GSP氣化爐內多相湍流反應流動(dòng)模擬研究

第39卷第11期化學(xué)T程Vol. 39 No. 112011 年11月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Nov. 2011GSP氣化爐內多相湍流反應流動(dòng)模擬研究許建良'，劉海峰',王儉,黃斌”,馬銀劍”，楊紅波”，雍曉靜’(1.華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200237;2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，寧夏銀川750411)摘要:采用渦耗散概念( EDC)模型,對某化工廠(chǎng)的GSP氣化爐內多相反應流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬研究。計算中采用Realizable k-e湍流模型對雷諾平均后的N-S方程進(jìn)行封閉;采用離散相隨機軌道模型來(lái)模擬氣化爐內煤顆粒的彌散運動(dòng);采用P1模型對燃燒的輻射傳熱進(jìn)行模擬。計算結果表明:氣化爐內為強旋射流流場(chǎng)，顆粒在氣化爐頂部回流區壁面和中下部回流區富集;爐內存在擴展火焰,且火焰末端與壁面接觸;沿氣化爐從上到下,溫度先升高后降低;爐內CO和H,體積分數先減小后增大,而CO2和H20的體積分數先增大后減小。關(guān)鍵詞:EDC模型;氣流床氣化爐;數值模擬中圖分類(lèi)號:TQ 171. 6;0 358文獻標識碼:A文章編號:1005 9954(2011)11-056-05Numerical simulation of coal gasification in GSP coal gasifierXU Jian-liang' , LIU Hai-feng'，WANG Jian2 , HUANG Bin2 , MA Yin-jian' ,YANG Hong-bo'2 , YONG Xiao-jing2(1. Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education, East China University ofScience and Technology，Shanghai 200237, China; 2. Shenhua Ningxia Coal IndustryGroup Co.，Ltd. ，Yinchuan 750411 ,Ningxia Province , China)Abstract :The eddy-dissipation-concept( EDC) model was used to simulate the multi phase reaction flow field in theGSP gasifier of a chemical plant. The realizable k-ε turbulence model was applied to close the Reynolds- averagedNavier-Stokes equation for the gas phase flow , and the Random-Trajectory model was used to simulate the behaviorof the coal particles in the gasifer. The PI was adopted to model the radioactive heat transfer in the gasifier. Theresults show that it is swirl flow field in GSP gasifier , and the coal particles enrich on the wall and in the circulationregion existed in the top and bottom of the gasifier. The gasification flame expends to the wall and the temperaturedecreases with the increase of the distance from the flame. Along the height of the gasifier, the volume fraction ofCO and H2 decreases first and then increases，but the volume fraction of CO2 and H2 are opposite.Key words:EDC model; entrained flow gasifier; numerical simulation氣流床氣化技術(shù)因具有氣化強度大、炭轉化率研究。高而廣泛地運用于煤氣化領(lǐng)域。目前國內運用較為目前對爐內氣化反應過(guò)程模擬研究開(kāi)展較廣泛的有Texaco氣化爐、Shell氣化爐和華東理T大多,根據對均相化學(xué)反應的處理可分為簡(jiǎn)化PDF學(xué)開(kāi)發(fā)的多噴嘴對置撞擊流氣化爐。神華寧煤集團模型(混合分數模型)和EBU模型2類(lèi)。