德士古气化炉内煤气化过程的数值研究

第22卷第5期动力工程Vol. 22 No.5.1932. 2002年10月POWER ENGINEERINGOet 2002文章编号:1000-6761(2002)05- 1932-04德士古气化炉内煤气化过程的数值研究刘向军，朴泰俊*(1.北京科技大学热能系，北京100083; 2. 韩国能源研究所，韩国大田305- 343)摘要:采用涡量 流函数法,并引入数性势函敏对德士古气化炉炉内两相流动、传热燃烧及气化过程进行了数值研究。计算提供详细的气化炉内速度、温度、浓度分布。计算结果合理，与实验结果定量相符,说明所采用的模型和算法是可行的，计算结果为深入研究气化过程及其机理提供了依据。圈6表3参7关键词:气化炉;煤气化;数值研究;涡量-流函数法中圈分类号:TK 16文献标识码:A0.2m,炉膛上部0~1.2m为高温段,大部分燃烧0前言和气化反应在此进行。炉壁包有多层保温材料;下煤是世界上储藏量最丰富的化石燃料,其直部1.2m~2.05m温度较低,炉壁有循环水冷却，接燃烧的利用形式却对大气造成严重污染,危害在本文工况下,玲却水流量为1m*/h,带走热量为人类生存环境。作为一种新型的清洁燃烧技术,煤30. 189kJ/s.图2.图3所用喷嘴简图，中心喷孔的气化日益受到广泛重视。为水煤浆喷口,圆环形为氧气喷口。水煤浆和氧气德士古气化炉是目前最常见的一种气化炉炉从气化炉炉顶喷入炉内,混合、加热进而燃烧气型,是第二代煤气化技术中最成熟、商业化装置最化。 气化炉各部分的尺寸示于表1,运行工况参数多的技术，具有对煤种适应性大、整体热利用率示于表2。高、碳的转换率高以及产气品质高等优点。我国目前正在开发和引进这项技术,对其炉内过程的深喷睛D2人详细研究十分关键。德士古气化炉是- -种高温、高压煤粉气化炉,炉压为2X 10*~6X 10'kPa,90%以上的煤粉颗粒尺寸小于100um,炉膛中心温度达2000°C以上,煤粉颗粒在3~ 6s的时间内完成混合、加热、热解、燃烧和气化一系列过程。 由于该过程涉及时间短,且气化炉内温度、浓度梯度变化大，采用实验方法对煤气化进行详细研究几气化炉乎是不可能的,必须同时借助数值模拟的手段。1韩国能源所0.5t/D德士古气化炉、出口!本文的研究对象是韩国能源所0. 5t/D德士古气化炉。如图1所示,气化炉高2. 05m,直径为一D +;图1韩国能源所0.5/D德士古气化炉简圈收第日期2001 04-22基金项目:教育部白国人员科研启动基金资助项目表1几何尺寸(单位mm)作者刘向军(1969-),女,湖北武汉人.1997年毕业于清华大学热能系，博士,现在北京科技大学热能系任教,主要开E网HIT H2D1]二D2CD3D4 D2050000613.28 12 3]从事德动及煤粉燃流过程的数值研究。第5期动力T程●1933●数。对有化学反应或相变的气体一颗粒群两相流而言,气相瞬时流场的连续方程写为V.(pV)+Sm=-2nkuz(1)式中Sm--气相物质源项将气相流场上一点的瞬时质量速度矢C= puD分解,作为瞬时质量矢pui与pui之和图2喷嘴横截面图G= pu=pu+ prw(2)定义质量速度矢pu为.水谋浆氧气7●(pu)一03)因此存在一流函数业,对于本文所研究的轴对称问题,有:1业8里U,=prH,=°ρraz(4)由式(]),式(2)和式(3),有:V . (pw)= Sm(5)图3喷嘴纵截面图本文所研究的煤种是韩国能源所实验用定义质量速度矢prw为.pw= Vφ(6)KIDEC煤。对于本文所模拟的喷嘴，实验研究表明;水煤浆喷人气化炉后,迅速被气流冲击为大小对于轴对称问题,有:不等的水煤浆颗粒。进行数值模拟时，我们把水煤w, =1 dφ1 aφ(7)ρa⊥↔ψ_ρ可浆颗粒视为颗粒相,水煤浆颗粒中水份、灰份、挥V3ψ= Sm(8)发份及固定碳的含量分别为42%,9. 86%，这就是数性势函数方程。18. 93%及29. 21%。