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Vol. 22 No.5.1932. 2002年10月POWER ENGINEERINGOet 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，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 流函數法,并引入數性勢函敏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)行了數值研究。計算提供詳細的氣化爐內速度、溫度、濃度分布。計算結果合理，與實(shí)驗結果定量相符,說(shuō)明所采用的模型和算法是可行的，計算結果為深入研究氣化過(guò)程及其機理提供了依據。圈6表3參7關(guān)鍵詞:氣化爐;煤氣化;數值研究;渦量-流函數法中圈分類(lèi)號:TK 16文獻標識碼:A0.2m,爐膛上部0~1.2m為高溫段,大部分燃燒0前言和氣化反應在此進(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,玲卻水流量為1m*/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、整體熱利用率示于表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)程的深噴睛D2人詳細研究十分關(guān)鍵。德士古氣化爐是- -種高溫、高壓煤粉氣化爐,爐壓為2X 10*~6X 10'kPa,90%以上的煤粉顆粒尺寸小于100um,爐膛中心溫度達2000°C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)行詳細研究幾氣化爐乎是不可能的,必須同時(shí)借助數值模擬的手段。1韓國能源所0.5t/D德士古氣化爐、出口!本文的研究對象是韓國能源所0. 5t/D德士古氣化爐。如圖1所示,氣化爐高2. 05m,直徑為一D +;圖1韓國能源所0.5/D德士古氣化爐簡(jiǎn)圈收第日期2001 04-22基金項目:教育部白國人員科研啟動(dòng)基金資助項目表1幾何尺寸(單位mm)作者劉向軍(1969-),女,湖北武漢人.1997年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能系，博士,現在北京科技大學(xué)熱能系任教,主要開(kāi)E網(wǎng)HIT H2D1]二D2CD3D4 D2050000613.28 12 3]從事德動(dòng)及煤粉燃流過(guò)程的數值研究。第5期動(dòng)力T程●1933●數。對有化學(xué)反應或相變的氣體一顆粒群兩相流而言,氣相瞬時(shí)流場(chǎng)的連續方程寫(xiě)為V.(pV)+Sm=-2nkuz(1)式中Sm--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C= puD分解,作為瞬時(shí)質(zhì)量矢pui與pui之和圖2噴嘴橫截面圖G= pu=pu+ prw(2)定義質(zhì)量速度矢pu為.水謀漿氧氣7●(pu)一03)因此存在一流函數業(yè),對于本文所研究的軸對稱(chēng)問(wèn)題,有:1業(yè)8里U,=prH,=°ρraz(4)由式(]),式(2)和式(3),有:V . (pw)= Sm(5)圖3噴嘴縱截面圖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prw為.pw= Vφ(6)KIDEC煤。對于本文所模擬的噴嘴，實(shí)驗研究表明;水煤漿噴人氣化爐后,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w, =1 dφ1 aφ(7)ρa⊥?ψ_ρ可漿顆粒視為顆粒相,水煤漿顆粒中水份、灰份、揮V3ψ= Sm(8)發(fā)份及固定碳的含量分別為42%,9. 86%，這就是數性勢函數方程。18. 93%及29. 21%。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:10μm,20pm,氣化爐中各組分的質(zhì)量分數(濃度)方程為:30μm, 40μm, 50pm, 60μm, 70μm, 80pm, 90pum,a.王叢af100μm和110um,總計算軌道數為400條。號(puf)+ ;一(rpof,)=品G 2+表2運行參數1.2im a5(9)()/coal0.897新目7+s/.速度(m/s)2.14.式中,S,-5in0. Runo+Rar●n+. ER(10)水煤紫灠量(kg/h)65. 39一次流if f;= fuo干煤流量(kg/s)40.54(11)溫度(C)0=0 if$;≠fno275. 44RH,o:煤粉水分蒸發(fā)質(zhì)量,采用高溫水蒸發(fā)的流量(Nm2/h)25.2擴散模型[6]。二次流溫度Ran:煤粉揮發(fā)的氣體質(zhì)量，采用平行雙反應人射角a5*模型[6]。辦: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)，COz,H,CH的質(zhì)量分數分別為:49.27% ,25%，對于湍流兩相反應流,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)R:各氣體在各個(gè)化學(xué)反應中生成或消耗定義渦量和流函數顯然不合適,須引人數性勢函●1934●動(dòng)力工嵇第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]。-04控制方程及其求解本文對氣相流場(chǎng)的求解采用渦量流函數法，01.40+00湍流模型采用修正的k-ε雙方程模型,爐內換熱0:采用四通量模型,通用控制方程的形式為:品器)-晶中羅]一是[0rx. a(c.P)2]-罪的arjrSm +rSpp14.40+903(12)' 1.2e+opo式中各aprb,ecpsS.Sep的表達式示于表3。表3通用控制方程 中ao,b,.co,Sq,sS..的表達18 je+:03式方程9bSε.。? 溫度/K流函數、圖4爐內速度分布圖5爐內溫度分布勢函敷表4顆粒相控制方程w/2p葉陸ISw/rr'dup/P1L.2動(dòng)量方程| dus/d= (uge+tin-un)/t,-gdvs/dr- (up +據-v)/t,禍動(dòng)能p/0m 1 - (GA-pe)耗散率陸/o.| ↓CGx-C.pe 0mi=; mw+m。+ mbr|H1 p/0n 12rQpmu=-ndShDJIn[ 1+---mu- |氣相組分S售p/a1Smun= Buexp( - Eo/Rr,)其中，m-m[ 001+. -題)]s.-+[品(上鄂)一品占部)]質(zhì)量方程dm,/de- - m Bovex- R，)[品唱)-影(唱][的s]Bo(劌]mhn=m-artme C0, +me-hqo+m-2[心"學(xué)]u+re, .(P.-P')μ=μ+(rpk*/E, (i-1.44.C1-1. 92,Cp- 0.09.04=1.0nan∞1.kaire kyt keauh.3.0%-1.0.01=1.00-1.0顆粒相的模擬采用隨機軌道模型,控制方程示于表4。maC,第= ndioe(T"-T1)+rdaN_A(T- T)X氣相控制方程的離散化采用控制容積法,網(wǎng)能最方程ln(1+ B)melw- mhiOh- m'gOh2+ 2mmQr格數為30X51,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Gill算法。內氣化過(guò)程的進(jìn)行。5.2溫度場(chǎng)5計算結果與分析圖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,在人口在入口處(0.0~0.3m),溫度總體偏低,水煤段，由于二次流(O2)人口速度大，此處速度差大，漿顆粒在此處加熱.