如吳玉引進(jìn)了GSP氣化爐,用于制備烯烴,然而由于該氣新等“"采用簡(jiǎn)化PDF模型對Texaco氣化爐進(jìn)行了化技術(shù)在世界首次工業(yè)化,在運行過(guò)程中,出現因噴三維數值模擬研究,得到了爐內的三維流場(chǎng)、溫度嘴與氣化爐匹配問(wèn)題導致的局部區域耐火村里壽命場(chǎng)和組分濃度分布;周俊虎等[2]采用簡(jiǎn)化PDF模短的問(wèn)題。為了認識該氣化爐內反應流動(dòng)特性,掌型對Shell氣化爐進(jìn)行了數值模擬研究;Chen握爐內流動(dòng)規律,對爐內多相湍流反應流動(dòng)開(kāi)展等3$)采用簡(jiǎn)化PDF模型對分級粉煤氣化爐進(jìn)行收稿日期:01105-18中國煤化工基金項目:國家科技支撐計劃(2007BAA08B01);國家自然科學(xué)基金資助項目(20906020)作者簡(jiǎn)介:許建良(1981-),男,博士,講師.研究方向為氣流床氣化，電話(huà): (021 )64253933 ,E.YHCNMH G .許建良等GSP 氣化爐內多相湍流反應流動(dòng)模擬研究●57●模擬研究,分析了氧煤質(zhì)量比、煤反應活性、顆粒模擬顆粒表面的化學(xué)反應,化學(xué)反應速率受擴散直徑及規模放大等對氣化爐性能的影響。該方法與本征動(dòng)力學(xué)共同控制,對于反應,其表達式如式優(yōu)點(diǎn)在于將化學(xué)反應過(guò)程減少為1個(gè)或2個(gè)守恒(2)所示:的混合分數,可以大幅提高計算速度與收斂性,然R..\~而該模型基于熱力學(xué)平衡原理,沒(méi)有考慮湍流及R.. =R.(p.-Do.,)2)混合過(guò)程。EBU 模型將均相反應過(guò)程分為化學(xué)反式中:R..為顆粒表面焦炭的反應消耗速率,應過(guò)程和擴散過(guò)程,計算中分別計算湍流擴散速kg●m'/s;Rr,為本征動(dòng)力學(xué)速率,kg. m2/(Pa~●s),率和本征化學(xué)反應速率,最后取二者中小的速率其表達式如式(3)所示;Do,為氣相反應物的擴散作為整個(gè)過(guò)程的控制速率。如Watanabe 等[0)采用速率,(kg. m')/(Pa.s) ,表達式如式(4)所示;p.EBU模型對分級粉煤氣化進(jìn)行了研究;Choi等'7]為參與化學(xué)反應的氣相組分n的分壓,N為反應采用EBU模型對KIER開(kāi)發(fā)的水煤漿氣化爐進(jìn)行級數。了研究。本文在以上研究的基礎上,采用EDC模R, =A.[Be-(/eT,)(3)型來(lái)模擬爐內均相化學(xué)反應過(guò)程,建立完整的多D,=c[(T +T.)/2]a75(4)相湍流反應流動(dòng)模型模擬GSP氣化爐內的熱態(tài)d,過(guò)程。R,=m,A.2 R,(5)式中:C,為氣體擴散控制常數,對所有異相反應物1數學(xué)模型與計算方法均取5x10-12g.K-.75 ;Tp為顆粒表面溫度，K;T。1.1氣固二相湍流模型GSP氣化爐的噴嘴為旋流結構,與氣化爐組合為為氣相溫度,K;R,為式(1)中的顆粒相化學(xué)反應消同軸受限氣固二相旋射流流場(chǎng)。通過(guò)對冷態(tài)流場(chǎng)的耗量;β,為溫度指數;R為氣體常數;m,為顆粒質(zhì)計算比較，綜合考慮計算量與精度的關(guān)系,選用Rea-量;dp為顆粒直徑; Ap為顆粒表面積;A,和E,為顆lizable k-ε模型對雷諾平均后的N-S方程進(jìn)行封閉。粒氣化反應本征動(dòng)力學(xué)指前因子和活化能。對于氣流床氣化爐,爐內顆粒體積分數很小，因對于氣相的化學(xué)反應主要有2部分,- .是爐內(3)氣相化學(xué)反應此采用經(jīng)典的離散相隨機軌道模型對氣化爐內煤漿合成氣的燃燒反應,二是氣體與水的變換反應, EDC顆粒進(jìn)行跟蹤。模型是由Magnussenl9] 于1981 年提出的,其基本思1.2 化學(xué)反應模型在氣化爐內,顆粒相與氣相發(fā)生復雜的物理與想是氣相化學(xué)反應由2個(gè)過(guò)程組成:--是湍流細微化學(xué)反應過(guò)程,包括顆粒脫揮發(fā)分、焦炭燃燒及均相結構附近大渦團區域內,反應物混合后才能發(fā)生化學(xué)反應的混合過(guò)程,二是湍流細微結構中發(fā)生分子氣體的燃燒與置換反應。接觸的化學(xué)反應過(guò)程;其中混合所需的時(shí)間比化學(xué)(1)顆粒脫揮發(fā)分模型顆粒脫揮發(fā)分過(guò)程采用2步競爭反應模型,其反應時(shí)間長(cháng),因此受混合速率控制。湍流細微結構尺度ξ°的定義為速率R,如式(1)所示:R, =m。(aB,ve-Ea/RTp +arB,2e-R&QKRT) (1)5"=c(管)(6)式中:m。為揮發(fā)分的質(zhì)量;Tp為顆粒溫度;R為氣體式中:Cq為結構尺度常數,取2.317;v為運動(dòng)黏度;常數;模型參數a =0.3,B,=2x10* ,E。=1. 406xh和ε分別為端動(dòng)能極其耗散率。模型中認為反應10* ;az=1,βa=1.3x10' ,E。=1.674x10*。揮發(fā)物在細微結構中的停留時(shí)間尺度τ°為分產(chǎn)物由CH4, Co, CO2, H2,H2O,N2組成,具體體(7)積分數按David煤裂解模型思想[8]，根據元素分析,r =C.(號)用元素平衡方法進(jìn)行估算。式中:C,為時(shí)間尺度長(cháng)度,取0. 