德士古氣化爐內煤氣化過(guò)程的數值研究

第22卷第5期動(dòng)力工程vo].22No,51932·2002年10月POWER ENGINEERINOOct 2002文章編號:1000-6761(2002)05-1932-04德士古氣化爐內煤氣化過(guò)程的數值研究劉向軍1,樸泰俊(1.北京科技大學(xué)熱能系,北京100083;2.韓國能源研究所,韓國大田305-343)摘要:采用渦量流函敷瀆,并引入教性勢函教對德士古氣化爐爐內兩相流動(dòng)、傳熱、燃燒及氣化過(guò)程進(jìn)行了教值研究。計算提供詳細的氣化爐內速度、濕度、濃度分布。計算結果合理,與實(shí)驗結果定量相符,說(shuō)明所秉用的模型和算汝是可行的,計算蛞果為深入研究氣化過(guò)程及其機理提供了依據。圖6表3參關(guān)鍵詞:氣化爐;煤氣化;數值研究;渦量-流函數法中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:A0前言0.2m,爐膛上部0~1.2m為高溫段,大部分燃燒和氣化反應在此進(jìn)行。爐壁包有多層保溫材料;下煤是世界上儲藏量最豐富的化石燃料,其直部1.2m~2.05m溫度較低,爐壁有循環(huán)水冷卻,接燃燒的利用形式卻對大氣造成嚴重污染,危害在本文工況下,冷卻水流量為1m3/h,帶走熱量為人類(lèi)生存環(huán)境。作為一種新型的清潔燃燒技術(shù)煤30.189kJ/s。圖2、圖3所用噴嘴簡(jiǎn)圖,中心噴孔的氣化日益受到廣泛重視為水煤漿噴口,圓環(huán)形為氧氣噴口。水煤漿和氧氣德士古氣化爐是目前最常見(jiàn)的一種氣化爐爐從氣化爐爐頂噴入爐內,混合、加熱進(jìn)而燃燒氣型,是第二代煤氣化技術(shù)中最成熟商業(yè)化裝置最化。氣化爐各部分的尺寸示于表1,運行工況參數多的技術(shù),具有對煤種適應性大、整體熱利用率于表2。高碳的轉換率高以及產(chǎn)氣品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)我國目前正在開(kāi)發(fā)和引進(jìn)這項技術(shù),對其爐內過(guò)程的深入詳細研究十分關(guān)鍵。德士古氣化爐是一種高溫、高壓煤粉氣化爐,爐壓為2×103~6×10kPa90%以上的煤粉顆粒尺寸小于100um,爐膛中心溫度達2000C以上,煤粉顆粒在3~6s的時(shí)間內完成混合加熱、熱解、燃燒和氣化一系列過(guò)程由于該過(guò)程涉及時(shí)間短,且氣化爐內溫度、濃度梯度變化大采用實(shí)驗方法對煤氣化進(jìn)行詳細研究幾乎是不可能的,必須同時(shí)借助數值模擬的手段。1韓國能源所0.5D德士古氣化爐本文的研究對象是韓國能源所0.5t/D德土古氣化爐。如圖1所示氣化爐高2.05m,直徑為收日:20010422圖1韓國能源所0.5t/D德士古氣化爐簡(jiǎn)圖金項目:教育部歸國人員科研啟動(dòng)基金資助項目表1幾何尺寸(單位mm)清大拿來(lái)士:在北京料太學(xué)熱旗系任費「a⊥ D2 D3 D4D5從事流動(dòng)及煤粉燃流過(guò)程的數值研究2050中國煤化工CNMHG動(dòng)力T.程對有化學(xué)反應或相變的氣體—顆粒群兩相流而言,氣相瞬時(shí)流場(chǎng)的連續方程寫(xiě)為V·(pV)+Sm=式中Sm-一氣相物質(zhì)源項將氣相流場(chǎng)上一點(diǎn)的瞬時(shí)質(zhì)量速度矢G=p分解,作為瞬時(shí)質(zhì)量矢pi與之和圖2噴嘴橫截面圖(2)定義質(zhì)量速度矢P為V·(p)-0因此存在一流函數v,對于本文所研究的軸對稱(chēng)問(wèn)題,有1 ay1 ay(4)由式(1),式(2)和式(3),有:圖3噴嘴縱截面圖V·(pi)=S本文所研究的煤種是韓國能源所實(shí)驗用定義質(zhì)量速度矢PuKIDEC煤。對于本文所模擬的噴嘴實(shí)驗研究表V(6)明:水煤漿噴入氣化爐后,迅速被氣流沖擊為大小對于軸對稱(chēng)問(wèn)題,有不等的水煤漿顆粒。