第58卷第9期化]學(xué)報Vol. 58 No. 92007年9月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)September 2007研究論文 美簡化PDF模型對Texaco氣化爐的三維數(shù)值模擬5333333333吳玉新，張建勝，王明敏，岳光溪，呂俊復(fù)(清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，滑華大學(xué)熱能工程系，北京100084)擠要:應(yīng)用商業(yè)CFD軟件Fluen建立氣化過程熱態(tài)模型，對某化肥廠Texaco水煤漿氣化爐進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計算中采用簡化PDF模型描述爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，將水煤漿看作燃料流，氧氣看作氧化劑流;根據(jù)對冷態(tài)流場的計算，采用六面體綃構(gòu)網(wǎng)格為主的網(wǎng)格劃分; Realizable ke湍流模型封閉湍流方程; dpm模型考察氣體和顆粒相耦合;隨機(jī)軌道模型對顆粒相進(jìn)行追蹤，P-1 輻射模型計算爐內(nèi)輻射特性:同時編制UDF函數(shù)模擬焦炭和O2、H2O、CO2以及H:的顆粒異相反應(yīng)。通過與工業(yè)數(shù)據(jù)的對比，證明該模型能夠真實反應(yīng)氣化爐內(nèi)的物理特性，同時表明工業(yè)爐內(nèi)的同相反應(yīng)藁本達(dá)到化學(xué)平衡。關(guān)鍵詞:敷值模擬;簡化PDF;異相反應(yīng)中圖分類號: TQ171.6'25; TQ 54文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 0438-1157 <2007) 09- 2369-063D numerical simulation of Texaco gasifier using assumed PDF modelWU Yuxin, ZHANG Jiansheng, WANG Mingmin, YUE Guangxi, LU Junfu(Key Iaboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education ,Department of Thermal Engineering , Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Based on commercial CFD software Fluent, numerical simulations of the coal gasification processfor a Texaco gasifier was investigated with a comprehensive model, which contained several simplified sub-models. Chemical process was described with assumed PDF model. In this model, coal slurry was defined asthe fuel stream, pure oxygen was defined as the oxidizer stream. According to the numerical simulation ofthe cold flow field, the mesh mainly composed of hexahedral structure was adopted and realiable k-eturbulent model was used. The coupling effect between gas phase and discrete phase was considered byusing Particle Source In Cell (PSIC) model. A stochastic tracking method was used to simulate turbulentdispersion of the particles. P-1modelwas also adopted to include the radiationin thgasifier. .Heterogeneous reactions, including carbon with O2, H2O, CO2 and