第28卷第26期中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)Vol.28 No.26 Sep. 15, 20082008年9月15日Proccedings of the CSEE02008 Chin.Soc.for Elec.Eng.29 _文章編號: 0258-8013 (2008) 26-0029-06中圖分類號: TQ 54文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A學(xué)科分類號: 470-20采用簡化PDF模型分析分級氣流床氣化爐的氣化特性吳玉新，張建勝，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)100084)Analysis of the Gasification Performance of a Staged EntrainedFlow Gaifier by Presumed PDF ModelWU Yu-xin, ZHANG Jian sheng, YUE Guang-xi, LU Jun-fu(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Minsiry of Education, Tsinghua Universit,Haidian District, Beijing 100084, China)ABSTRACT: In order to study the character of the flow fieldphased model, DPM) 和隨機(jī)軌道模型(stochastic trackingand the gsification performance of staged gasificationmethod, STM)分 別模擬顆粒氣化過程和考察顆粒受湍流脈technology, numerical simulation for a staged entrained flow動的影響;計(jì)算根據(jù)簡化PDF模型建立燃燒表以建立溫度、coal gasifier located in Shanxi province was conducted based組分等標(biāo)量同混合分?jǐn)?shù)間的關(guān)系并由此計(jì)算|同相氣化反應(yīng)on Fluent. Body ftted hexahedron mesh was uscd to minimize過程。除此之外，還引入用戶自定義函數(shù)改進(jìn)了焦炭異相反the numerical diffusion due to mesh quality. Realizable k-ε應(yīng)模型。通過對分級氣化爐流場特性和溫度等值面特征的分model was adopted to make a closure for turbulence equations.析,發(fā)現(xiàn)分級化爐中由于二次對沖給氧射流的引入，造成dispersed phase model (DPM) and stochastic tracking mecthod了二次卷吸效應(yīng)以及沖擊射流效應(yīng)，加強(qiáng)了爐內(nèi)混合過程，(STM) were used to describe the coal particle gasification有利于碳轉(zhuǎn)化率的進(jìn)一-步提高。process and to predict the turbulent disturbance effects on關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬;分級氣流床氣化爐:簡化PDF模型particle motion. A combustion table was built by presumedPDF model to describe the relaionship between mixture0引言fraction and the scalars of temperature, species, et al. InGE氣化工藝(原德士古氣化工藝)采用下噴式addition User Defined Functions was used to modify the單噴嘴水煤漿氣化技術(shù)，具有進(jìn)料簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，heterogencous char gasification reaction model in Fluent. The碳轉(zhuǎn)化率較高等優(yōu)點(diǎn)，也是目前氣流床煤氣化爐中analysis of the flow field and the contours of temperature of thestaged entrained flow coal gasifer show that the engulfment最成熟的技術(shù)"。