鼓泡流化床内粉煤气化的数值模拟

第41卷第10期化学工程Vol. 41 No. 102013年10月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Oct. 2013鼓泡流化床内粉煤气化的数值模拟王海艳"”，郝振华'，房倚天'，黄戒介'，董立波'，张磊', 陆慧林(1.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室，山西本原030001; 2.中国科学院大学，北京100039; 3.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要:将应用欧拉双流体模型对鼓泡气化炉内的气化过程进行研究。摒弃传统颗粒动理学理论中颗粒光滑无旋转的假设,引人颗粒的旋转运动,构建粗糙颗粒动理学理论来封闭双流体模型。基于燃烧理论建立粉煤热解气化模型以及鼓泡床内气固之间以及气体和气体之间的传热、传质模型。采用该模型进行数值模拟计算,分析床内的气固反应过程,对比实验结果表明粗糙颗粒动理学理论适用于模拟鼓泡床气化炉内的反应。关键词:粗糙颗粒动理学;粉煤气化;鼓泡流化床中图分类号:TQ 545文献标识码:A文章编号:005-9954( 2013) 10-0045-05DOI:10. 3969/j isn.100S-9954. 2013.10.011Numerical simulation of coal gasification in bubbling fluidized bedWANG Hai-yan'.2 ,HAO Zhen-hua' ,FANG Yi-tian'，HUANG Jie-jie' ,DONG Li-bo' ，ZHANG Lei' ,LU Hui-lin'(1. State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry ,Chinese Academy of Sciences，Taiyuan 030001 ,Shanxi Province ,China ;2. University of Chinese Academy of Sciences , Bejing100039, ,China ;3. School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute ofTechnology , Harbin 150001 , Heilongjiang Province, China)Abstract: The gasifcation behavior of gas and solids in a bubbling fluidized bed gasifer was simulated by Euleriantwo-fuid model. Different from the present kinetic theory of granular flow based on the assumption of smooth andelatic during the cllision of particles, the rolation of particles was taken into account and the kinetic theory ofrough spheres( KTRS )was proposed for the two-luid model closure. Meanwhile the coal pyrolysgsification modelbased on the combustion theory and the heat and mass transfer model between gas and solid as well as gas and gasin a bubbling fluidized bed were established. By this means, the reaction behavior of gas solid in the fluidized bedwas analyzed. The simulated resuls agree well with the experimental data, which shows that the kinetic theory ofrough spheres can reasonably describe the reaction in a bbling fluidized bed gasifer.Key words:kinetic theory of rough spheres ;coal gasification ;bubbling fluidized bed .流化床碎煤气化技术由于具有反应条件温和，人颗粒旋转对流化床 进行了模拟计算,结果表明颗可以气化高灰、高灰熔点煤,设备造价低等诸多优粒旋转对床内颗粒的速度和浓度均有影响。但是，点,显示出强大的发展前景。将颗粒旋转引人煤粉气化反应的数值模拟研究还未假定颗粒表面光滑无旋转运动,前人对鼓泡床见报道。气化炉数值模拟做了许多工作(3。