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Vol.28 No.26 Sep. 15, 20082008年9月15日Proccedings of the CSEE02008 Chin.Soc.for Elec.Eng.29 _文章编号: 0258-8013 (2008) 26-0029-06中图分类号: TQ 54文献标志码: A学科分类号: 470-20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100084)Analysis of the Gasification Performance of a Staged EntrainedFlow Gaifier by Presumed PDF ModelWU Yu-xin, ZHANG Jian sheng, YUE Guang-xi, LU Jun-fu(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Minsiry of Education, Tsinghua Universit,Haidian District, Beijing 100084, China)ABSTRACT: In order to study the character of the flow fieldphased model, DPM) 和随机轨道模型(stochastic trackingand the gsification performance of staged gasificationmethod, 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 ftted hexahedron mesh was uscd 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 k-ε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 mecthod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 on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 relaionship 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addition 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，heterogencous char gasification reaction model in Fluent. The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 gasifer 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 flow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1。月前coal gasifer; assumed PDF model摘要:为详细研究分级气化技术的流场特点及气化性能，采工业运行的GE气化炉喷嘴寿命-般为 2个月左右，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一1351。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- e模型封闭湍流方程，应用离散相模型(dispersed低喷嘴附近区域温度的同时保证炉内整体气化性能是关键问题之一。为此，清华大学提出非熔渣_熔渣基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(973项目)2004CB分级气化技术，并在山西某集团得到工业应用。217705)。实验 室热态实验(0]和利用小室模型对分级气化The National Basic Research Program of China (973 Program)(2004CB217705).技术的模拟结果均表明”,采用分级气化技术能够30中国电机工程学报第28卷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，02 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-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图。为进一步掌握分级气化炉流场响可采用βPDF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N2;并假定挥发分主要由CH、CO、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-致， 充分雾化后的煤浆粒度分为30、60、110和175um四档，质量分1研究对象及 模型假设数分别为45%、25%、25%和5%。该分级气化炉操作压力为4.0 MPa,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CO2,(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59.1%，氧-按时均值计算。煤比为0.930(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。0/CO,水煤浆2数学建模及计算步骤2.1基本模型描述非熔消段基于简化PDF方法建立的三维数值模型已在02--O2对GE气化炉的数值模拟中得到应用191，这里仅熔渣段对模型作简要介绍，详细的模型请参阅文献[10]。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Realizablek-e模型来封闭湍流方程2。根据假设(2)、(3)和图1分级气流床煤气化炉结构简围Fig. 1 Sketch of a staged entrained flow coal gasifer(4),采用单组分简化PDF模型计算湍流对同相气表1水煤浆原料煤的工业分析和元素分析(干燥基)化反应过程的影响，并采用函数米计算不同混合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-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-方面炉内气体CO2和H2O占挥发分1%固定碳/%灰分1%高位发热量(MU/kg)很大比重，因此选用较简单的P1模型米计算炉内33.39S7.976.7426.163辐射传热。元素分析1%氧氮根据假设(5)， 可采用离散相模型(DPM)描述74.394.3613.080.9251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:动的影响。受计算量的限制，每次离散相计算约追(1)稳态假设:入口的氧气和煤浆给入量不踪1 200条颗粒轨迹，这一数目既保证了计算结果随时间而变化。实际工业运行中，在某-不长的时的准确，也节省了计算时间。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31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然发、热解以及异相反m= Sm,RS(5)应过程的建模过程的精度要求不高。