另外,在计算中,根据实验数据,将水煤浆颗3气化 反应模型粒按初始粒径分为11组，分别为:10μm,20pm,气化炉中各组分的质量分数(浓度)方程为:30μm, 40μm, 50pm, 60μm, 70μm, 80pm, 90pum,a.王丛af100μm和110um,总计算轨道数为400条。号(puf)+ ;一(rpof,)=品G 2+表2运行参数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)温度(C)0=0 if$;≠fno275. 44RH,o:煤粉水分蒸发质量,采用高温水蒸发的流量(Nm2/h)25.2扩散模型[6]。二次流温度Ran:煤粉挥发的气体质量，采用平行双反应人射角a5*模型[6]。办:挥发份中各气体的质量分数,对于本文所2数性势函数的引入研究的澳大利亚drayton煤,取挥发份中CO,本文采用涡量.流函数法计算气化炉内流场，COz,H,CH的质量分数分别为:49.27% ,25%，对于湍流两相反应流,气相流场的速度散度不为11. 24%,13. 99%。零,密度非均匀分布,这时,直接采用速度分解来R:各气体在各个化学反应中生成或消耗定义涡量和流函数显然不合适,须引人数性势函●1934●动力工嵇第22卷掉的质量,喷流床气化炉内涉及9个同相、异相化学反应，具体各反应率的计算参考文献[4]、[5]。-04控制方程及其求解本文对气相流场的求解采用涡量流函数法，01.40+00湍流模型采用修正的k-ε双方程模型,炉内换热0:采用四通量模型,通用控制方程的形式为:品器)-晶中罗]一是[0rx. a(c.P)2]-罪的arjrSm +rSpp14.40+903(12)' 1.2e+opo式中各aprb,ecpsS.Sep的表达式示于表3。表3通用控制方程 中ao,b,.co,Sq,sS..的表达18 je+:03式方程9bSε.。? 温度/K流函数、图4炉内速度分布图5炉内温度分布势函敷表4颗粒相控制方程w/2p叶陆ISw/rr'dup/P1L.2动量方程| dus/d= (uge+tin-un)/t,-gdvs/dr- (up +据-v)/t,祸动能p/0m 1 - (GA-pe)耗散率陆/o.| ↓CGx-C.pe 0mi=; mw+m。+ mbr|H1 p/0n 12rQpmu=-ndShDJIn[ 1+---mu- |气相组分S售p/a1Smun= Buexp( - Eo/Rr,)其中，m-m[ 001+. -题)]s.-+[品(上鄂)一品占部)]质量方程dm,/de- - m Bovex- R，)[品唱)-影(唱][的s]Bo(劌]mhn=m-artme C0, +me-hqo+m-2[心"学]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颗粒相的模拟采用随机轨道模型,控制方程示于表4。maC,第= ndioe(T"-T1)+rdaN_A(T- T)X气相控制方程的离散化采用控制容积法,网能最方程ln(1+ B)melw- mhiOh- m'gOh2+ 2mmQr格数为30X51,为非均匀矩形网格。对流项的离散采用上风格式,扩散项的离散化采用中心差分散混合，随后炉内速度很快均匀，平均流速在3m/格式。代数方程的求解采用Gauss- Seidel迭代法。s左右。这种流场分布说明喷嘴的设计有利于炉颗粒相控制方程的求解采用Gill算法。内气化过程的进行。5.2温度场5计算结果与分析图5为计算所得的温度分布,由炉膛内的温5.1 流场度分布可将气化炉沿高度方向分为3段。图4为计算所得气化炉内流场分布,在人口在入口处(0.0~0.3m),温度总体偏低,水煤段，由于二次流(O2)人口速度大，此处速度差大，浆颗粒在此处加热.蒸发与挥发,这些过程都是吸近壁处有回流区出现,加速了O2与水煤浆的扩热过程。第5期动力工程在中间段(0.3m~1.2m),平均温度很高,焦的燃烧和气化反应都在此完成。碳和挥发份气体的燃烧在此段进行，使得此部分燃烧段过后,温度沿炉膛逐渐降低(1.2m~温度上升,局部高达2000°C以上。