簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco氣化爐的三維數值模擬

第58卷第9期化]學(xué)報Vol. 58 No. 92007年9月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)September 2007研究論文 美簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco氣化爐的三維數值模擬5333333333吳玉新，張建勝，王明敏，岳光溪，呂俊復(清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，滑華大學(xué)熱能工程系，北京100084)擠要:應用商業(yè)CFD軟件Fluen建立氣化過(guò)程熱態(tài)模型，對某化肥廠(chǎng)Texaco水煤漿氣化爐進(jìn)行了三維數值模擬。計算中采用簡(jiǎn)化PDF模型描述爐內的化學(xué)反應，將水煤漿看作燃料流，氧氣看作氧化劑流;根據對冷態(tài)流場(chǎng)的計算，采用六面體綃構網(wǎng)格為主的網(wǎng)格劃分; Realizable ke湍流模型封閉湍流方程; dpm模型考察氣體和顆粒相耦合;隨機軌道模型對顆粒相進(jìn)行追蹤，P-1 輻射模型計算爐內輻射特性:同時(shí)編制UDF函數模擬焦炭和O2、H2O、CO2以及H:的顆粒異相反應。通過(guò)與工業(yè)數據的對比，證明該模型能夠真實(shí)反應氣化爐內的物理特性，同時(shí)表明工業(yè)爐內的同相反應藁本達到化學(xué)平衡。關(guān)鍵詞:敷值模擬;簡(jiǎn)化PDF;異相反應中圖分類(lèi)號: TQ171.6'25; TQ 54文獻標識碼: A文章編號: 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氣化強度高、碳轉化率高、產(chǎn)品煤氣中不含焦油和引言酚類(lèi)物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。Texaco 氣化爐是典型的氣流床氣流床煤氣化爐是一種先進(jìn)的氣化技術(shù)，具有煤氣化爐，我國已有多家企業(yè)采用了Texaco氣化2006- -09-25收到初稿，2006-11- 14收到修改稿。中國煤化工) cndidate. R- mil:;聯(lián)系人及第一作者:吳玉新(1979-), 男，博士研究生?；痦椖?國家熏點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目wuyx02:TYHCNMHG(2004CB217705).Foundation itm: supprted by the National Basic ResearchProgram of China (2004CB217705).2370●比學(xué)第58卷爐裝置，為深入了解水煤漿氣化過(guò)程，提供改進(jìn)方表1水煤漿原料煤的工 業(yè)分析和元素分析案，建立詳細的數值模型顯得十分重要。Table 1 Primary and ulimate analysis of coal for slurry國內外已有不少學(xué)者對水煤漿氣化過(guò)程進(jìn)行了Primary analysis(d)/%模型研究，Peter 等川對水煤漿氣化爐建立了熱力VFCAQnHv/MJ.kg 1學(xué)模型，并考察了氣化爐的反應特性;李政等1C-3]21. 9863. 2414.7826. 163在Wen等[4的基礎上，對Texaco氣化爐建立了完Utimate analysis(da)/%整的小室模型，與工業(yè)數據進(jìn)行了對比，并考察了0N煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力、煤顆粒粒徑等參數65. 744. 3513. 870.91. 