现如图4(b)所示的温度特征。在与二次射流相垂直的对冲面上,二次射流的相汇和对冲加剧图7为气化炉内轴向速度为0ms的等值面了该平面上气流向壁面的径向扩散作用,因此使回通过该等值面可形象地看出二次射流对气化炉局流区的区域缩小,如图5(b)所示。由于回流区缩小部区域气流的卷吸作用,以及二次射流对冲面上气且二次射流对冲的气体温度较高,这部分气体更多流向气化炉径向扩展的效果。由此可见,二次射流地进入穹顶区域,从而导致对冲面上穹顶区域的温的引入,对气化炉内局部流场的改变是比较大的度比二次射流截面上穹顶区域的温度稍微高无论是在射流纵切面还是在与射流纵切面相垂直的对冲切面上,局部混合过程都得到加强,这同冷态测试得到的结论相一致21)。混合作用的增强对气化过程是有利的,因此尽管相对GE气化炉来说,该分级式气化炉炉内温度并不算高,但碳转化率反而要高一些(a)次给氧截面,中国煤化工(b)二次火焰对冲面CNMHGm的等值面图5不同截面上的速度矢量Fig. 7 Iso-surface of 0 m/s of axialFig 5 Distribution of velocity vector in different sectionsvelocity in the staged gasifier第28卷4结论(in Chinese).1吴玉新,张建胜,岳光溪,等,用简化PDF模型对Texo气化炉基于简化PDF模型对山西某非熔渣-熔渣分级运行特性的分析,中国电机工程学报,2007,27(32):57-62气流味煤气化炉进行了三维数值模拟通过对该分mmm级气化炉内流场特性和温度等值面特征的分析,发modelJ]. Proccedings of the CSEE, 2007, 27(32): 57-62(in Chinese)现分级气化炉中由于二次对冲给氧射流的引入,造2 TSAN-HSing Shih,Loww, Shabbir a,cl, A new k-E eddy成了二次卷吸效应以及冲击射流效应,加强了炉内viscosity model for high reynolds number turbulent flows[J]. Computers Fluids, 1995, 24(3): 227-238混合过程,有利于碳转化率的进一步提高13]张妮,曾凡桂,降文萍.中国典型动力煤种热解动力学分析门太原理工大学学报,2005,365):549-552,参考文献Zhang Ni, Zeng Fangui, Jiang Wenping. Pyrolysis kinetics analysisof chinese typical steam coals. journal of taiyuan university of[陈家仁,加压气流床煤气化工艺的发展现状及存在问题,煤化工,2006,34(6);1-7technology!J). Joumal of Taiyuan Uuniversity of Technology, 200536(5):549-552( in ChineseChen Jiaren. Technology status and problems in pressurized entrained[141 Liu Guisu, Niksa S. Coal conversion submodels for designflow coal gasification[J]. Coal Chemical Industry, 2006, 34(6): 1-7(inapplications at elevated pressures. Part L. devolatilization and charoxidation. Progress in Energy and Combustion Science, 20032】王利君.德士古气化炉工艺烧嘴损坏原因分析U炼油与化工5):4254772006,17(4):37-39[151 Smith I w. 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