相应地,此部分2.05m),这是由于气化反应吸热以及此部分水冷的高温又加速了燃烧和气化反应的进行,大部分壁不断带走热量所造成的。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)炉内 各组分分布图(体积比,干组分)5.3组分分布图6(a-e)为计算所得O2、CO、CO2、H2及6结论H2及CH,在炉内的分布(体积份额,于组分)。由上述计算结果分析提供了详细的气化炉内速此5图可看出:Oz喷人气化炉后迅速扩散，同时度、温度及浓度分布,为深人研究气化过程及其机由于氧化反应的消耗,沿炉膛方向O2浓度逐渐理提供依据。计算结果合理,出口处产品气的浓度跋少,到炉膛下部O2已全部消耗,为零值。随着与实验结果定性相符,这说吸本文采用的模型和O2的消耗,CO ,CO2、H2及CH,在炉内不断生成，算法是可行的。与图5所得的温度分布相一致,CO.CO2.H2及参考文献:CH的生成(及消耗)集中发生在炉膛上部,在下[1]毛健雄,等.煤的清洁燃烧[M].北京:科学出版社。1998.部低温段,大部分反应均已完成,各部分基本保持[2]焦树建.整体煤气化燃气:蒸汽联合循环(GCC>[M].北京:不变。另外，由图中还可看出CO.CO2.H2及CH,中国电力出版社,1996.在炉的分布均有多个蜂值,这是由于各个组分都[3] Li You zhang. The Gas-phase Vorticity'涉及多种化学反应。of Gas-paricles (or Ges- Liquid Droplets) Two phase Chem-表5所示为计算所的产品气组分和实验结ically Reacting Turbulent Flow[C]. the 2nd InternationalSymposium on Heat Transfer. Being: 1998,5(9~11):391果[P]的对比,CO,CO2.H2的计算结果与实验结果~ 396.相差小于5%,CH、的计算组分和实验组合均为[4] Wen CY. Chaung TZ. Entrainment Coal Gasication Model-最小,计算结果与实验结果定性相符。ing[J]. Ind. Eng, Chem. Process Des. Dev.. 1979.18(4).表5计算所得的产品气组分和实验结果的对比[5] Rakesh Bovind, Jogen Shah. Modeling and Simulaton of AnEntrained Flow Coal Gasifier[J]. AIChE Journal. Vol. 30.CH,CCCONo.1.计算结果0.01440. 320. 3850. 28[6] Smoot LD, Smith P J. Coal Combustion and Ginsification,实验结果0. 00350. 340.420.23Plenum Press, 1985.(下转第2004页)●2004●动力‘工程第22卷依据,促进火电厂机组运行经济性的提高。3结论针对火电厂运行经济性偏低的现象,本文研参考文献:究了基于Web的运行指标考核系统,该系统按班[1]串政益.国内外火电机组运行优化在线管理系统应用现状值对反映机组运行水平的具体指标进行考核,做[J].能源研究与信总.000,16(1);12~16.到公平、公正,增强了运行人员的优化管理意识，[2]晏水平,黄树红,等，-种火电站运行指标考核系统[].热能动力工程,2000, 15(89) +541~543.从而促进运行人员提高操作水平。通过Web方式[3]李 蔚，陈整红,等. Intranet 下的能损分析软件[J].动力T.的应用,管理人员不需深人现场就可实时了解机程，2001 ,21(6);1548~ 1551组的运行状况,为电厂运行人员的管理提供科学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页)[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