然而,许多研究综上,作者考虑粗糙颗粒瞬时碰撞过程中的旋表明'48] ,颗粒旋转会对气固流动结构产生- -定的影转摩擦效应,采用粗糙颗粒动理学理论[12]对固相方响,在数值模拟过程中,应予以考虑。Sun'°! , Wang程进行封闭,对高2 m直径为0.2 m的鼓泡床气化Shuyan' 10] , Wang Shuil1] 等分别采用不同的方法引炉内气化反应过程进行数值模拟,为今后的研究工收稿日期::2012-12-11中国煤化工基金项目:中国科学院山西煤炭化学研究所青年创新基金(2011SQNRC02).MYHCN M H G通信联系人,Emal:作者简介:王海艳(1986- -), 女,硕士研究生,研究方向为流态化.数值模拟，E-mailhzh203@ 163. com。●46●化学工程2013 年第41卷第10期作拓宽思路。数;p为密度;u为速度。1.2动量方程.1气化炉内气固二相流动-反 应数学模型1.1连续性方程Q(φ,Pou,) +V●(qP2u.ug)=中e V.τ +φpP,8 -(φP。)+V.(φp。u,)= Es。.4。Vp-Bg(u,-u,)+S。●ug (2)(1)(pρ,u,) +V●(qp,u.u,) =φ, V●T, +φρ,8 -8ti(φp.)+V.(φ.ρ.u.)= 2S.φ。Vp+β。(u。-u.) +Sg●u. (3)式中:下标s,g分别表示气体和固体;N为组分个式中:τ 和β。分别为气体和固体的应力及气固曳数;S。和S分别为组分i的生成速率;p为体积分力,ρ为颗粒相总应力,本构关系参照表1。表1本构关系式"Table 1 Constitutive relation气相应力:r。=p,[Vu, +(Vu。)"]-号u。(V.u,)8 .(T-I)固相应力:r，= p,8 +μ,[Vu, + (Vu,)"] +5(V.u,)δ +ξ.δxVxu.(T-2)固相压力:p, =二a.p.p.e。 + p,p.g.(1 +e)e。T-2a)颗粒相体积黏度:6 = +.O.,(1+e) 1唇{o.v(T-2b)颗粒相旋转黏度:ξ. 19uw. K(1+)(T-2c)颗粒相剪切黏度:μ。=p.um +μ.cu(T-2d颗粒相动力黏度:H.kin =μu[1 +1.6[n:(3n. -2) +0.5n2(6m. -1 -2n2 - 2n.a,/( Ka,))]o.B.1+ 号(2n +3n)4.| (T.2d1)g。[(2-η -n)(η + n) + na,/(6Ka,)]颗粒相碰撞黏度:μo= qp.g.dp. ,/*(4n, +3m2){o.a古层πa,π[an +2p.g.(1 +e)aa](T-2d2)η =(1 +e)2,n2 =0.5K(1 +β)/(1 +K),K=」-rdm(T-e)K, ={421[a(I], +1.) +a,(I, +I,)]+号4.8。0(小+号2)(.,I2 +a,I,)+| 4gJI颗粒脉动动能扩散系数:(T-3) .3 V3ae°a,(η + n2)4,p.g.d +2m_λ_-4.g.(a,I +a,I,) +-43.p.g.da,J4πK g,= -(3a3a; - 25a,a,);I]2 =(6asag + 10aqa.p.g.);l3 =卡(Sa,a, + 3a2agp.g.)II。= 5(5asa。+asay4.B.);Is = 25(agas + 5ara69.g.)a = n/K;az =4a,(2η -1);a; =41(η +n2) -33(力+m2) +50ηηz - 7aa,/a;as = 3/2 + a24.g./K;as =5/2 +[4(6n2 一站) -2m(9η +4m2) +8a,m(2K +a,/a)]o.g.;a6 =a[3中国煤化工”-16a,n.+ar +8a。7;ag = (η +n2) +a,/3n2(7-4n,) -a,(2 + 1/K)YHCNMHG王海艳等鼓泡流 化床内粉煤气化的数值模拟●47●续表1颗粒碰撞能量耗散:x =- 3q,.p.g.Oa,海、1gr1-2+(三2)(+ 9)] 300951C,a, +2aq.1+.)1v..(T4)2dVπc,=aud, c;=aA+寻(1-e)+(二其) Koa.tga,(1 +e)颗粒相单位体积能量耗散率:D。=_25(T-5)(3a).5 me.g.“dp.'*a,与a,为量纲- -平动和转动系数,a, +a, =号;g.为颗粒径向分布函数;刀; ,加为与颗粒弹性恢复系数e和切向恢复系数β有关的系数;akx与a..分别为悬浮能和碰撞与总能量的比值。M. 0.81.3拟总温方程中+、告m)(12)类比颗粒动理学理论,引人颗粒拟总温e。:/8(1 +me。==<+c +(4)λ.= ZwAwA.=u.(Cu+4M.)(13)式中:C为颗粒平动脉动速度;w为颗粒旋转脉动速度;1为转动惯量。中g =中。6入p。中.Nu,(14)d2 j(qp.eo) +V .(4p.e。u.)]=V.(K, ve.)+Nu, =(7-10a +5a2)(1 +0.7Re,2 Pr'3}) +p:Vu. -x. -D。-3βge。(5)(1. 33 -2.4a。+1. 2q})Re;,'Pr/3 (15)式中:K,X.,D。