35變化對氣化過(guò)程的影響;賀阿特等0采用簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco渣油氣化爐進(jìn)行了二維數值模(2)由于煤漿中的液滴蒸發(fā)和揮發(fā)分析出過(guò)程擬;于海龍等(0也采用了簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco都很快(10~'s)，故將水煤漿視為具有特殊性質(zhì)的水煤漿氣化爐進(jìn)行了數值模擬;劉向軍等[2則采用煤粒，水和揮發(fā)分均視為揮發(fā)分的組成部分，同渦量-流函數方法，EBU模型對水煤漿試驗臺進(jìn)行時(shí)，由于氨氣不參與反應，故認為氧氣純度為.了二維數值模擬。以往模型研究多以二維為主，而在采用簡(jiǎn)化100%，則采用簡(jiǎn)化PDF模型時(shí)，就可將水煤漿作PDF模型時(shí)，往往難以考慮焦炭與CO2、H2O等為燃料流、而將純氧作為氧化劑流，從而采用單混物質(zhì)發(fā)生的焦炭異相反應。本文在玲態(tài)試驗和模型合分數模型。研究的基礎上[80]，應用Fluent 軟件建立了三維網(wǎng)(3)由于本模型主要考察氣化爐的氣化過(guò)程及格劃分，采用簡(jiǎn)化PDF模型模擬爐內化學(xué)反應、特性，故不考慮S元索和N元素的反應，將S元dpm模型考慮顓粒相和氣相的耦合作用、隨機軌素的質(zhì)量分數并入N元素，認為N元素只生成道模型追蹤顆粒運動(dòng)、P-1 模型計算爐內輻射傳N2，并認為揮發(fā)分主要由H2O、CO、N2和H2熱、編制UDF模擬焦炭異相反應，采用此模型對組成。Texaco氣化爐進(jìn)行研究，與工業(yè)數據進(jìn)行了對比。(4)認為爐內無(wú)論是氣化反應還是燃燒反應，均處于反應平衡狀態(tài)，從而不必計算同相反應，而1研究對象及模型假設是根據Gibbs最小自由能原理確定混合分數的關(guān)Texaco氣化爐是典型的氣流床煤氣化爐。其系，并根據β形PDF函數(10來(lái)建立混合分數同其運行特點(diǎn)是采用外混式三通道噴嘴將水煤漿及純氧他守恒標量平均值的PDF表，并根據該表來(lái)確定高速?lài)娙霘饣癄t內，水煤漿在氧氣的高速沖擊下被所要求解的守恒標量值，如溫度、各組分摩爾分霧化成幾十微米的煤漿液滴，并被大量的高溫回流數等。氣體迅速加熱，煤漿液滴中的水分因此迅速蒸發(fā)，(5)認為氣化爐內處于允分發(fā)展的湍流狀態(tài)。既而發(fā)生脫揮發(fā)分、揮發(fā)分及焦炭顆粒的燃燒等過(guò)(6)假定水煤漿被充分霧化，水煤漿滴的粒徑程，同時(shí)氡氣被迅速耗盡，在噴嘴下方形成一- 下行分布和煤粒的粒徑分布規律一致，根據工業(yè)值，火炬。燃燒生成的高溫氣體在向下游流動(dòng)的過(guò)程中即可認為充分霧化后的煤漿粒度分布如表2所發(fā)生氣化反應，最終生成合成氣。示。同時(shí)假定煤漿顆粒在爐內距噴嘴不遠處呈.本文中的模擬對象為某化肥廠(chǎng)的Texaco氣化20°錐形角以一定速度向外噴射，速度分布由噴爐，氣化爐操作壓力4.2 MPa，氧氣純度99. 6%嘴出口截面積以及中心氧和煤漿的體積流量來(lái)(其余大部分為Ar),人口溫度303 K。水煤漿濃確定。度為62%，入口溫度323 K。該氣化妒采用混煤，(7)異相反應時(shí)間尺度相對于湍流脈動(dòng)時(shí)間尺.煤的工業(yè)分析及元素分析如表1所示。度來(lái)說(shuō)很大，故忽略湍流脈動(dòng)對異相反應的影響，為便于建立計算穩定的數值模擬，采用如下中國煤化工生成物濃度可按時(shí)假設:均值CHCNMH G(1)假定氣化爐穩定運行，人口的氧氣和煤漿根據以上假定，可建正元整的熱態(tài)模型，下面給入量不隨時(shí)間而變化。詳細敘述。第9期吳玉新等:簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco氣化妒的三維數值模擬●2371●裹2媒和煤漿顥粒的粒度分布溫度，K;A.和E.分別為單步脫揮發(fā)分速率的指Tabke2 Size dstribtion of coal and coal slury paricks前因子和活化能，其值田分別為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焦炭異相反應4530氣化爐中，焦炭除與氧氣反應外，還與水蒸7411:氣、CO3. H2等發(fā)生氣化反應。