氣流床氣化爐數值模擬中化學反應模型的對比

楊晉芳 于清航

（煤炭科學研究技術研究院有限公司節能工程技術研究分院，北京 100013）

1 化學反應模型的介紹

Fluent中的反應模型主要分為三種，一種為快速反應模型，包括渦耗散模型、預混燃燒模型、非預混燃燒平衡模型、部分預混模型；另外一種為有限速率模型，包括層流有限速度模型、渦耗散概念模型、概率密度輸運燃燒模型和層流小火焰模型（穩態/非穩態）。最后為其它一些模型，包括離散相模型、污染物形成模型和表面反應。如果流動為層流，則可直接選擇層流有限速率模型，如果流動為湍流，則需進一步考察[1]。

氣化爐內流動屬于湍流，對于燃料和氧化劑通過多股射流，以非預混的形式送入爐內，可以考慮選擇有限速率/渦耗散模型、非預混模型、渦耗散概念模型和PDF組分輸運模型。文中將有限速率/渦耗散模型與渦耗散概念模型進行對比。

2 模擬對象

本文數值模擬的對象為氣化爐三維空間，模型及計算網格如圖1所示。

圖1 模型及計算網格

3 模擬結果與分析

3.1 速度場的對比

爐內存在流體力學各異的三個區，即射流區、回流區和管流區。在噴嘴附近為射流區。在射流噴出的周圍空間內形成回流區。射流衰減到一定程度，則形成管流區，一直延伸到爐膛出口。圖2中左圖為使用渦耗散概念模型模擬的速度場，可以看出左圖流場均勻，射流區內速度從上到下逐漸減小，射流的寬度也逐漸增大；回流區中速度在爐體中間最大；管流區中，由于受縮口的影響，速度有所增加。右圖為有限速率/渦耗散模型模擬的速度場，速度場向右偏移，流場不對稱，而且也看不出爐內的三區分布。

圖2 軸向速度分布

圖3 氣化爐內氣體溫度分布

3.2 溫度場的對比

氣化爐的溫度分布如圖3所示。左圖為使用渦耗散概念模型模擬的溫度場，從圖中可以看出，氣化爐內存在明顯的火焰結構。噴嘴出口附近存在一個高溫區，射流區溫度比回流區內溫度高，高溫區延伸至回流區底部。從上到下，爐體整體溫度先升高后降低。右圖為有限速率/渦耗散模型模擬的溫度場，可以看出，整體溫度場看不出明顯的火焰結構，下部高溫區向左偏移，出現不規則高溫區。

3.3 出口氣體對比

表1 中所示為兩種模型模擬的氣化爐內主要氣體的體積分數與文獻值[2]的對比。

表1 模擬值與文獻值的比較

從表中可以看出，渦耗散概念模型模擬的結果與文獻值相近，而有限速率/渦耗散模型模擬結果與文獻值相差較大，模擬效果不理想。

4 結語

從速度場、溫度場以及出口氣體成分的對比來看，渦耗散概念模型在氣流床氣化爐的模擬上較有限速率/渦耗散模型更為可靠。

[1]李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰[M].人民郵電出版社，2011，138-140.

[2]張宗飛，湯連英，呂慶元，等.基于Aspen Plus的粉煤氣化模擬[J].化肥設計，2008，46(3)：14-18.