H2, were considered by UserDefined Functions (UDF) . The comparison between the industrial performance and the prediction datashowed that the model could describe the gasification process correctly. The gasification process in anindustrial gasifier could be regarded as in kinetic equilibrium.Key words: numerical simulation; assumed PDF model; heterogeneous reaction氣化強(qiáng)度高、碳轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品煤氣中不含焦油和引言酚類物質(zhì)等優(yōu)點。Texaco 氣化爐是典型的氣流床氣流床煤氣化爐是一種先進(jìn)的氣化技術(shù)，具有煤氣化爐，我國已有多家企業(yè)采用了Texaco氣化2006- -09-25收到初稿，2006-11- 14收到修改稿。中國煤化工) cndidate. R- mil:;聯(lián)系人及第一作者:吳玉新(1979-), 男，博士研究生。基金項目:國家熏點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目wuyx02:TYHCNMHG(2004CB217705).Foundation itm: supprted by the National Basic ResearchProgram of China (2004CB217705).2370●比學(xué)第58卷爐裝置，為深入了解水煤漿氣化過程，提供改進(jìn)方表1水煤漿原料煤的工 業(yè)分析和元素分析案，建立詳細(xì)的數(shù)值模型顯得十分重要。Table 1 Primary and ulimate analysis of coal for slurry國內(nèi)外已有不少學(xué)者對水煤漿氣化過程進(jìn)行了Primary analysis(d)/%模型研究，Peter 等川對水煤漿氣化爐建立了熱力VFCAQnHv/MJ.kg 1學(xué)模型，并考察了氣化爐的反應(yīng)特性;李政等1C-3]21. 9863. 2414.7826. 163在Wen等[4的基礎(chǔ)上，對Texaco氣化爐建立了完Utimate analysis(da)/%整的小室模型，與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，并考察了0N煤漿濃度、氧煤比、氣化壓力、煤顆粒粒徑等參數(shù)65. 744. 3513. 870.91. 35變化對氣化過程的影響;賀阿特等0采用簡化PDF模型對Texaco渣油氣化爐進(jìn)行了二維數(shù)值模(2)由于煤漿中的液滴蒸發(fā)和揮發(fā)分析出過程擬;于海龍等(0也采用了簡化PDF模型對Texaco都很快(10~'s)，故將水煤漿視為具有特殊性質(zhì)的水煤漿氣化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬;劉向軍等[2則采用煤粒，水和揮發(fā)分均視為揮發(fā)分的組成部分，同渦量-流函數(shù)方法，EBU模型對水煤漿試驗臺進(jìn)行時，由于氨氣不參與反應(yīng)，故認(rèn)為氧氣純度為.了二維數(shù)值模擬。以往模型研究多以二維為主，而在采用簡化100%，則采用簡化PDF模型時，就可將水煤漿作PDF模型時，往往難以考慮焦炭與CO2、H2O等為燃料流、而將純氧作為氧化劑流，從而采用單混物質(zhì)發(fā)生的焦炭異相反應(yīng)。本文在玲態(tài)試驗和模型合分?jǐn)?shù)模型。研究的基礎(chǔ)上[80]，應(yīng)用Fluent 軟件建立了三維網(wǎng)(3)由于本模型主要考察氣化爐的氣化過程及格劃分，采用簡化PDF模型模擬爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)、特性，故不考慮S元索和N元素的反應(yīng)，將S元dpm模型考慮顓粒相和氣相的耦合作用、隨機(jī)軌素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并入N元素，認(rèn)為N元素只生成道模型追蹤顆粒運動、P-1 模型計算爐內(nèi)輻射傳N2，并認(rèn)為揮發(fā)分主要由H2O、CO、N2和H2熱、編制UDF模擬焦炭異相反應(yīng)，采用此模型對組成。