在該工藝中，由于氣化噴嘴長期and the counter flow aroused by the secondary injection處于高溫高壓環(huán)境下，加之回流氣體的沖刷，噴嘴strengthen the mixing process in the staged gasifier. This had a壽命往往很短。另一方面，工業(yè)實(shí)際運(yùn)行過程中由positive effect on the improvement of coal conversion rate.于工況、煤質(zhì)變化、煤漿流動不暢等原因會使氧煤KEY WORDS: numerical simulation; staged entrained flow比瞬間升高，從而造成近噴嘴區(qū)域溫度過高、火焰黑區(qū)變短，這也是導(dǎo)致噴嘴燒損的重要因素1。月前coal gasifer; assumed PDF model摘要:為詳細(xì)研究分級氣化技術(shù)的流場特點(diǎn)及氣化性能，采工業(yè)運(yùn)行的GE氣化爐噴嘴壽命-般為 2個(gè)月左右，用Fluent 軟件對山西某分級氣化爐進(jìn)行:維數(shù)值模擬。計(jì)是造成GE氣化爐被迫停爐的主要原因之一1351。為算采用貼體六面體網(wǎng)格劃分計(jì)算域以降低數(shù)值擴(kuò)散，采用保護(hù)氣化噴嘴，延長單爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，如何在降Realizable k- e模型封閉湍流方程，應(yīng)用離散相模型(dispersed低噴嘴附近區(qū)域溫度的同時(shí)保證爐內(nèi)整體氣化性能是關(guān)鍵問題之一。為此，清華大學(xué)提出非熔渣_熔渣基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目)2004CB分級氣化技術(shù)，并在山西某集團(tuán)得到工業(yè)應(yīng)用。217705)。實(shí)驗(yàn) 室熱態(tài)實(shí)驗(yàn)(0]和利用小室模型對分級氣化The National Basic Research Program of China (973 Program)(2004CB217705).技術(shù)的模擬結(jié)果均表明”,采用分級氣化技術(shù)能夠30中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第28卷有效降低主噴嘴附近區(qū)域的氣化溫度，二次給氧加(2)將煤漿看作燃料流股，02 和CO2混合氣入后氣化溫度迅速升高，保證了焦炭氣化反應(yīng)迅速體看作氧化劑流股，以便采用單組分簡化PDF模型。進(jìn)行，分級式氣化爐碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率均高于(3)氣化爐內(nèi)任-點(diǎn)在任何時(shí)刻都保持化學(xué)GE氣化爐的設(shè)計(jì)值。這些優(yōu)點(diǎn)已在示范工程運(yùn)行平衡，只是受到湍流影響而偏離平衡狀態(tài)，這一影結(jié)果中得到驗(yàn)證圖。為進(jìn)一步掌握分級氣化爐流場響可采用βPDF函數(shù)來表示。特性以及爐內(nèi)各組分、溫度的分布，進(jìn)而深入研究(4)由于微量元素氣體不是該模型的主要考其氣化機(jī)理，需要進(jìn)行更細(xì)致的數(shù)值建模研究。本慮指標(biāo)，為簡化起見，不考慮S元素在反應(yīng)平衡中文采用簡化PDF模型對山西某分級氣化爐進(jìn)行三的作用，將s元素的組分并入N元素，認(rèn)為N元維數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果同某GE氣化爐的數(shù)值素只生成N2;并假定揮發(fā)分主要由CH、CO、N2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，通過對2種爐型下流場特點(diǎn)和和H2組成。.