第39卷第11期化學(xué)T程Vol. 39 No. 112011 年11月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Nov. 2011GSP氣化爐內(nèi)多相湍流反應(yīng)流動(dòng)模擬研究許建良'，劉海峰',王儉,黃斌”,馬銀劍”，楊紅波”，雍曉靜’(1.華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237;2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏銀川750411)摘要:采用渦耗散概念( EDC)模型,對(duì)某化工廠的GSP氣化爐內(nèi)多相反應(yīng)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。計(jì)算中采用Realizable k-e湍流模型對(duì)雷諾平均后的N-S方程進(jìn)行封閉;采用離散相隨機(jī)軌道模型來模擬氣化爐內(nèi)煤顆粒的彌散運(yùn)動(dòng);采用P1模型對(duì)燃燒的輻射傳熱進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果表明:氣化爐內(nèi)為強(qiáng)旋射流流場(chǎng)，顆粒在氣化爐頂部回流區(qū)壁面和中下部回流區(qū)富集;爐內(nèi)存在擴(kuò)展火焰,且火焰末端與壁面接觸;沿氣化爐從上到下,溫度先升高后降低;爐內(nèi)CO和H,體積分?jǐn)?shù)先減小后增大,而CO2和H20的體積分?jǐn)?shù)先增大后減小。關(guān)鍵詞:EDC模型;氣流床氣化爐;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):TQ 171. 6;0 358文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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氣流床氣化技術(shù)因具有氣化強(qiáng)度大、炭轉(zhuǎn)化率研究。高而廣泛地運(yùn)用于煤氣化領(lǐng)域。目前國內(nèi)運(yùn)用較為目前對(duì)爐內(nèi)氣化反應(yīng)過程模擬研究開展較廣泛的有Texaco氣化爐、Shell氣化爐和華東理T大多,根據(jù)對(duì)均相化學(xué)反應(yīng)的處理可分為簡化PDF學(xué)開發(fā)的多噴嘴對(duì)置撞擊流氣化爐。神華寧煤集團(tuán)模型(混合分?jǐn)?shù)模型)和EBU模型2類。如吳玉引進(jìn)了GSP氣化爐,用于制備烯烴,然而由于該氣新等“"采用簡化PDF模型對(duì)Texaco氣化爐進(jìn)行了化技術(shù)在世界首次工業(yè)化,在運(yùn)行過程中,出現(xiàn)因噴三維數(shù)值模擬研究,得到了爐內(nèi)的三維流場(chǎng)、溫度嘴與氣化爐匹配問題導(dǎo)致的局部區(qū)域耐火村里壽命場(chǎng)和組分濃度分布;周俊虎等[2]采用簡化PDF模短的問題。為了認(rèn)識(shí)該氣化爐內(nèi)反應(yīng)流動(dòng)特性,掌型對(duì)Shell氣化爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;Chen握爐內(nèi)流動(dòng)規(guī)律,對(duì)爐內(nèi)多相湍流反應(yīng)流動(dòng)開展等3$)采用簡化PDF模型對(duì)分級(jí)粉煤氣化爐進(jìn)行收稿日期:01105-18中國煤化工基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃(2007BAA08B01);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20906020)作者簡介:許建良(1981-),男,博士,講師.研究方向?yàn)闅饬鞔矚饣?，電? (021 )64253933 ,E.YHCNMH G .許建良等GSP 氣化爐內(nèi)多相湍流反應(yīng)流動(dòng)模擬研究●57●模擬研究,分析了氧煤質(zhì)量比、煤反應(yīng)活性、顆粒模擬顆粒表面的化學(xué)反應(yīng),化學(xué)反應(yīng)速率受擴(kuò)散直徑及規(guī)模放大等對(duì)氣化爐性能的影響。該方法與本征動(dòng)力學(xué)共同控制,對(duì)于反應(yīng),其表達(dá)式如式優(yōu)點(diǎn)在于將化學(xué)反應(yīng)過程減少為1個(gè)或2個(gè)守恒(2)所示:的混合分?jǐn)?shù),可以大幅提高計(jì)算速度與收斂性,然R..\~而該模型基于熱力學(xué)平衡原理,沒有考慮湍流及R.. =R.(p.-Do.,)2)混合過程。EBU 模型將均相反應(yīng)過程分為化學(xué)反式中:R..