由于氣化過(guò)程處49110于高溫高壓環(huán)境，故這些氣化反應的反應速率急劇200175增大，在焦炎轉化過(guò)程中也占據著(zhù)重要的地位。事實(shí)上，氧氣噴入氣化爐后，會(huì )被回流的合成氣及焦2模型介紹炭顆粒迅速消耗，有氧區域僅存在于狹長(cháng)的火焰中，焦炭與氧氣的反應時(shí)間十分有限，而在焦炭顆2.1基本模型粒處于氣化爐內的絕大部分時(shí)間中，氣化反應占據已有不少學(xué)者證實(shí)，在工業(yè)爐氣化過(guò)程中，氣著(zhù)主導地位，故必須考慮焦炭同H2O、CO2和H2化反應可近似認為達到平衡[,而在煤的氣化過(guò)等氣體間發(fā)生的氣化反應。在Fluent中，為了模程中，可近似認為煤中各組分是均勻釋放的?；跀M這一過(guò)程，采用UDF函數計算了焦炭的氣化反以上兩點(diǎn)，可假定各守恒標量(例如溫度、各組分應速率，完善了焦炭顆粒的氣化過(guò)程，下面詳細的摩爾分數等)由混合分數及其均方差惟一決介紹。定[01,故在本模型中，采用簡(jiǎn)化的PDF方法來(lái).加壓條件下，假定異相反應受擴散和本征反應模擬煤氣化過(guò)程。共同控制，且擴散和本征反應互不影響，則可用式氣流床氣化爐屬于典型的湍流受限射流過(guò)程，(2) 計算焦炭顆粒同某種氣體i的異相反應處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，故選擇正確的湍流模型速率[1)對數值計算至關(guān)重要。為此，搭建了冷態(tài)試驗裝.R.R.(2)置[8]，以此實(shí)驗臺為研究對象進(jìn)行了數值模擬，分R.= R.+R.k別對不同的三維網(wǎng)格劃分和不同的湍流模型進(jìn)行了式中R,表示單位表面積的焦炭颥粒與i 種氣體的評估(142，根據試驗測試結果和模型預測的對比，反應速率，kg.m-'.s~'; R.s表示擴散控制的速最終選定Realizable ke模型對湍流模型進(jìn)行封閉。率，kg.m-1.s~'; R..，表示本征控制速率，kg前文中已假定水煤漿霧化過(guò)程是充分的，煤漿霧化后的顆粒分布由煤粉粒度分布值給出，在此情由于氣化爐是在壓力條件下運行的，故在計算況下，可采用離散相模型來(lái)考慮顆粒相和氣相間的本征反應和擴散反應中，均需考慮壓力的影響，本相互作用，采用隨機軌道模型來(lái)追蹤顆粒的運動(dòng)。模型中采用常用的壓力n次方經(jīng)驗公式來(lái)計人壓力實(shí)際計算中，考慮到計算速度限制，每次離散相計的影響，R.d和R..分別用式(3) 和式(4) 計算算約追蹤2000條顆粒軌跡，這一數目既保證了結Rs= C;[(T,土T.)/27]0p,(3)果的準確，也節省了計算時(shí)間。d。氣化爐內的氣化氣富含水蒸氣和COz,對熱輻R.s - A.exp(- :><:/0)"4)RT,射有強烈的吸收作用，且氣化爐的直徑約1.6 m,式中C為i 氣體擴散控制常數，假定各氣化反應故可認為爐內氣體介質(zhì)是光學(xué)厚介質(zhì)，在此情況擴散控制常數均為3X10-*s.K-0.7s; T。為氣體下，可采用較為簡(jiǎn)單的P1模型計算爐內輻射的溫度，K; d,為顆粒粒徑，m; A,和E分別為焦傳熱.煤漿顆粒的脫揮發(fā)分過(guò)程采用單步模型，如式炭同i氣體本征反應的指前因子和活化能，其值根據文獻及試驗數據共同校核051); R為氣體常數，(1)所示8314中國煤化工壓，Pa; n為反dm=-A.exp(-六)(m, -m。)(1)應級MHCN M HGH2O和H2反應式中m。 和mp分別表示顆粒質(zhì)量和顆粒中除揮發(fā)的活化能和指前因子，以及壓力影響因子n的值如分以外物質(zhì)的質(zhì)量，kg; l為時(shí)間，s; T,為顆粒表3所示?！?372●化I學(xué)指第58卷表3式(3)和式(4)中的常數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對顆粒追蹤時(shí)，假定顆粒粒徑在揮發(fā)分析出過(guò)程中會(huì )發(fā)生膨脹，膨脹率根據文獻[19]推薦的公.式計算，其值為1.1.而在焦炭的燃燒和氣化過(guò)程中，假定顆粒粒徑不變而密度減小。