Texaco氣化爐進(jìn)行研究，與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。(4)認(rèn)為爐內(nèi)無論是氣化反應(yīng)還是燃燒反應(yīng)，均處于反應(yīng)平衡狀態(tài)，從而不必計算同相反應(yīng)，而1研究對象及模型假設(shè)是根據(jù)Gibbs最小自由能原理確定混合分?jǐn)?shù)的關(guān)Texaco氣化爐是典型的氣流床煤氣化爐。其系，并根據(jù)β形PDF函數(shù)(10來建立混合分?jǐn)?shù)同其運行特點是采用外混式三通道噴嘴將水煤漿及純氧他守恒標(biāo)量平均值的PDF表，并根據(jù)該表來確定高速噴入氣化爐內(nèi)，水煤漿在氧氣的高速沖擊下被所要求解的守恒標(biāo)量值，如溫度、各組分摩爾分霧化成幾十微米的煤漿液滴，并被大量的高溫回流數(shù)等。氣體迅速加熱，煤漿液滴中的水分因此迅速蒸發(fā)，(5)認(rèn)為氣化爐內(nèi)處于允分發(fā)展的湍流狀態(tài)。既而發(fā)生脫揮發(fā)分、揮發(fā)分及焦炭顆粒的燃燒等過(6)假定水煤漿被充分霧化，水煤漿滴的粒徑程，同時氡氣被迅速耗盡，在噴嘴下方形成一- 下行分布和煤粒的粒徑分布規(guī)律一致，根據(jù)工業(yè)值，火炬。燃燒生成的高溫氣體在向下游流動的過程中即可認(rèn)為充分霧化后的煤漿粒度分布如表2所發(fā)生氣化反應(yīng)，最終生成合成氣。示。同時假定煤漿顆粒在爐內(nèi)距噴嘴不遠(yuǎn)處呈.本文中的模擬對象為某化肥廠的Texaco氣化20°錐形角以一定速度向外噴射，速度分布由噴爐，氣化爐操作壓力4.2 MPa，氧氣純度99. 6%嘴出口截面積以及中心氧和煤漿的體積流量來(其余大部分為Ar),人口溫度303 K。水煤漿濃確定。度為62%，入口溫度323 K。該氣化妒采用混煤，(7)異相反應(yīng)時間尺度相對于湍流脈動時間尺.煤的工業(yè)分析及元素分析如表1所示。度來說很大，故忽略湍流脈動對異相反應(yīng)的影響，為便于建立計算穩(wěn)定的數(shù)值模擬，采用如下中國煤化工生成物濃度可按時假設(shè):均值CHCNMH G(1)假定氣化爐穩(wěn)定運行，人口的氧氣和煤漿根據(jù)以上假定，可建正元整的熱態(tài)模型，下面給入量不隨時間而變化。詳細(xì)敘述。第9期吳玉新等:簡化PDF模型對Texaco氣化妒的三維數(shù)值模擬●2371●裹2媒和煤漿顥粒的粒度分布溫度，K;A.和E.分別為單步脫揮發(fā)分速率的指Tabke2 Size dstribtion of coal and coal slury paricks前因子和活化能，其值田分別為210000 s~'和3.28X10' J●krmol-1。Coal mesh Mas fraction of cosl Average coalsize/pm particles psed/% slury size/pm factin%62.2焦炭異相反應(yīng)4530氣化爐中，焦炭除與氧氣反應(yīng)外，還與水蒸7411:氣、CO3. H2等發(fā)生氣化反應(yīng)。由于氣化過程處49110于高溫高壓環(huán)境，故這些氣化反應(yīng)的反應(yīng)速率急劇200175增大，在焦炎轉(zhuǎn)化過程中也占據(jù)著重要的地位。事實上，氧氣噴入氣化爐后，會被回流的合成氣及焦2模型介紹炭顆粒迅速消耗，有氧區(qū)域僅存在于狹長的火焰中，焦炭與氧氣的反應(yīng)時間十分有限，而在焦炭顆2.1基本模型粒處于氣化爐內(nèi)的絕大部分時間中，氣化反應(yīng)占據(jù)已有不少學(xué)者證實，在工業(yè)爐氣化過程中，氣著主導(dǎo)地位，故必須考慮焦炭同H2O、CO2和H2化反應(yīng)可近似認(rèn)為達(dá)到平衡[,而在煤的氣化過等氣體間發(fā)生的氣化反應(yīng)。在Fluent中，為了模程中，可近似認(rèn)為煤中各組分是均勻釋放的?；跀M這一過程，采用UDF函數(shù)計算了焦炭的氣化反以上兩點，可假定各守恒標(biāo)量(例如溫度、各組分應(yīng)速率，完善了焦炭顆粒的氣化過程，下面詳細(xì)的摩爾分?jǐn)?shù)等)由混合分?jǐn)?shù)及其均方差惟一決介紹。定[01,故在本模型中，采用簡化的PDF方法來.加壓條件下，假定異相反應(yīng)受擴(kuò)散和本征反應(yīng)模擬煤氣化過程。