為顆粒表面焦炭的反應(yīng)消耗速率,應(yīng)過程和擴(kuò)散過程,計(jì)算中分別計(jì)算湍流擴(kuò)散速kg●m'/s;Rr,為本征動(dòng)力學(xué)速率,kg. m2/(Pa~●s),率和本征化學(xué)反應(yīng)速率,最后取二者中小的速率其表達(dá)式如式(3)所示;Do,為氣相反應(yīng)物的擴(kuò)散作為整個(gè)過程的控制速率。如Watanabe 等[0)采用速率,(kg. m')/(Pa.s) ,表達(dá)式如式(4)所示;p.EBU模型對(duì)分級(jí)粉煤氣化進(jìn)行了研究;Choi等'7]為參與化學(xué)反應(yīng)的氣相組分n的分壓,N為反應(yīng)采用EBU模型對(duì)KIER開發(fā)的水煤漿氣化爐進(jìn)行級(jí)數(shù)。了研究。本文在以上研究的基礎(chǔ)上,采用EDC模R, =A.[Be-(/eT,)(3)型來模擬爐內(nèi)均相化學(xué)反應(yīng)過程,建立完整的多D,=c[(T +T.)/2]a75(4)相湍流反應(yīng)流動(dòng)模型模擬GSP氣化爐內(nèi)的熱態(tài)d,過程。R,=m,A.2 R,(5)式中:C,為氣體擴(kuò)散控制常數(shù),對(duì)所有異相反應(yīng)物1數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法均取5x10-12g.K-.75 ;Tp為顆粒表面溫度，K;T。1.1氣固二相湍流模型GSP氣化爐的噴嘴為旋流結(jié)構(gòu),與氣化爐組合為為氣相溫度,K;R,為式(1)中的顆粒相化學(xué)反應(yīng)消同軸受限氣固二相旋射流流場(chǎng)。通過對(duì)冷態(tài)流場(chǎng)的耗量;β,為溫度指數(shù);R為氣體常數(shù);m,為顆粒質(zhì)計(jì)算比較，綜合考慮計(jì)算量與精度的關(guān)系,選用Rea-量;dp為顆粒直徑; Ap為顆粒表面積;A,和E,為顆lizable k-ε模型對(duì)雷諾平均后的N-S方程進(jìn)行封閉。粒氣化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)指前因子和活化能。對(duì)于氣流床氣化爐,爐內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)很小，因?qū)τ跉庀嗟幕瘜W(xué)反應(yīng)主要有2部分,- .是爐內(nèi)(3)氣相化學(xué)反應(yīng)此采用經(jīng)典的離散相隨機(jī)軌道模型對(duì)氣化爐內(nèi)煤漿合成氣的燃燒反應(yīng),二是氣體與水的變換反應(yīng), EDC顆粒進(jìn)行跟蹤。模型是由Magnussenl9] 于1981 年提出的,其基本思1.2 化學(xué)反應(yīng)模型在氣化爐內(nèi),顆粒相與氣相發(fā)生復(fù)雜的物理與想是氣相化學(xué)反應(yīng)由2個(gè)過程組成:--是湍流細(xì)微化學(xué)反應(yīng)過程,包括顆粒脫揮發(fā)分、焦炭燃燒及均相結(jié)構(gòu)附近大渦團(tuán)區(qū)域內(nèi),反應(yīng)物混合后才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的混合過程,二是湍流細(xì)微結(jié)構(gòu)中發(fā)生分子氣體的燃燒與置換反應(yīng)。接觸的化學(xué)反應(yīng)過程;其中混合所需的時(shí)間比化學(xué)(1)顆粒脫揮發(fā)分模型顆粒脫揮發(fā)分過程采用2步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型,其反應(yīng)時(shí)間長,因此受混合速率控制。湍流細(xì)微結(jié)構(gòu)尺度ξ°的定義為速率R,如式(1)所示:R, =m。(aB,ve-Ea/RTp +arB,2e-R&QKRT) (1)5"=c(管)(6)式中:m。為揮發(fā)分的質(zhì)量;Tp為顆粒溫度;R為氣體式中:Cq為結(jié)構(gòu)尺度常數(shù),取2.317;v為運(yùn)動(dòng)黏度;常數(shù);模型參數(shù)a =0.3,B,=2x10* ,E。=1. 406xh和ε分別為端動(dòng)能極其耗散率。模型中認(rèn)為反應(yīng)10* ;az=1,βa=1.3x10' ,E。=1.674x10*。揮發(fā)物在細(xì)微結(jié)構(gòu)中的停留時(shí)間尺度τ°為分產(chǎn)物由CH4, Co, CO2, H2,H2O,N2組成,具體體(7)積分?jǐn)?shù)按David煤裂解模型思想[8]，根據(jù)元素分析,r =C.(號(hào))用元素平衡方法進(jìn)行估算。式中:C,為時(shí)間尺度長度,取0. 408 2,其平均化學(xué)(2)顆粒表面反應(yīng)模型反應(yīng)速率R;可表示為氣化爐內(nèi),熱解后的半焦與02,CO2,H20和R,== e('")?"n(c;-c,)(8)H2發(fā)生非均相化學(xué)反應(yīng)。