溫度、組分分布特性的比較，討論了分級氣化爐的(5)假定水煤漿被充分霧化，水煤漿滴的粒運(yùn)行特點(diǎn)。徑分布和煤粒的粒徑分布規(guī)律-致， 充分霧化后的煤漿粒度分為30、60、110和175um四檔，質(zhì)量分1研究對象及 模型假設(shè)數(shù)分別為45%、25%、25%和5%。該分級氣化爐操作壓力為4.0 MPa,煤氣化爐(6)假定煤漿氣化過程按如下理想狀態(tài)進(jìn)行，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。氣化劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)占85%的即依次發(fā)生水分蒸發(fā)、熱解及焦炭燃燒與氣化反應(yīng)。O2和15%的CO2,主噴嘴通入部分O2和所有CO2,(7)忽略湍流脈動對焦炭異相反應(yīng)的影響，將剩余O2從距爐體頂部約1/3處的2個(gè)對沖噴嘴引計(jì)算焦炭異相反應(yīng)速率時(shí)，反應(yīng)物和生成物濃度可入。氣化用煤為神府煤，水煤漿濃度為59.1%，氧-按時(shí)均值計(jì)算。煤比為0.930(氧-碳元素質(zhì)量比為1.25), 煤的工業(yè)根據(jù)以上:假定,便可基于簡化PDF模型建立完分析及元素分析如表1所示。整的熱態(tài)模型。0/CO,水煤漿2數(shù)學(xué)建模及計(jì)算步驟2.1基本模型描述非熔消段基于簡化PDF方法建立的三維數(shù)值模型已在02--O2對GE氣化爐的數(shù)值模擬中得到應(yīng)用191，這里僅熔渣段對模型作簡要介紹，詳細(xì)的模型請參閱文獻(xiàn)[10]。根據(jù)對不同湍流模型在模擬氣流床煤氣化爐冷態(tài)流場計(jì)算結(jié)果的比較[9，本文選用Realizablek-e模型來封閉湍流方程2。根據(jù)假設(shè)(2)、(3)和圖1分級氣流床煤氣化爐結(jié)構(gòu)簡圍Fig. 1 Sketch of a staged entrained flow coal gasifer(4),采用單組分簡化PDF模型計(jì)算湍流對同相氣表1水煤漿原料煤的工業(yè)分析和元素分析(干燥基)化反應(yīng)過程的影響，并采用函數(shù)米計(jì)算不同混合Tab.1 Proximate and ultimate analysis of分?jǐn)?shù)下各標(biāo)量的時(shí)均值。盡管氣化爐內(nèi)溫度很高，the coal for slurry (as dry base)但-方面由于整個(gè)爐體溫度比較均勻，壁面可近似工業(yè)分析看作絕熱條件，另-方面爐內(nèi)氣體CO2和H2O占揮發(fā)分1%固定碳/%灰分1%高位發(fā)熱量(MU/kg)很大比重，因此選用較簡單的P1模型米計(jì)算爐內(nèi)33.39S7.976.7426.163輻射傳熱。元素分析1%氧氮根據(jù)假設(shè)(5)， 可采用離散相模型(DPM)描述74.394.3613.080.9251煤焦顆粒的氣化過程，并采用隨機(jī)軌道模型(SPM)為便于建立計(jì)算穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，本文采用如來追蹤顆粒的運(yùn)動并同時(shí)考慮湍流脈動對焦炭運(yùn)下簡化和假設(shè):動的影響。受計(jì)算量的限制，每次離散相計(jì)算約追(1)穩(wěn)態(tài)假設(shè):入口的氧氣和煤漿給入量不蹤1 200條顆粒軌跡，這一數(shù)目既保證了計(jì)算結(jié)果隨時(shí)間而變化。實(shí)際工業(yè)運(yùn)行中，在某-不長的時(shí)的準(zhǔn)確，也節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。段能夠保證該假設(shè)的成立。由于單組分簡化PDF模型中,并不關(guān)心煤漿顆第26期吳玉新等:采用簡化 PDF模型分析分級氣流床氣化爐的氣化特性31粒釋放各組分的量，而僅關(guān)心煤漿在每一-時(shí)刻的失致的單位時(shí)間消耗量為重量，故對煤漿顆粒的水分然發(fā)、熱解以及異相反m= Sm,RS(5)應(yīng)過程的建模過程的精度要求不高。