共同控制，且擴(kuò)散和本征反應(yīng)互不影響，則可用式氣流床氣化爐屬于典型的湍流受限射流過程，(2) 計算焦炭顆粒同某種氣體i的異相反應(yīng)處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，故選擇正確的湍流模型速率[1)對數(shù)值計算至關(guān)重要。為此，搭建了冷態(tài)試驗裝.R.R.(2)置[8]，以此實驗臺為研究對象進(jìn)行了數(shù)值模擬，分R.= R.+R.k別對不同的三維網(wǎng)格劃分和不同的湍流模型進(jìn)行了式中R,表示單位表面積的焦炭颥粒與i 種氣體的評估(142，根據(jù)試驗測試結(jié)果和模型預(yù)測的對比，反應(yīng)速率，kg.m-'.s~'; R.s表示擴(kuò)散控制的速最終選定Realizable ke模型對湍流模型進(jìn)行封閉。率，kg.m-1.s~'; R..，表示本征控制速率，kg前文中已假定水煤漿霧化過程是充分的，煤漿霧化后的顆粒分布由煤粉粒度分布值給出，在此情由于氣化爐是在壓力條件下運行的，故在計算況下，可采用離散相模型來考慮顆粒相和氣相間的本征反應(yīng)和擴(kuò)散反應(yīng)中，均需考慮壓力的影響，本相互作用，采用隨機(jī)軌道模型來追蹤顆粒的運動。模型中采用常用的壓力n次方經(jīng)驗公式來計人壓力實際計算中，考慮到計算速度限制，每次離散相計的影響，R.d和R..分別用式(3) 和式(4) 計算算約追蹤2000條顆粒軌跡，這一數(shù)目既保證了結(jié)Rs= C;[(T,土T.)/27]0p,(3)果的準(zhǔn)確，也節(jié)省了計算時間。d。氣化爐內(nèi)的氣化氣富含水蒸氣和COz,對熱輻R.s - A.exp(- :><:/0)"4)RT,射有強(qiáng)烈的吸收作用，且氣化爐的直徑約1.6 m,式中C為i 氣體擴(kuò)散控制常數(shù)，假定各氣化反應(yīng)故可認(rèn)為爐內(nèi)氣體介質(zhì)是光學(xué)厚介質(zhì)，在此情況擴(kuò)散控制常數(shù)均為3X10-*s.K-0.7s; T。為氣體下，可采用較為簡單的P1模型計算爐內(nèi)輻射的溫度，K; d,為顆粒粒徑，m; A,和E分別為焦傳熱.煤漿顆粒的脫揮發(fā)分過程采用單步模型，如式炭同i氣體本征反應(yīng)的指前因子和活化能，其值根據(jù)文獻(xiàn)及試驗數(shù)據(jù)共同校核051); R為氣體常數(shù)，(1)所示8314中國煤化工壓，Pa; n為反dm=-A.exp(-六)(m, -m。)(1)應(yīng)級MHCN M HGH2O和H2反應(yīng)式中m。 和mp分別表示顆粒質(zhì)量和顆粒中除揮發(fā)的活化能和指前因子，以及壓力影響因子n的值如分以外物質(zhì)的質(zhì)量，kg; l為時間，s; T,為顆粒表3所示?！?372●化I學(xué)指第58卷表3式(3)和式(4)中的常數(shù)Table3 Constants of FEq (3)and EQ (4)ConstantC+O2 C+CO2 C+H2O C+H2A/kg.m-2.gi.pe 300222442.51.62E/J. kmol-11.3X104 2.2X10 1. 42X10* 1.5X10.0.650.6對顆粒追蹤時，假定顆粒粒徑在揮發(fā)分析出過程中會發(fā)生膨脹，膨脹率根據(jù)文獻(xiàn)[19]推薦的公.式計算，其值為1.1.而在焦炭的燃燒和氣化過程中，假定顆粒粒徑不變而密度減小。并假定顆粒為球形，顆粒比表面積S即1 kg球形焦炭顆粒的外圍1氣化爐計算城及六面 體網(wǎng)格表面積。這樣，焦炭顆粒同各種氣體發(fā)生燃燒氣化Fig.1 Calculation domain of gasifier反應(yīng)而導(dǎo)致的單位時間消耗量可由式(5) 計算composed of hexahedral mesh得到m= Em,R,S(5)式中im 表示焦炭顆粒的單位時間消耗量，kg.5~'; m。表示焦炭顆粒質(zhì)量，kg; s表示焦炭顆粒的比表面積，m2●kg-'.mass flow_ intetlc annular:2.3網(wǎng)格及 邊界條件, center.通過在冷態(tài)條件下對多套三維網(wǎng)格計算結(jié)果的mass flow. inlet評估，最終采用以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主的六面體網(wǎng)格(田,以1/4爐體為計算城，網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定分圖2氣化爐噴嘴網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.2 Meshing and boundary delinition of gasifier nozle別如圖1和圖2所示。