物理意义及具体的本构关系式见1.6 热解反应采用如下双方程热解模型:表11.4 组分方程[煤-“+(1-a)w(炭) +a,(挥发分)(16)(pwe.) +V(ρou.u,)=-V.Ju. +S。(6)煤气+(1-a2)w2(炭) +a2(挥发分)(17)反应速率:ro=(a,h + azk)c.(18)式中: w。,为组分i的局部质量分数。式中:C为固体碳颗粒未反应的浓度。扩散通量J。.=-(p,D;+二)V ●w。.(7)速率系数h; = A,exp[- E/(RT)]i=1,2(19)式中:σγ为Schmidt数。1.7 异相反应1.5 能量方程煤气化过程中的非均相反应为j(apgcT) +V. (ap,CT,u,)=V(λg VT)+2K +2K+气C(s) +O2(g)→H2C0(g) +φ。(T。-T,)+ ESuCgT(8)2一一CO2(g)(20)O(ap,c,T.) +V. (ap,c.T.u,)=V(Aλ。VT,) +C(s) +H2O(g)-→C0(g) +H2(g) (21)C(s) + CO2(g)-→2CO(g)(22)φ&(T,-T)+ ES.cgT.(9)按缩核模型计算式(20)- -(22)反应系数k..式中:T,c,λ ,中。分别表示温度、比热容、导热系数和(Pa-'●s")为相间换热系数;ScT为反应引入的源项。具体表达k.3 = 17. 9x'exp(- 13 750/T)(23 )式为k, =5.95x 10 Yexp(- 13 650/T,) (24)cq= Zw,Cg c。= Sw.c。(10)中国煤化工T,) (25)x;hgi，5RCNM H G_λ.=ZxJYH2 ixXiPy;5g=4He(Cy+4M) (11) 式中:x= (ww，，0在山v。与w0,10。分w"w。●48●化学工程2013 年第41卷第10期别为初始时刻与反应中残炭颗粒内灰分和固定碳的1.8 均相反应质量分数。主要均相反应及化学反应速率见表2。表2均相化学反应速率Table 2 Homogeneous reaction rates used in simulations反应反应速率/(kg.m-3.s-I)动力常数_动力常数单位CH, +202- +2H2OR。=kJT-' w( CH:)w(O2)p2k。=1 x10l*exp(- 15 700/T)kmol-' .m' .K.s-'H2 +02-→+2H2OR, = khT"*w's(H2)w(O2)p2'h, =5.159x 10'exp( - 3430/T，) kmol :2C0+02-→2CO2Rg = kgw( CO)w^s(O2)p;'hg = 1.0x 10'*exp(- 16 00/T7) kmol-0.75 .m2.5. K!'5.s-'_u(CQ)u(H) 1的=2. 78 x 10'exp(- 1510/T,)∞+H0一-cCO2 +Hh R=k [ w(CO)w(H2O)kmol-' .m' .s'hg. = 0. 0265exp(3 968/T])2数值计算条件3计算结果分析计算模型按照Chejne等[13]的实验数据,结构3.1模拟结果与实验结果对比示意如图1所示。计算采用速度人口边界条件,顶图2为数值模拟结果与实验结果的对比，由图部为压力出口,出口压力为100 kPa。燃料反应器两可见计算值中CO2和H2的值偏大, CO的值偏小。侧为绝热壁面。初始床料高度为1.0 m,体积分数分析原因可能是:①CaCO3 ,SO2和O2的反应发生量为0.58。固体煤颗粒中水分、固定碳、挥发分和灰较小,计算时忽略;②煤热解模型的局限性。分分别为2.6% ,54. 1% ,41. 8%和1.5%。其余模60照实验拟参数见表3。习模拟↑↑↑↑↑q.-21.9kgh寂40- q(H2O)=4.6kghT。-693K至30-20_D10t: CO: CH， CON:图2 模拟结果与实验对比Fig.2 Comparisons between predictions and experimental data3.2颗粒拟总温 .圈1流化床气化床结构图3为颗粒拟总温随体积分数的变化。颗粒拟Fig.1 Structure scheme of 2D fuel reactor总温反映了颗粒平动和转动脉动的强弱。由图可见,随着体积分数的升高,颗粒之间的平均自由程减表3 Chejne 等[3)实验参数及数值模拟参数小,致使颗粒脉动减弱。Table 3 Parameters used for Chejne et al'!. and simulationsd 0.62 mmh.=1.0m符号物理意义文献模拟q.≈21.9kg/sp./(kg. m-3)颗粒密度1 250p.=1250kgm'd./mm颗粒直径0.62T。693Kq./(kg.h"')进口空气流量21.921.9q(H.O)-4.6kg/sq(H20)/(kg.h~")进口水蒸气流量4.64.6To/K进口气体温度69393初始气相质N2 =80.0,wo量分数/%02 =20.0N.xN,网格数22x118中国煤化工04 0sAt时间步长/s5.0x10-*-.MYHCN M H G变化规律2.0x 10 -Fig.3 Total energy variation as a function of particle volume fraction