408 2,其平均化學(xué)(2)顆粒表面反應模型反應速率R;可表示為氣化爐內,熱解后的半焦與02,CO2,H20和R,== e('")?"n(c;-c,)(8)H2發(fā)生非均相化學(xué)反應。由于焦炭與H2的化學(xué)τ[1-(ξ°")盧]反應速率相對較小，固本文只考慮焦炭與氧氣、式中 :p為反應物中國煤化工物初始濃CO2和H20的非均相反應。采用縮核反應模型來(lái)度;c;為反應時(shí)間MHCNMHG許建良等CSP 氣化爐內多相湍流反應流動(dòng)模擬研究●59.v(m.s'v/m.s)v/(m.s)3.00E+011.50E+01■1 .0E+012 70E+01130E+018. 50E+002 40E+011. 10E+01700E+002 10E+019 00E+005.50E+001.81E+017.00E+004.00E+001.51E+015.00E+002. 50E+001.21E+013.00E+001.00E+009. 10E+00I .00E+00-5.00E-016.11E+00-1.00E+00 .-2.00E+003. 13E+00-3.00E+00-3.50E+001.40E-01-5.00E+00(a)速度矢星圖(b)軸向速度分布(C)徑向速度分布o/(m.s')//(m.s)OOELOL,49E+012. 70E+011.35E+011. 27E+011.20E+011.13E+012. 10E+011.05E+019.92E+001.80E:+01897E+00( 8.52E+007.47E+007.13E+001 20E+015.98E+005.74E+00 .9.00E+004.48E+004.35E+006.00E+00299E+002. 96E+003.00E:+001 49E+001 .56E+0000E+000.00E+001.70E-01(d)旋流速度分布(e)爐內流線(xiàn)圖(1)湍流強度分布圈2氣化爐內速度分布Fig.2 Gas velocity distribution in gasifer3.2氣化爐內溫 度分布爐其他區域內,爐內溫度存在先升高后降低的趨勢。氣化爐內溫度分布與爐內的化學(xué)反應有關(guān),煤其中升高區域主要集中在射流初始階段,而在射流粉與氧氣進(jìn)入氣化爐后，顆粒相依次發(fā)生揮發(fā)分析火焰及其下方,流體溫度逐漸降低。出,焦炭與氧氣、水、二氧化碳等發(fā)生化學(xué)反應，同時(shí)爐內還進(jìn)行著(zhù)均相化學(xué)反應。由于均相化學(xué)反應30E+0:(主要是燃燒反應)比顆粒非均相化學(xué)反應速度大,2.17E+03 I小因此進(jìn)入氣化爐的氧氣主要與揮發(fā)分、合成氣發(fā)生2.04E+03化學(xué)反應,同時(shí)放出大量的熱。1.91E+03圖3給出了氣化爐內的溫度分布,從圖中可以1.78E+03 |看出,在氣化爐出口附近存在明顯的低溫區;在距離，1.6SE+03噴嘴出口1倍外徑處,發(fā)生氧氣與合成氣的燃燒反.1.52E+03應,溫度迅速上升。爐內溫度分布的規律與流體速度分布規律基本耦合,在第I回流區內,由于存在大1.39E+03量的粉煤顆粒,而且該區域為死區。- -方面,煤粉顆1.26E+03粒主要與二氧化碳和水發(fā)生化學(xué)反應,同時(shí)吸收大1.13E+03量的熱;另一方面,壁面水冷吸收大量熱,因此該區1.00E+03域溫度相對較低。在第I回流區內，同樣由于回流Fig.3圖3中國煤化工死區,在壁面熱損失的作用下,溫度較低。而在氣化:MYHCNMHG葛鑫等焙燒溫度對二氧化鈦催 化性能的影響. 65.[23]張術(shù)棟，徐成華,馮良榮,等Ti-B分子篩催化苯酚和[26] CALZADA M L, OLMO L D. Sol-gel processing by inor-碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯[J].精細化工,2005,22ganic route to obain a TiO2-Pb0 xerogel as ceramic pre(2)115-117.cursor[ J]. Joumal of Non-Crstalline Solids, 1990, 121[24] YUTA Y, KYOICHI 0, HIROMASA N, et al. Photoca(1/2/3):413-416.talytic degradation of trichloroethylene using N-doped[27] AMOR BS, BANDG, BESSE JP, et al. Structural andTiO2 prepared by a simple sol-gel process [J]. Researchoptical properties of sputtered Titania films[J]. Materialson Chemical Intermediates, 2009 ,35(1) :43-53.Science and Engineering: B, 1997 ,47(2):110-118.