圖1為計算域爐體的網(wǎng)格劃分的剖面示意，計算采用貼體六面體網(wǎng)格，中心火w.m~,收縮段為-1500 W .m-*,故分別按以炬區(qū)城網(wǎng)格劃分較小，遠(yuǎn)離火焰處網(wǎng)格較大,兩者上值設(shè)定各壁面為等熱流邊界條件;出口延長段為體積比約為1 : 200;圖2為氣化爐氧氣噴嘴人o激水環(huán)，因為不是本文研究所關(guān)心的部分，故將其處的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定。由于煤漿是按顆粒簡化為等壁溫邊界條件，壁溫為1500K,噴嘴內(nèi)相處理的，認(rèn)為霧化充分，故將水煤漿入口視為壁取壁溫為323K (水煤漿溫度);噴嘴水冷套管外面邊界條件。考慮到高速射流及氧氣的帶壓噴射，壁取壁溫600 K.且氧氣人口處存在變截面幾何體，對中心氧和外環(huán)根據(jù)假設(shè)(6)， 煤漿顆粒按20°的錐形角在距氧人口處采用質(zhì)量人口邊界條件，如圖2所示:出噴嘴下方0.05m處以30 m.s"'速度給人,煤漿口采用壓力出口邊界條件;計算域考慮1/4爐體，顆粒粒徑及質(zhì)量分布如表2所示。對于顆粒在壁面切面采用尚期邊界條件.采用該模型分別對網(wǎng)格數(shù)的邊界條件，取拱形爐壁和垂直爐壁均為反彈邊界量為2萬(8X24X120， 環(huán)向X徑向X軸向)、8條件， 彈性系數(shù)因溫度而異:由于下部爐體溫度較萬(12X40X160)和20萬(18X50X230) 的計高，取下部收縮段和爐體出口處均為顆粒捕捉邊界算域進(jìn)行了計算，最終確定計算域的網(wǎng)格數(shù)目為8條件。 以上簡化的邊界條件,基本保證了模型和氣萬左右?；癄t物理特性的一- 致性。對于氣化爐壁面，假定外界環(huán)境平均溫度為3. 計算過程及結(jié)果283 K,爐內(nèi)平均溫度1600 K,根據(jù)爐體耐火材料中國煤化工厚度及熱導(dǎo)率建立氣化爐爐體與外界的對流換熱模型，從而計算出爐體各段的壁面熱通量，得到上部.MCHCNMHG法,首先計算冷態(tài)拱形結(jié)構(gòu)為- 1030 w. m-*,垂直段為一1024流場，基華收效口代用八積坦i算熱態(tài)流場。計算時依次采用一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式離散控制第9期吳玉新等:簡化PDF模型對Texaco 氣化爐的三維數(shù)值模擬●2373 .方程中的對流項。計算初期采用低松弛因子，待結(jié).氣化爐中各氣體摩爾分?jǐn)?shù)及氣體溫度沿爐膛高果穩(wěn)定后逐步增加松弛因子以加速收斂。最終采用度的變化如圖4所示。圖4 (a) 為變量在爐膛截二階迎風(fēng)格式得到最終結(jié)果。采用出口人口質(zhì)量差.面的平均值沿距噴嘴距離的變化，圖4 (b)為變(<0.1%X入口質(zhì)量)、氣化爐內(nèi)不動點溫度及組量在軸線處的值沿距噴嘴距離的變化?？梢奀O和分監(jiān)視(波動<1%X平均值)以及控制方程殘差COr很快就能達(dá)到平衡，在距噴嘴不遠(yuǎn)處，其摩(能量方程峰值殘差<1X10~',其他方程峰值殘差爾分?jǐn)?shù)就不再變化;而H2和H2O則隨著距噴嘴<1X10-*)這3個變量判斷計算收斂。每一工況距離的增加而逐漸減小，只是這種趨勢越來越平約計算23000步，計算時間約為2 d.緩，說明H2達(dá)到平衡的時間要長一些。另一方表4列出了工業(yè)運行數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值的比面，爐內(nèi)同一高度處火焰區(qū)域和非火焰區(qū)域內(nèi)組分較，其中CO摩爾分?jǐn)?shù)的預(yù)測值比實際值高，這也有很大的不同，火焰區(qū)內(nèi)H2O和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)是出口溫度偏低的主要原因，但總的來說，預(yù)測結(jié)很高，CO和Hp組分很低，這主要是因為火焰區(qū)果與實際結(jié)果基本吻合，說明了模型的準(zhǔn)確性。氧氣濃度較大，更多地生成了氧化產(chǎn)物。