由于焦炭與H2的化學(xué)τ[1-(ξ°")盧]反應(yīng)速率相對(duì)較小，固本文只考慮焦炭與氧氣、式中 :p為反應(yīng)物中國煤化工物初始濃CO2和H20的非均相反應(yīng)。采用縮核反應(yīng)模型來度;c;為反應(yīng)時(shí)間MHCNMHG許建良等CSP 氣化爐內(nèi)多相湍流反應(yīng)流動(dòng)模擬研究●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)速度矢星圖(b)軸向速度分布(C)徑向速度分布o(jì)/(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)爐內(nèi)流線圖(1)湍流強(qiáng)度分布圈2氣化爐內(nèi)速度分布Fig.2 Gas velocity distribution in gasifer3.2氣化爐內(nèi)溫 度分布爐其他區(qū)域內(nèi),爐內(nèi)溫度存在先升高后降低的趨勢(shì)。氣化爐內(nèi)溫度分布與爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有關(guān),煤其中升高區(qū)域主要集中在射流初始階段,而在射流粉與氧氣進(jìn)入氣化爐后，顆粒相依次發(fā)生揮發(fā)分析火焰及其下方,流體溫度逐漸降低。出,焦炭與氧氣、水、二氧化碳等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)爐內(nèi)還進(jìn)行著均相化學(xué)反應(yīng)。由于均相化學(xué)反應(yīng)30E+0:(主要是燃燒反應(yīng))比顆粒非均相化學(xué)反應(yīng)速度大,2.17E+03 I小因此進(jìn)入氣化爐的氧氣主要與揮發(fā)分、合成氣發(fā)生2.04E+03化學(xué)反應(yīng),同時(shí)放出大量的熱。1.91E+03圖3給出了氣化爐內(nèi)的溫度分布,從圖中可以1.78E+03 |看出,在氣化爐出口附近存在明顯的低溫區(qū);在距離，1.6SE+03噴嘴出口1倍外徑處,發(fā)生氧氣與合成氣的燃燒反.1.52E+03應(yīng),溫度迅速上升。爐內(nèi)溫度分布的規(guī)律與流體速度分布規(guī)律基本耦合,在第I回流區(qū)內(nèi),由于存在大1.39E+03量的粉煤顆粒,而且該區(qū)域?yàn)樗绤^(qū)。- -方面,煤粉顆1.26E+03粒主要與二氧化碳和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),同時(shí)吸收大1.13E+03量的熱;另一方面,壁面水冷吸收大量熱,因此該區(qū)1.00E+03域溫度相對(duì)較低。在第I回流區(qū)內(nèi)，同樣由于回流Fig.3圖3中國煤化工死區(qū),在壁面熱損失的作用下,溫度較低。而在氣化:MYHCNMHG葛鑫等焙燒溫度對(duì)二氧化鈦催 化性能的影響. 65.[23]張術(shù)棟，徐成華,馮良榮,等Ti-B分子篩催化苯酚和[26] CALZADA M L, OLMO L D. Sol-gel processing by inor-碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯[J].精細(xì)化工,2005,22ganic route to obain a TiO2-Pb0 xerogel as ceramic pre(2)115-117.cursor[ J]. Joumal of Non-Crstalline Solids, 1990, 121[24] YUTA Y, KYOICHI 0, HIROMASA N, et al. Photoca(1/2/3):413-416.talytic degradation of trichloroethylene using N-doped[27] AMOR BS, BANDG, BESSE JP, et al. Structural andTiO2 prepared by a simple sol-gel process [J]. Researchoptical properties of sputtered Titania films[J]. Materialson Chemical Intermediates, 2009 ,35(1) :43-53.Science and Engineering: B, 1997 ,47(2):110-118.[25] KUMAR M P, BADRINARAYANAN s, SASTRY M. Nano-[28] CASTANEDA L, ALONSOJ C, ORTIZ A, et al. Sprayersalline TO2 studies by optical, FTR and X ray pholoe-pyrolysis deposition and characterization of tianium oxidelectron spectroscopy: correlation to presence of surfacethin films[ J]. Materials Chemistry and Physics, 2003,states [J]. Thin Solid Films, 2000,358(1/2) :122-130.77(3) :938-944. .