并假定顆粒為球形，顆粒比表面積S即1 kg球形焦炭顆粒的外圍1氣化爐計算城及六面 體網(wǎng)格表面積。這樣，焦炭顆粒同各種氣體發(fā)生燃燒氣化Fig.1 Calculation domain of gasifier反應而導致的單位時(shí)間消耗量可由式(5) 計算composed of hexahedral mesh得到m= Em,R,S(5)式中im 表示焦炭顆粒的單位時(shí)間消耗量，kg.5~'; m。表示焦炭顆粒質(zhì)量，kg; s表示焦炭顆粒的比表面積，m2●kg-'.mass flow_ intetlc annular:2.3網(wǎng)格及 邊界條件, center.通過(guò)在冷態(tài)條件下對多套三維網(wǎng)格計算結果的mass flow. inlet評估，最終采用以結構網(wǎng)格為主的六面體網(wǎng)格(田,以1/4爐體為計算城，網(wǎng)格劃分和邊界條件設定分圖2氣化爐噴嘴網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.2 Meshing and boundary delinition of gasifier nozle別如圖1和圖2所示。圖1為計算域爐體的網(wǎng)格劃分的剖面示意，計算采用貼體六面體網(wǎng)格，中心火w.m~,收縮段為-1500 W .m-*,故分別按以炬區城網(wǎng)格劃分較小，遠離火焰處網(wǎng)格較大,兩者上值設定各壁面為等熱流邊界條件;出口延長(cháng)段為體積比約為1 : 200;圖2為氣化爐氧氣噴嘴人o激水環(huán)，因為不是本文研究所關(guān)心的部分，故將其處的網(wǎng)格劃分及邊界條件設定。由于煤漿是按顆粒簡(jiǎn)化為等壁溫邊界條件，壁溫為1500K,噴嘴內相處理的，認為霧化充分，故將水煤漿入口視為壁取壁溫為323K (水煤漿溫度);噴嘴水冷套管外面邊界條件?？紤]到高速射流及氧氣的帶壓噴射，壁取壁溫600 K.且氧氣人口處存在變截面幾何體，對中心氧和外環(huán)根據假設(6)， 煤漿顆粒按20°的錐形角在距氧人口處采用質(zhì)量人口邊界條件，如圖2所示:出噴嘴下方0.05m處以30 m.s"'速度給人,煤漿口采用壓力出口邊界條件;計算域考慮1/4爐體，顆粒粒徑及質(zhì)量分布如表2所示。對于顆粒在壁面切面采用尚期邊界條件.采用該模型分別對網(wǎng)格數的邊界條件，取拱形爐壁和垂直爐壁均為反彈邊界量為2萬(wàn)(8X24X120， 環(huán)向X徑向X軸向)、8條件， 彈性系數因溫度而異:由于下部爐體溫度較萬(wàn)(12X40X160)和20萬(wàn)(18X50X230) 的計高，取下部收縮段和爐體出口處均為顆粒捕捉邊界算域進(jìn)行了計算，最終確定計算域的網(wǎng)格數目為8條件。 以上簡(jiǎn)化的邊界條件,基本保證了模型和氣萬(wàn)左右?；癄t物理特性的一- 致性。對于氣化爐壁面，假定外界環(huán)境平均溫度為3. 計算過(guò)程及結果283 K,爐內平均溫度1600 K,根據爐體耐火材料中國煤化工厚度及熱導率建立氣化爐爐體與外界的對流換熱模型，從而計算出爐體各段的壁面熱通量，得到上部.MCHCNMHG法,首先計算冷態(tài)拱形結構為- 1030 w. m-*,垂直段為一1024流場(chǎng)，基華收效口代用八積坦i算熱態(tài)流場(chǎng)。計算時(shí)依次采用一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式離散控制第9期吳玉新等:簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco 氣化爐的三維數值模擬●2373 .方程中的對流項。計算初期采用低松弛因子，待結.氣化爐中各氣體摩爾分數及氣體溫度沿爐膛高果穩定后逐步增加松弛因子以加速收斂。最終采用度的變化如圖4所示。圖4 (a) 為變量在爐膛截二階迎風(fēng)格式得到最終結果。采用出口人口質(zhì)量差.面的平均值沿距噴嘴距離的變化，圖4 (b)為變(<0.1%X入口質(zhì)量)、氣化爐內不動(dòng)點(diǎn)溫度及組量在軸線(xiàn)處的值沿距噴嘴距離的變化?？