GSP气化炉内多相湍流反应流动模拟研究

第39卷第11期化学T程Vol. 39 No. 112011 年11月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Nov. 2011GSP气化炉内多相湍流反应流动模拟研究许建良'，刘海峰',王俭,黄斌”,马银剑”，杨红波”，雍晓静’(1.华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237;2.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川750411)摘要:采用涡耗散概念( EDC)模型,对某化工厂的GSP气化炉内多相反应流场进行了数值模拟研究。计算中采用Realizable k-e湍流模型对雷诺平均后的N-S方程进行封闭;采用离散相随机轨道模型来模拟气化炉内煤颗粒的弥散运动;采用P1模型对燃烧的辐射传热进行模拟。计算结果表明:气化炉内为强旋射流流场，颗粒在气化炉顶部回流区壁面和中下部回流区富集;炉内存在扩展火焰,且火焰末端与壁面接触;沿气化炉从上到下,温度先升高后降低;炉内CO和H,体积分数先减小后增大,而CO2和H20的体积分数先增大后减小。关键词:EDC模型;气流床气化炉;数值模拟中图分类号:TQ 171. 6;0 358文献标识码:A文章编号: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气流床气化技术因具有气化强度大、炭转化率研究。高而广泛地运用于煤气化领域。目前国内运用较为目前对炉内气化反应过程模拟研究开展较广泛的有Texaco气化炉、Shell气化炉和华东理T大多,根据对均相化学反应的处理可分为简化PDF学开发的多喷嘴对置撞击流气化炉。神华宁煤集团模型(混合分数模型)和EBU模型2类。如吴玉引进了GSP气化炉,用于制备烯烃,然而由于该气新等“"采用简化PDF模型对Texaco气化炉进行了化技术在世界首次工业化,在运行过程中,出现因喷三维数值模拟研究,得到了炉内的三维流场、温度嘴与气化炉匹配问题导致的局部区域耐火村里寿命场和组分浓度分布;周俊虎等[2]采用简化PDF模短的问题。为了认识该气化炉内反应流动特性,掌型对Shell气化炉进行了数值模拟研究;Chen握炉内流动规律,对炉内多相湍流反应流动开展等3$)采用简化PDF模型对分级粉煤气化炉进行收稿日期:01105-18中国煤化工基金项目:国家科技支撑计划(2007BAA08B01);国家自然科学基金资助项目(20906020)作者简介:许建良(1981-),男,博士,讲师.研究方向为气流床气化，电话: (021 )64253933 ,E.YHCNMH G .许建良等GSP 气化炉内多相湍流反应流动模拟研究●57●模拟研究,分析了氧煤质量比、煤反应活性、颗粒模拟颗粒表面的化学反应,化学反应速率受扩散直径及规模放大等对气化炉性能的影响。该方法与本征动力学共同控制,对于反应,其表达式如式优点在于将化学反应过程减少为1个或2个守恒(2)所示:的混合分数,可以大幅提高计算速度与收敛性,然R..\~而该模型基于热力学平衡原理,没有考虑湍流及R.. =R.(p.-Do.,)2)混合过程。EBU 模型将均相反应过程分为化学反式中:R..为颗粒表面焦炭的反应消耗速率,应过程和扩散过程,计算中分别计算湍流扩散速kg●m'/s;Rr,为本征动力学速率,kg. m2/(Pa~●s),率和本征化学反应速率,最后取二者中小的速率其表达式如式(3)所示;Do,为气相反应物的扩散作为整个过程的控制速率。如Watanabe 等[0)采用速率,(kg. m')/(Pa.s) ,表达式如式(4)所示;p.EBU模型对分级粉煤气化进行了研究;Choi等'7]为参与化学反应的气相组分n的分压,N为反应采用EBU模型对KIER开发的水煤浆气化炉进行级数。了研究。本文在以上研究的基础上,采用EDC模R, =A.[Be-(/eT,)(3)型来模拟炉内均相化学反应过程,建立完整的多D,=c[(T +T.)/2]a75(4)相湍流反应流动模型模拟GSP气化炉内的热态d,过程。R,=m,A.2 R,(5)式中:C,为气体扩散控制常数,对所有异相反应物1数学模型与计算方法均取5x10-12g.K-.75 ;Tp为颗粒表面温度，K;T。1.1气固二相湍流模型GSP气化炉的喷嘴为旋流结构,与气化炉组合为为气相温度,K;R,为式(1)中的颗粒相化学反应消同轴受限气固二相旋射流流场。