[上接第50頁]參考文獻(xiàn):[5] PITZER K s. Thermodynamics of electrolytes[J]. J Phys[1] 黃雪莉.K* ,Na* //CI ,SO2 ,NO, -H20體系熱力學(xué)Chem, 1973,77(2) :268-277.研究[J].化學(xué)工程,2004 ,32(3) :67-70.[6] HARNED H s, ROBINON R A. Mulicomponent eletr2] 王琴萍,張春麗，周麗華,等.果糖-水混合搟液中多組lyte solutions: Chapter 5[M]. New York: Pergamon分電解質(zhì)熱力學(xué)[J] . 物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2004,20(8): .Press, 1968.831-836[3]周麗華,錢保華,許乃祥,等.水乙二醇混合溶液中多[7] WANG Qinping, L0 Dianzhen, SUN Xueli, et al. Ther-modynamic properties of multicomponent electrolyte solu-組分電解質(zhì)熱力學(xué)[J].化學(xué)研究與應(yīng)用學(xué)報(bào), 2010,tions in mixed solvents { HC1 + NaC-ert-C,H2OH +22(11):1396-1400.[4] PITZER K s. Activity coffrcients in electrolyte solutionsH20} at (278. 15 to318.15) K [J]. J Chem Themmo-[M].2nd ed. Boca Raton: CRC, 1991 :75-154.dyn, 2004 ,36(3):167-172.[上接第60頁]5] CHEN Caixia, HORIO Masayuki, KOJIMA Roshinori.[1] 吳玉新,張建勝，王明敏,等簡化PDF模型對(duì)GE氣化爐Use of numerical modeling in the design and scale-up of的=維數(shù)值模擬[].化工學(xué)報(bào)2007,58(9) :2369 2374.entrained Alow coal gasifier[J]. Fuel, 2001 , 80( 10):[2] 周俊虎,匡建平,周志軍,等.粉煤氣化爐冷態(tài)和熱態(tài)1513-1523.流場(chǎng)分布特性的數(shù)值模擬[J].中國機(jī)電工程學(xué)報(bào),6] WATANABE H, OTAKA M. Numerical simulation of2007 ,27(20) :30-35.coal gasification in entrained flow coal gasifier[J]. Fuel,[3] CHEN Caixia, HORIO Mayayoki, KOJIMA Toshinori.2006 ,85( 12/13) :1935-1943.7] CHOI YC, uX Y, PARK TJ, et al. Numerical studyI : modeling of coal gasification in an entrained flow gas-on the coal gasification characteristics in an entrainedifer [J]. Chemical Engineering Science, 2005<(18):blow coal gasifier[J]. Fuel, 2001 ,80( 15) :2193-2201.3861 -3874.[8] DAVID M. Mathematical models of the thermal decompo-4] CHEN Caixia, HORIO Mayayoki, KOJIMA Toshinori.sition of coal[J]. Fuel, 1983 ,62 :534-539.Numerical simulation of entrained flow coal gasifiers. Par9] MAGNUSSEN F B. On the structure of turbulence and aI: elcct of operating conditions on gasifer performancegeneralized eddy dissipation concept for chemical reaction[J]. Chemical Engineering Science, 2000, 55 (18):in turbulent flow[C] // 19th AIAA Meeting. Sl. Louis:3875-3883.AIAA, 1981.中國煤化工MYHCNMHG