本文煤浆脱挥式中: in 为焦炭颗粒的单位时间消耗量，kg/s; m发分过程采用单步模型，如式(1)所示:为焦炭颗粒质量，kg; s为焦炭颗粒的比表面积，dnErdl=-Aexp(- RXm, -mp)(1)mfkg.2.2 网格、边界条件及计算步骤式中: m,和mp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: 1 为时间，s: Tp 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Ev分別为单步脱挥发分速率的指散19，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32 0005~和3.58x定分别如图2和图3所示。图2为炉体计算域的网10* kJ/kmol"5l.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1.0814.射，且氧气入口处存在变截面几何体，对中心氧和加压条件下，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5):和网格独立性。.Rs.Rk(2计算过程采用分步渐进的方法，首先计算冷态Rs+Rx流场，待基本收敛后(约1 100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/(m-s); Rid为扩散控制的速率,kg/(m*.s);R为本征控制速率，kg(m's).二次给氧模型采用压力n次方经验公式来计入压力对焦交界面炭异相反应的影响，见式(3)和式(4):周期面(3)d。热流边界R.x=Aexp(-E-)(P/10)(4)RT,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5x10~13 s/KR.7%; T。为气休温度,图2分级气化炉计算域及六面体网格K: d,为颗粒粒径，m; A;和E,分别为焦炭同i气Fng.2 Calculation domain of the staged gasifer体本征反应的指前因f和活化能，R为气体常数，composed of hexahedral mesh8.314kJ/kmol; P,为气体i的分压，Pa; n为反应级数。焦炭同O2、CO2、H20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所示6181。根据以上模型，焦炭颗粒同各种气体反应而导外环:质量入表2式(3)和式(4)中的常数内环:壁面条件Tab.2 Constants of Eq.(3)J&Eq-(4)“中心环:质量入口C+O,二 C+CO3 C+HO 一CtHbAl/kg/m'sPa*))267 2.1x10361.62團3气化炉喷嘴网格划分及边界条件FJAkmo)1.3xI0 26x10 1.54x104 1.5xI0Fig3 Meshing and boundary defrnition o0.650.the gasifer nozzle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33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- -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。这三方面因素共同作用E4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-段炉时受主射流火焰和二次火焰射流的卷吸作用，在二-0.8-0.40.00.40.次火焰左侧区域和右侧区域分别形成了2个逆时针距中心线距高/m方向的涡，如图5(a)所示。相应地，壁面回流的形图6 Texaco 气化炉和分级气化炉在二次喷嘴高度成使炉体下游温度较低的气体被卷吸至二次射流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 profle 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 Texacogasifer and a staged gasifier区，并呈现如图4(b)所示的温度特征。在与二次射图7为气化炉内轴向速度为0 m/s的等值面，流相乘直的对冲面上,二次射流的相汇和对冲加剧通过该等值面可形象地看出二次射流对气化炉局了该平面上气流向壁面的径向扩散作用，因此使回部区域气流的卷吸作用，以及二次射流对冲面上气流区的区域缩小,如图5(b)所示。由于回流区缩小，流向气化炉径向扩展的效果。由此可见，二次射流且二次射流对冲的气休温度较高，这部分气体更多的引入，对气化炉内局部流场的改变是比较大的，地进入穹顶区域，从而导致对冲面上穹顶区域的温无论是在射流纵切面还是在与射流纵切面相垂直度比二次射流截面上穹项区域的温度稍微高一的对冲切面上，局部混合过程都得到加强，这同冷态测试得到的结论相-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8。向) .次治氧截血(b)二次火焰对冲面图7分级气化炉中轴向速度为0 m/s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 dfftrent setionsvelocity in the staged gasifier中国电机工程学报第28卷4结论(in Chinese).u吴玉新，张建胜，岳光溪，等.用简化PDF模型对Texco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UI.中国电机工程学报，2007, 27(32): 57-62.气流床煤气化炉进行了三维数值模拟。通过对该分Wu Yuxin, Zhang Jiansheng, Yue Guangxi, et al. Analysis ofgasification performance of a texaco gasifier based on presumed级气化炉内流场特性和温度等值面特征的分析，发modelUJ]. Pocedings 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[12] TSAN-HSing Shih, Liou W w, ShabbirA, etal. A new k-e eddyviscosity model for high reynolds number tubulent flows成了二次卷吸效应以及冲击射流效应，加强了炉内]. Computers Fluids, 1995, 24(3); 227-238.混合过程，有利于碳转化率的进-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[].太原理工大学学报，2005,5 365); 549-552.参考文献Zhang Ni, Zeng Fangui, Jiang Wenping. Pyrolysis kinetics analysisof chinese typical steam coals. journal of taiyuan university of[1] 陈家仁.加压气流床煤气化工艺的发展现状及存在问题[D].煤化tchnologyYJI. Journal of Taiyuan Uuniversity of Tchcnology, 2005,工，2006， 34(6); 1-7.36(5); 549-552(in Chinese).Chen Jiaren. Technology status and problems in pressurized entrained[14] Liu Guisu, Niksa s. Coal conversion submodels for designflow coal gasicatio[U]. Coul Chemical Industy, 2006, 34(6): 1-7(inapplications at elevated pressures. 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