通过对冷态流场的耗量;β,为温度指数;R为气体常数;m,为颗粒质计算比较，综合考虑计算量与精度的关系,选用Rea-量;dp为颗粒直径; Ap为颗粒表面积;A,和E,为颗lizable k-ε模型对雷诺平均后的N-S方程进行封闭。粒气化反应本征动力学指前因子和活化能。对于气流床气化炉,炉内颗粒体积分数很小，因对于气相的化学反应主要有2部分,- .是炉内(3)气相化学反应此采用经典的离散相随机轨道模型对气化炉内煤浆合成气的燃烧反应,二是气体与水的变换反应, EDC颗粒进行跟踪。模型是由Magnussenl9] 于1981 年提出的,其基本思1.2 化学反应模型在气化炉内,颗粒相与气相发生复杂的物理与想是气相化学反应由2个过程组成:--是湍流细微化学反应过程,包括颗粒脱挥发分、焦炭燃烧及均相结构附近大涡团区域内,反应物混合后才能发生化学反应的混合过程,二是湍流细微结构中发生分子气体的燃烧与置换反应。接触的化学反应过程;其中混合所需的时间比化学(1)颗粒脱挥发分模型颗粒脱挥发分过程采用2步竞争反应模型,其反应时间长,因此受混合速率控制。湍流细微结构尺度ξ°的定义为速率R,如式(1)所示:R, =m。(aB,ve-Ea/RTp +arB,2e-R&QKRT) (1)5"=c(管)(6)式中:m。为挥发分的质量;Tp为颗粒温度;R为气体式中:Cq为结构尺度常数,取2.317;v为运动黏度;常数;模型参数a =0.3,B,=2x10* ,E。=1. 406xh和ε分别为端动能极其耗散率。模型中认为反应10* ;az=1,βa=1.3x10' ,E。=1.674x10*。挥发物在细微结构中的停留时间尺度τ°为分产物由CH4, Co, CO2, H2,H2O,N2组成,具体体(7)积分数按David煤裂解模型思想[8]，根据元素分析,r =C.(号)用元素平衡方法进行估算。式中:C,为时间尺度长度,取0. 408 2,其平均化学(2)颗粒表面反应模型反应速率R;可表示为气化炉内,热解后的半焦与02,CO2,H20和R,== e('")?"n(c;-c,)(8)H2发生非均相化学反应。由于焦炭与H2的化学τ[1-(ξ°")卢]反应速率相对较小，固本文只考虑焦炭与氧气、式中 :p为反应物中国煤化工物初始浓CO2和H20的非均相反应。采用缩核反应模型来度;c;为反应时间MHCNMHG许建良等CSP 气化炉内多相湍流反应流动模拟研究●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)速度矢星图(b)轴向速度分布(C)径向速度分布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)炉内流线图(1)湍流强度分布圈2气化炉内速度分布Fig.2 Gas velocity distribution in gasifer3.2气化炉内温 度分布炉其他区域内,炉内温度存在先升高后降低的趋势。气化炉内温度分布与炉内的化学反应有关,煤其中升高区域主要集中在射流初始阶段,而在射流粉与氧气进入气化炉后，颗粒相依次发生挥发分析火焰及其下方,流体温度逐渐降低。出,焦炭与氧气、水、二氧化碳等发生化学反应，同时炉内还进行着均相化学反应。由于均相化学反应30E+0:(主要是燃烧反应)比颗粒非均相化学反应速度大,2.17E+03 I小因此进入气化炉的氧气主要与挥发分、合成气发生2.04E+03化学反应,同时放出大量的热。1.91E+03图3给出了气化炉内的温度分布,从图中可以1.78E+03 |看出,在气化炉出口附近存在明显的低温区;在距离，1.6SE+03喷嘴出口1倍外径处,发生氧气与合成气的燃烧反.1.52E+03应,温度迅速上升。炉内温度分布的规律与流体速度分布规律基本耦合,在第I回流区内,由于存在大1.39E+03量的粉煤颗粒,而且该区域为死区。- -方面,煤粉颗1.26E+03粒主要与二氧化碳和水发生化学反应,同时吸收大1.13E+03量的热;另一方面,壁面水冷吸收大量热,因此该区1.00E+03域温度相对较低。在第I回流区内，同样由于回流Fig.3图3中国煤化工死区,在壁面热损失的作用下,温度较低。而在气化:MYHCNMHG葛鑫等焙烧温度对二氧化钛催 化性能的影响. 65.[23]张术栋，徐成华,冯良荣,等Ti-B分子筛催化苯酚和[26] CALZADA M L, OLMO L D. 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