本文煤漿脫揮式中: in 為焦炭顆粒的單位時(shí)間消耗量，kg/s; m發(fā)分過程采用單步模型，如式(1)所示:為焦炭顆粒質(zhì)量，kg; s為焦炭顆粒的比表面積，dnErdl=-Aexp(- RXm, -mp)(1)mfkg.2.2 網(wǎng)格、邊界條件及計(jì)算步驟式中: m,和mp分別為顆粒質(zhì)量和顆粒中除揮發(fā)計(jì)算采用以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主的貼體六面體網(wǎng)格，分以外物質(zhì)的質(zhì)量，kg: 1 為時(shí)間，s: Tp 為顆粒以減小數(shù)值計(jì)算中因網(wǎng)格因素而造成的數(shù)值擴(kuò)溫度，K; A.和Ev分別為單步脫揮發(fā)分速率的指散19，計(jì)算域?yàn)?2爐體，網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)前因子和活化能，其值分別為32 0005~和3.58x定分別如圖2和圖3所示。圖2為爐體計(jì)算域的網(wǎng)10* kJ/kmol"5l.格劃分及邊界條件設(shè)定，在主噴嘴及二次噴嘴附近煤顆粒完成熱解過程后，粒徑會發(fā)生膨脹，由劃分網(wǎng)格尺寸較小的六面體貼體網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離火焰于這一過程會促使焦炭表面積發(fā)生變化，從而影響區(qū)的地方建立交界面，并采用插值方法對交界面處到后繼的氣化模型，因此需要考慮焦炭的膨脹率，傳輸量進(jìn)行求解?？紤]到高速射流及氧氣的帶壓噴本文中神府煤的膨脹率為1.0814.射，且氧氣入口處存在變截面幾何體，對中心氧和加壓條件下，假定焦炭異相反應(yīng)同時(shí)受外擴(kuò)散外環(huán)氧入口處采用質(zhì)量入口邊界條件,如圖3所示。和本征反應(yīng)共同控制，可用式(2)計(jì)算焦炭顆粒同某計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)約為18萬基本保證了網(wǎng)格質(zhì)量種氣體i的異相反應(yīng)速率5):和網(wǎng)格獨(dú)立性。.Rs.Rk(2計(jì)算過程采用分步漸進(jìn)的方法，首先計(jì)算冷態(tài)Rs+Rx流場，待基本收斂后(約1 100步)再加入顆粒相計(jì)算式中: R為單位表面積的焦炭顆粒與i種氣體的反熱態(tài)流場。計(jì)算時(shí)依次采用一-階迎風(fēng)格式和二階迎應(yīng)速率,kg/(m-s); Rid為擴(kuò)散控制的速率,kg/(m*.s);R為本征控制速率，kg(m's).二次給氧模型采用壓力n次方經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)入壓力對焦交界面炭異相反應(yīng)的影響，見式(3)和式(4):周期面(3)d。熱流邊界R.x=Aexp(-E-)(P/10)(4)RT,式中: C為i氣體擴(kuò)散控制常數(shù)，假定各氣化反應(yīng)擴(kuò)散控制常數(shù)均為5x10~13 s/KR.7%; T。為氣休溫度,圖2分級氣化爐計(jì)算域及六面體網(wǎng)格K: d,為顆粒粒徑，m; A;和E,分別為焦炭同i氣Fng.2 Calculation domain of the staged gasifer體本征反應(yīng)的指前因f和活化能，R為氣體常數(shù)，composed of hexahedral mesh8.314kJ/kmol; P,為氣體i的分壓，Pa; n為反應(yīng)級數(shù)。焦炭同O2、CO2、H20和H2反應(yīng)的活化能和指前因子，以及壓力影響因子n的值如表2所示6181。根據(jù)以上模型，焦炭顆粒同各種氣體反應(yīng)而導(dǎo)外環(huán):質(zhì)量入表2式(3)和式(4)中的常數(shù)內(nèi)環(huán):壁面條件Tab.2 Constants of Eq.(3)J&Eq-(4)“中心環(huán):質(zhì)量入口C+O,二 C+CO3 C+HO 一CtHbAl/kg/m'sPa*))267 2.1x10361.62團(tuán)3氣化爐噴嘴網(wǎng)格劃分及邊界條件FJAkmo)1.3xI0 26x10 1.54x104 1.5xI0Fig3 Meshing and boundary defrnition o0.650.the gasifer nozzle第26期吳玉新等:采用簡化 PDF模型分析分級氣流床氣化爐的氣化特性33區(qū)，降低了噴嘴附近的溫度，明顯改變了爐內(nèi)溫度些。與此同時(shí)，由于對沖面上在二次給氧截面下游的分布特征。