進(jìn)行數值模擬時(shí),我們把水煤(7)漿顆粒視為顆粒相,水煤漿顆粒中水份、灰份、揮p ar(8)發(fā)份及固定碳的含量分別為42%9.86%,Vφ=S18.93%及29.21%。這就是數性勢函數方程。另外,在計算中,根據實(shí)驗數據,將水煤漿顆3氣化反應模型粒按初始粒徑分為11組,分別為:10m,20m,氣化爐中各組分的質(zhì)量分數(濃度)方程為:30pm,40pm,5m,60pm,70m,8opm,90a(Aa/100m和110pm,總計算軌道數為400條+i arouf. aror ar/+衰2運行參數(,/coal0.8912+s速度(m/s)水煤漿流量(kg/h)65.39式中,SA=組0·R19+Rm·v+2R(10)干煤流量(kg/s)1 if=fH.(11)溫度(C)0tff;≠速度(m/s)RHo:煤粉水分蒸發(fā)質(zhì)量,采用高溫水蒸發(fā)的流量(Nm3/h)擴散模型L。泯度Rd:煤粉揮發(fā)的氣體質(zhì)量,釆用平行雙反應射角a模型。7:揮發(fā)份中各氣體的質(zhì)量分數,對于本文所2數性勢函數的引入研究的澳大利亞 drayton煤,取揮發(fā)份中CO,本文采用渦量流函數法計算氣化爐內流場(chǎng),CO2,H2,CH的質(zhì)量分數分別為:49.27%,25%,對于洲流兩相反應流,氣相流場(chǎng)的速度散度不為11.24%,13.99%零,密度非均勻分布,這時(shí),直接采用速度分解來(lái)中國煤化工定義禍量和流函數顯然不合適,須引入數性勢函中生成或消耗CNMH第22卷掉的質(zhì)量,噴流床氣化爐內涉及9個(gè)同相、異相化學(xué)反應,具體各反應率的計算參考文獻[4]、[5]控制方程及其求解2+0a本文對氣相流場(chǎng)的求解采用渦量流函數法,湍流模型采用修正的kE雙方程模型,爐內換熱采用四通量模型,通用控制方程的形式為so,+ rs(12)式中各a,bcS,S,的表達式示于表3。ye+003表3通用控制方程中ab,c,S;;S,的表達式流函數圖4爐內速度分布圖5爐內溫度分布勢函數φ0表4顆粒相控制方程渦置-2/;/x動(dòng)量方程dv/dr(渦動(dòng)能耗散率s,-:(3)-:(3)]質(zhì)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+(顆粒相的模擬采用隨機軌道模型控制方程氣相控制方程的離散化采用控制容積法,網(wǎng)方e/~cC.9m:一mr(r”-1)+mN(T-,示于表4Ln-m1△Mh1-m12Mh2+∑mQ格數為30×51,為非均勻矩形網(wǎng)格。對流項的離散采用上風(fēng)格式,擴散項的離散化采用中心差分散混合,隨后爐內速度很快均勻,平均流速在3m/格式。代數方程的求解采用 Gauss-Seidel迭代法。s左右。這種流場(chǎng)分布說(shuō)明噴嘴的設計有利于爐顆粒相控制方程的求解采用Gl算法內氣化過(guò)程的進(jìn)行。計算結果與分析5.2溫度場(chǎng)圖5為計算所得的溫度分布,由爐膛內的溫5.1流場(chǎng)度分布可將氣化爐沿高度方向分為3段圖4為計算所得氣化爐內流場(chǎng)分布,在入口0-湖密總體偏低,水煤段,由于二次流(O2)入口速度大,此處速度差大,漿顆中國煤化工些過(guò)程都是吸近壁處有回流區出現加速了O2與水煤漿的擴熱過(guò)CNMHG第5期動(dòng)力工程935在中間段(0.3m~1.2m),平均溫度很高,焦的燃燒和氣化反應都在此完成。碳和揮發(fā)份氣體的燃燒在此段進(jìn)行,使得此部分燃燒段過(guò)后,溫度沿爐膛逐漸降低(L.2m~溫度上升,局部高達200°C以上。相應地,此部分2.05m),這是由于氣化反應吸熱以及此部分水冷的高溫又加速了燃燒和氣化反應的進(jìn)行,大部分壁不斷帶走熱量所造成的0200570654n1928}912508圖6(a~)爐內各組分分布圖(體積比,干組分5.3組分分布圖6(a-e)為計算所得O2、CO、O2、H2及6結論H2及CH4在爐內的分布(體積份額,干組分)。