梢?jiàn)CO和分監視(波動(dòng)<1%X平均值)以及控制方程殘差COr很快就能達到平衡，在距噴嘴不遠處，其摩(能量方程峰值殘差<1X10~',其他方程峰值殘差爾分數就不再變化;而H2和H2O則隨著(zhù)距噴嘴<1X10-*)這3個(gè)變量判斷計算收斂。每一工況距離的增加而逐漸減小，只是這種趨勢越來(lái)越平約計算23000步，計算時(shí)間約為2 d.緩，說(shuō)明H2達到平衡的時(shí)間要長(cháng)一些。另一方表4列出了工業(yè)運行數據與模型預測值的比面，爐內同一高度處火焰區域和非火焰區域內組分較，其中CO摩爾分數的預測值比實(shí)際值高，這也有很大的不同，火焰區內H2O和CO2的摩爾分數是出口溫度偏低的主要原因，但總的來(lái)說(shuō)，預測結很高，CO和Hp組分很低，這主要是因為火焰區果與實(shí)際結果基本吻合，說(shuō)明了模型的準確性。氧氣濃度較大，更多地生成了氧化產(chǎn)物。表4工業(yè)運行敷據與模型預測值比較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圖3分別表示了爐內溫度場(chǎng)及各組分的摩爾分00o數等值面。由溫度場(chǎng)可見(jiàn)氣化爐中心有一明顯的高0門(mén)2一34一56200溫區，即下行火焰區，氧氣在火焰區內基本都被消distance from 0zzl/m耗，產(chǎn)物主要以CO2和H2O為主，而在火焰區外(a) average value in a given height測，CO迅速達到平衡，而H2達到平衡的過(guò)程要50廠(chǎng)相對慢一些?？偟膩?lái)說(shuō)，預測結果與實(shí)際工況基本.50}{ 2700符合，這也說(shuō)明工業(yè)爐運行時(shí)，爐內氣化反應基本2400達到平衡。210030d -1300-15001500的<1000525002100售 - 1700冒20600300回) temperature23456distance fom nozzle/m-20%-36%(b) value along axis圖4氣體各組分摩爾分數及溫度沿爐膛高度的變化(6) Co mole fractionFig.4 co, CO, O2, H2 and H2O mole fraction andtemperature changing along distance from nozzle叫<5%~20%~24%4結論(C) H2 mole fnactio中國煤化工圖3氣化爐溫度、 CO和H;摩爾分數等值線(xiàn)CHCNMHG立熱態(tài)模型，對Fig. 3 Contours of temperature, CO & H2某化肥廠(chǎng)Texaco 水煤漿氣化爐進(jìn)行了三維數值模mole fraction in gasifier擬。編制UDF函數建立了焦炭和O2. H2O、CO2，2374●化指第58卷以及H;的顆粒異相反應模型。通過(guò)模型預測與工[9] Wu Yuxin (吳玉新)，Zhang Jiansheng (張建勝). Yu業(yè)數據的對比，證明該模型能夠真實(shí)反應氣化爐內Guangxi (岳光鍋)，La Junfu (目俊復). Numerial的物理特性，同時(shí)表明，工業(yè)爐內的同相反應基本simulation of the gas flow field from a triple channel coal-water surry gasifer porzle J. Tinghua Univ. Sei, &達到化學(xué)平衡。.Tech. (清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)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 (出天驕). eal. Strdy[12] Wu Yuxin (吳瓦新)，Zhang Jiansheng (張建勝)，Yueof matheatical model for Texaco gasilier (I); Modeling,Guangxi (岳光摸)，L Junfu (目俊復). 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