[25] KUMAR M P, BADRINARAYANAN s, SASTRY M. Nano-[28] CASTANEDA L, ALONSOJ C, ORTIZ A, et al. Sprayersalline TO2 studies by optical, FTR and X ray pholoe-pyrolysis deposition and characterization of tianium oxidelectron spectroscopy: correlation to presence of surfacethin films[ J]. Materials Chemistry and Physics, 2003,states [J]. Thin Solid Films, 2000,358(1/2) :122-130.77(3) :938-944. .[上接第50頁(yè)]參考文獻:[5] PITZER K s. Thermodynamics of electrolytes[J]. J Phys[1] 黃雪莉.K* ,Na* //CI ,SO2 ,NO, -H20體系熱力學(xué)Chem, 1973,77(2) :268-277.研究[J].化學(xué)工程,2004 ,32(3) :67-70.[6] HARNED H s, ROBINON R A. Mulicomponent eletr2] 王琴萍,張春麗，周麗華,等.果糖-水混合搟液中多組lyte solutions: Chapter 5[M]. New York: Pergamon分電解質(zhì)熱力學(xué)[J] . 物理化學(xué)學(xué)報, 2004,20(8): .Press, 1968.831-836[3]周麗華,錢(qián)保華,許乃祥,等.水乙二醇混合溶液中多[7] WANG Qinping, L0 Dianzhen, SUN Xueli, et al. Ther-modynamic properties of multicomponent electrolyte solu-組分電解質(zhì)熱力學(xué)[J].化學(xué)研究與應用學(xué)報, 2010,tions in mixed solvents { HC1 + NaC-ert-C,H2OH +22(11):1396-1400.[4] PITZER K s. Activity coffrcients in electrolyte solutionsH20} at (278. 15 to318.15) K [J]. J Chem Themmo-[M].2nd ed. Boca Raton: CRC, 1991 :75-154.dyn, 2004 ,36(3):167-172.[上接第60頁(yè)]5] CHEN Caixia, HORIO Masayuki, KOJIMA Roshinori.[1] 吳玉新,張建勝，王明敏,等簡(jiǎn)化PDF模型對GE氣化爐Use of numerical modeling in the design and scale-up of的=維數值模擬[].化工學(xué)報2007,58(9) :2369 2374.entrained Alow coal gasifier[J]. Fuel, 2001 , 80( 10):[2] 周俊虎,匡建平,周志軍,等.粉煤氣化爐冷態(tài)和熱態(tài)1513-1523.流場(chǎng)分布特性的數值模擬[J].中國機電工程學(xué)報,6] WATANABE H, OTAKA M. Numerical simulation of2007 ,27(20) :30-35.coal gasification in entrained flow coal gasifier[J]. Fuel,[3] CHEN Caixia, HORIO Mayayoki, KOJIMA Toshinori.2006 ,85( 12/13) :1935-1943.7] CHOI YC, uX Y, PARK TJ, et al. Numerical studyI : modeling of coal gasification in an entrained flow gas-on the coal gasification characteristics in an entrainedifer [J]. Chemical Engineering Science, 2005<(18):blow coal gasifier[J]. Fuel, 2001 ,80( 15) :2193-2201.3861 -3874.[8] DAVID M. Mathematical models of the thermal decompo-4] CHEN Caixia, HORIO Mayayoki, KOJIMA Toshinori.sition of coal[J]. Fuel, 1983 ,62 :534-539.Numerical simulation of entrained flow coal gasifiers. Par9] MAGNUSSEN F B. On the structure of turbulence and aI: elcct of operating conditions on gasifer performancegeneralized eddy dissipation concept for chemical reaction[J]. Chemical Engineering Science, 2000, 55 (18):in turbulent flow[C] // 19th AIAA Meeting. Sl. Louis:3875-3883.AIAA, 1981.中國煤化工MYHCNMHG