的區(qū)域同樣存在大量的高溫氣體，這使得對沖面上對比圖4(b)和圖4(c)可見，二次火焰對沖面上的高溫區(qū)范圍也要大一些。，的高溫區(qū)范圍比二次火焰截面上的高溫區(qū)范圍要為進(jìn)一步說明二次射流的卷吸作用以及對沖大一些，穹頂處的溫度也要高- -些。 造成這一差異火焰對分級氣化爐流場造成的影響，圖6比較了在的原因是二次給氧在氣化爐主軸處相匯發(fā)生碰撞GE氣化爐和分級氣化爐2種運(yùn)行方式下，對沖面后，加強(qiáng)了高溫氣體在對沖面上的徑向擴(kuò)散過程。上在二次噴嘴高度處徑向速度分布的比較。明顯可這一過程可根據(jù)圖5不同截面上的速度矢量分布來見在加入二次射流后，該高度處的徑向速度大大增進(jìn)行說明。在二次射流截面上，二次射流對周圍氣加，從而形成強(qiáng)烈的擴(kuò)散。體形成-一定卷吸效應(yīng)，另一方面，二次射流的根部和末梢又分別受到氣化爐壁面回流流動和主射流火焰卷吸作用的共同影響。這三方面因素共同作用E4的效果是:二次射流火焰自身由于受到主射流火焰的卷吸作用以及氣化爐主回流區(qū)的影響而略微向上游偏斜:另一方面，二次火焰周圍的氣體由于同-段爐時(shí)受主射流火焰和二次火焰射流的卷吸作用，在二-0.8-0.40.00.40.次火焰左側(cè)區(qū)域和右側(cè)區(qū)域分別形成了2個(gè)逆時(shí)針距中心線距高/m方向的渦，如圖5(a)所示。相應(yīng)地，壁面回流的形圖6 Texaco 氣化爐和分級氣化爐在二次噴嘴高度成使?fàn)t體下游溫度較低的氣體被卷吸至二次射流處對沖面上的徑向速度分布比較區(qū)，并和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成高溫氣體，再進(jìn)入主射Fig.6 Comparison of radial velocity profle in the counter流區(qū)，從而在二次火焰交匯處形成較為明顯的高溫flow section at the height of secondary jet in a Texacogasifer and a staged gasifier區(qū)，并呈現(xiàn)如圖4(b)所示的溫度特征。在與二次射圖7為氣化爐內(nèi)軸向速度為0 m/s的等值面，流相乘直的對沖面上,二次射流的相匯和對沖加劇通過該等值面可形象地看出二次射流對氣化爐局了該平面上氣流向壁面的徑向擴(kuò)散作用，因此使回部區(qū)域氣流的卷吸作用，以及二次射流對沖面上氣流區(qū)的區(qū)域縮小,如圖5(b)所示。由于回流區(qū)縮小，流向氣化爐徑向擴(kuò)展的效果。由此可見，二次射流且二次射流對沖的氣休溫度較高，這部分氣體更多的引入，對氣化爐內(nèi)局部流場的改變是比較大的，地進(jìn)入穹頂區(qū)域，從而導(dǎo)致對沖面上穹頂區(qū)域的溫?zé)o論是在射流縱切面還是在與射流縱切面相垂直度比二次射流截面上穹項(xiàng)區(qū)域的溫度稍微高一的對沖切面上，局部混合過程都得到加強(qiáng)，這同冷態(tài)測試得到的結(jié)論相-致[21。 混合作用的增強(qiáng)對氣化過程是有利的，因此盡管相對GE氣化爐來說，該分級式氣化爐爐內(nèi)溫度并不算高，但碳轉(zhuǎn)化率反而要高一些8。向) .次治氧截血(b)二次火焰對沖面圖7分級氣化爐中軸向速度為0 m/s的等值面圖5不同截面上的速度矢量Fig. 7 Iso-surface of 0 m/s of axialFig 5 Distribution of velocity vector in dfftrent setionsvelocity in the staged gasifier中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第28卷4結(jié)論(in Chinese).u吳玉新，張建勝，岳光溪，等.用簡化PDF模型對Texco氣化爐基于簡化PDF模型對山西某非熔渣-熔渣分級運(yùn)行特性的分析UI.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007, 27(32): 57-62.氣流床煤氣化爐進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。通過對該分Wu Yuxin, Zhang Jiansheng, Yue Guangxi, et al. 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