蒸發(fā)與揮發(fā),這些過(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)程。第5期動(dòng)力工程在中間段(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(1.2m~溫度上升,局部高達2000°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。P.87500108020.750.057.2.0.0654-0.200.0961011404 8ors04.013104-000310428.19206-025 .-0.60.6-327-0.: p.0434，064(0.0619.021700.1250202-0.80N92小70.3079.2851.2--121.2F12-1.21414--16-1.6--18-1.8-1.0.10.015.1D2xCHca)(b)(d)(C)團6 (a~e)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、CO2、H2及6結論H2及CH,在爐內的分布(體積份額,于組分)。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:Oz噴人氣化爐后迅速擴散，同時(shí)度、溫度及濃度分布,為深人研究氣化過(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)品氣的濃度跋少,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CH,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,CO.CO2.H2及參考文獻:CH的生成(及消耗)集中發(fā)生在爐膛上部,在下[1]毛健雄,等.煤的清潔燃燒[M].北京:科學(xué)出版社。1998.部低溫段,大部分反應均已完成,各部分基本保持[2]焦樹(shù)建.整體煤氣化燃氣:蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GCC>[M].北京:不變。另外，由圖中還可看出CO.CO2.H2及CH,中國電力出版社,1996.在爐的分布均有多個(gè)蜂值,這是由于各個(gè)組分都[3] Li You zhang. The Gas-phase Vorticity'涉及多種化學(xué)反應。of Gas-paricles (or Ges- 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 InternationalSymposium on Heat Transfer. Being: 1998,5(9~11):391果[P]的對比,CO,CO2.H2的計算結果與實(shí)驗結果~ 396.相差小于5%,CH、的計算組分和實(shí)驗組合均為[4] Wen CY. Chaung TZ. Entrainment Coal Gasication Model-最小,計算結果與實(shí)驗結果定性相符。ing[J]. 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 Bovind, Jogen Shah. Modeling and Simulaton of AnEntrained Flow Coal Gasifier[J]. AIChE Journal. Vol. 30.CH,CCCONo.1.計算結果0.01440. 320. 3850. 28[6] Smoot LD, Smith P J. Coal Combustion and Ginsification,實(shí)驗結果0. 00350. 340.420.23Plenum Press, 1985.(下轉第2004頁(yè))●2004●動(dòng)力‘工程第22卷依據,促進(jìn)火電廠(chǎng)機組運行經(jīng)濟性的提高。3結論針對火電廠(chǎng)運行經(jīng)濟性偏低的現象,本文研參考文獻:究了基于Web的運行指標考核系統,該系統按班[1]串政益.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[J].能源研究與信總.000,16(1);12~16.到公平、公正,增強了運行人員的優(yōu)化管理意識，[2]晏水平,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 蔚，陳整紅,等. Intranet 下的能損分析軟件[J].動(dòng)力T.的應用,管理人員不需深人現場(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 M odelLI Wei,REN Hao-ren，SHENG De-renCHEN Jian- hong，LI Bin .(Institute of Power Plant Thermal Energy Engrg. and Automation.Zhejiang 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 reflet the operating levelof unit is counted according to shift. The results are displayed dynamically on Intranet. This systernhelps 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))[7]Park T J. KimJ H, et al. Status of Coal Gasificaion R8D intion Techology, Septenber 2-6.1996,Being.KIER[C]. 1 st China-Korea Joint Workshop in Coal UtilizaNumerical Simulation of The Coal Gasification in An Texaco GasifierXIU Xiang-jun'，T. J. Park2(1. Dept. of Thermal Engrg.，Bejing Univ. of Science and Technology , Beiing 100083，China ;2. Dept. of Energy Environment Research, Korea Institute of Energy Research,Taejon 305 - 343, Korea)Abstract: The gasification in a slurry feed type entrained flow coal gasifier is numerically studied byusing Vorticity -Streamn Function Method. A Scalar Potential F unction is introduced to fulfill the masssource terms. Detailed studies on the characteristics of velocity , temperature and concentration distri-butions 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 al-so provide a better understanding of the gasifier performance. Figs 6, tables 3 and refs 7.Key words: coal ; gasification; numerical simulation ; Vorticity-Stream Function Method