表4工業(yè)運行敷據(jù)與模型預(yù)測值比較02:-CO:一Co- H2O;. H;-- T1800Table 4 Measurement data and model prediction data50-1600DataOut temp. CO COr H20 H2 C/%/%/%/%/%1200measurement32.3516.0525.33 25.7 95model prediction 1573 35. 8813. 3925. 8324. 4494. 64客2080000圖3分別表示了爐內(nèi)溫度場及各組分的摩爾分00o數(shù)等值面。由溫度場可見氣化爐中心有一明顯的高0門2一34一56200溫區(qū)，即下行火焰區(qū)，氧氣在火焰區(qū)內(nèi)基本都被消distance from 0zzl/m耗，產(chǎn)物主要以CO2和H2O為主，而在火焰區(qū)外(a) average value in a given height測，CO迅速達(dá)到平衡，而H2達(dá)到平衡的過程要50廠相對慢一些。總的來說，預(yù)測結(jié)果與實際工況基本.50}{ 2700符合，這也說明工業(yè)爐運行時，爐內(nèi)氣化反應(yīng)基本2400達(dá)到平衡。210030d -1300-15001500的<1000525002100售 - 1700冒20600300回) temperature23456distance fom nozzle/m-20%-36%(b) value along axis圖4氣體各組分摩爾分?jǐn)?shù)及溫度沿爐膛高度的變化(6) Co mole fractionFig.4 co, CO, O2, H2 and H2O mole fraction andtemperature changing along distance from nozzle叫<5%~20%~24%4結(jié)論(C) H2 mole fnactio中國煤化工圖3氣化爐溫度、 CO和H;摩爾分?jǐn)?shù)等值線CHCNMHG立熱態(tài)模型，對Fig. 3 Contours of temperature, CO & H2某化肥廠Texaco 水煤漿氣化爐進(jìn)行了三維數(shù)值模mole fraction in gasifier擬。編制UDF函數(shù)建立了焦炭和O2. H2O、CO2，2374●化指第58卷以及H;的顆粒異相反應(yīng)模型。通過模型預(yù)測與工[9] Wu Yuxin (吳玉新)，Zhang Jiansheng (張建勝). Yu業(yè)數(shù)據(jù)的對比，證明該模型能夠真實反應(yīng)氣化爐內(nèi)Guangxi (岳光鍋)，La Junfu (目俊復(fù)). Numerial的物理特性，同時表明，工業(yè)爐內(nèi)的同相反應(yīng)基本simulation of the gas flow field from a triple channel coal-water surry gasifer porzle J. Tinghua Univ. Sei, &達(dá)到化學(xué)平衡。.Tech. (清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版)， 2006，, 46; 691-695References[10] Jones WP, Whitelaw J H. Calculation methods for reactingturbulent flows: a review. Comburtion and Flame, 1982.[1] Peter Ruprecht， Wolfgang Schifer Paul Wllce A48; 1-26computer model of entrained coal gasication. Fuel, 1988,[1]SmootLD, SmithP J. Coal Combustion and Gsifcation.67 <6)。 739-742New Yorks Pleum Press, 1985; 267-2982] LiZheng (李政)，Wang Tinio (出天驕). eal. Strdy[12] Wu Yuxin (吳瓦新)，Zhang Jiansheng (張建勝)，Yueof matheatical model for Texaco gasilier (I); Modeling,Guangxi (岳光摸)，L Junfu (目俊復(fù)). 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