由上述計算結果分析提供了詳細的氣化爐內速此5圖可看出:O2噴入氣化爐后迅速擴散,同時(shí)度、溫度及濃度分布,為深入研究氣化過(guò)程及其機由于氧化反應的消耗沿爐膛方向O2濃度逐漸理提供依據計算結果合理,出口處產(chǎn)品氣的濃度減少,到爐膛下部O2已全部消耗,為零值。隨著(zhù)與實(shí)驗結果定性相符,這說(shuō)吸本文采用的模型和O2的消耗,CO,CO2、H2及CH4在爐內不斷生成算法是可行的。與圖5所得的溫度分布相一致,COCO2、H2及參考文獻:CH4的生成(及消耗)集中發(fā)生在爐膛上部,在下部低溫段,大部分反應均已完成,各部分基本保持[1]毛健雄,等煤的清潔燃燒[M]北京:科學(xué)出版社,1998[2]熊樹(shù)建,整體煤氣化燃氣燕汽聯(lián)合循環(huán)(GC[M]北京:不變。另外,由圖中還可看出CO、CO2、H2及CH4中國電力出版社,1996在爐的分布均有多個(gè)峰值,這是由于各個(gè)組分都[3] Li You zhan. The Gas-phase Vorticity Transport Equation涉及多種化學(xué)反應of Gas-particles (or Gas-Liquid- Droplets )Two-phase Chem-表5所示為計算所的產(chǎn)品氣組分和實(shí)驗結ically Reacting Turbulent Flow [C]. the 2nd International果印的對比,CO、CO2、H2的計算結果與實(shí)驗結果Symposium on Heat Transfer, Beijing: 1998,5(9-11): 391相差小于5%,CH,的計算組分和實(shí)驗組合均為[41 Wen CY. Chaung TZ. Entrainment Coal Gasitication Mode最小,計算結果與實(shí)驗結果定性相符ing]. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev.. 1979, 18(4).表5計算所得的產(chǎn)品氣組分和實(shí)驗結果的對比5 Rakesh Bovine, Jogen Shah. Modeling and Simulation of AnEntrained Flow Coal Gasifier[J]. AlChE Journal, Vol 30計算結果0.0144[6中國煤化工 tion and Gasification實(shí)驗結果0.0035CNMHG下轉第2004頁(yè))針對火電廠(chǎng)運行經(jīng)濟性偏低的現象本文研參考電廠(chǎng)機組運行經(jīng)濟性的提才2004動(dòng)力工程第23結論依據,促進(jìn)究了基于Web的運行指標考核系統,該系統按班1畢政益國內外火電機組運行優(yōu)化在線(xiàn)管理系統應用現狀值對反映機組運行水平的具體指標進(jìn)行考核,做[].能源研究與信息,2000,16(1):12~16.到公平、公正,增強了運行人員的優(yōu)化管理意識,[2]要水平,黃樹(shù)紅等,種火電站運行指標考核系統[].熱能動(dòng)力工程,2000,15(89):541~543從而促進(jìn)運行人員提高操作水平通過(guò)Web方式「3]李陳堅紅,等lmme下的能損分析件[1.動(dòng)力r的應用管理人員不需深入現場(chǎng)就可實(shí)時(shí)了解機程,2001,21(6):1548~1551.組的運行狀況,為電廠(chǎng)運行人員的管理提供科學(xué)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頁(yè))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中國煤化工efs7Key words: coal; gasification; numerical simulation; VCNMHGhod