粉煤氣化爐內(nèi)多相湍流反應(yīng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化

桑 磊， 樊建江， 李 平， 范 輝， 冉曉文

(寧夏大學(xué) 省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 化學(xué)化工學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

自19世紀(jì)中葉開發(fā)煤氣發(fā)生爐至今，氣化技術(shù)已有150余年的歷史。而氣流床氣化技術(shù)因其氣化溫度與壓力高、負(fù)荷大、煤種適應(yīng)范圍廣，是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流[1]。國內(nèi)外使用較多、發(fā)展較為成熟的有以干煤粉為原料的Shell氣化技術(shù)、Prenflo氣化技術(shù)、GSP氣化技術(shù)、TPRI兩段氣化爐技術(shù)和以水煤漿為原料的GE(Texaco)氣化技術(shù)、四噴嘴對(duì)置技術(shù)。

通過實(shí)際氣化爐實(shí)驗(yàn)來研究其內(nèi)部流場(chǎng)、顆粒運(yùn)動(dòng)等規(guī)律條件復(fù)雜且耗費(fèi)較大，而計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)以其成本低、方便獲得流場(chǎng)信息等特質(zhì)，近年已被學(xué)者們用于對(duì)多種氣化爐的研究。吳玉新等[2]采用簡(jiǎn)化PDF模型對(duì)Texaco氣化爐進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)的分布情況。Choi等[3]采用未反應(yīng)縮核模型和EBU模型對(duì)KIER實(shí)驗(yàn)室水煤漿氣化爐建立全面的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，得到了較優(yōu)的操作參數(shù)及爐內(nèi)流場(chǎng)情況。Wantanabe等[4]采用EBU模型對(duì)CRIEPI兩段氣化爐進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并分析了氧/煤質(zhì)量比對(duì)碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率和煤氣熱值的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。許建良等[5]對(duì)GSP氣化爐內(nèi)多相湍流反應(yīng)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究，以EDC模型和隨機(jī)軌道模型分別對(duì)湍流反應(yīng)和煤粉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，得到了氣化爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和H2，CO，CO2各組分濃度場(chǎng)。劉臻等[6]以二維BYU實(shí)驗(yàn)氣化爐為模擬對(duì)象，分別以EDM、PDF、EDC 3種湍流反應(yīng)模型研究爐內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和碳轉(zhuǎn)化率分布，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出EDC模型預(yù)測(cè)結(jié)果更優(yōu)。孫鐘華[7]以石油焦為原料，使用多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐對(duì)石油焦氣化性能做了模擬研究，對(duì)氣化反應(yīng)以冪函數(shù)模型將本征反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)外延到高溫、高壓工業(yè)氣流床氣化爐工況，得出增加氧/碳質(zhì)量比有利于碳轉(zhuǎn)化率的提高，利用催化效應(yīng)能提高氣化性能，顯著降低原料消耗。

針對(duì)寧夏寧東能源化工基地現(xiàn)用氣化技術(shù)及煤種煤質(zhì)因素[8]，以寧東礦區(qū)羊場(chǎng)灣(YCW)煤為模擬用煤，某企業(yè)2000 t/d GSP氣化爐為模擬對(duì)象，在課題組成員前期研究[9-10]基礎(chǔ)上，采用更嚴(yán)密的EDC(渦耗散概念)模型對(duì)氣化過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，且針對(duì)GSP氣化爐旋流入射與爐型適應(yīng)性研究較少情況[5,9-11]進(jìn)行了詳細(xì)分析，并考察了氣化操作壓力、煤/氧質(zhì)量比等參數(shù)對(duì)氣化反應(yīng)的影響。

1 計(jì)算對(duì)象及工況

GSP氣化爐采用單噴嘴頂部進(jìn)料方式，以干粉煤為原料，采用激冷流程[12]，由組合式噴嘴、氣化室和冷激室組成，相對(duì)于Texaco氣化爐耐火磚襯里，GSP爐內(nèi)襯采用盤管式水冷壁結(jié)構(gòu)，保證氣化室內(nèi)溫度。組合式噴嘴由點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴組成[13]，采用三通道(燃料氣、氣化劑和粉煤載氣)雙旋流形式，與爐體組成同軸受限射流場(chǎng)，燃料氣由中心通道進(jìn)入氣化爐爐體，氣化劑經(jīng)過內(nèi)環(huán)旋流葉片加旋后形成強(qiáng)旋流場(chǎng)，CO2作為載氣攜帶煤粉經(jīng)過3根螺旋管與強(qiáng)旋的氣化劑在噴嘴出口處形成強(qiáng)烈的旋流場(chǎng)，從而達(dá)到氣化劑與粉煤的充分混合[11]，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣化爐噴嘴示意圖Fig.1 Schematic diagram of gasifier nozzle

氣化用羊場(chǎng)灣煤(YCW)，煤質(zhì)分析見表1。氣化爐模擬條件如下：粉煤進(jìn)料83300 kg/h；氧氣 43000 Nm3/h，溫度150℃；水蒸氣3000 kg/h，溫度350℃；載氣(CO2)10000 Nm3/h，溫度75℃。

2 數(shù)學(xué)模型

粉煤氣化過程涉及復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化，包括粉煤的熱解脫揮發(fā)分、揮發(fā)分及焦炭的燃燒、焦炭與氣化劑非均相反應(yīng)和氣相組分均相反應(yīng)等過程。脫揮發(fā)分采用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型，輻射采用P1模型，非均相反應(yīng)采用多表面反應(yīng)模型，均相反應(yīng)采用EDC(渦耗散概念)燃燒反應(yīng)模型，模型見文獻(xiàn)[5]。模擬過程針對(duì)爐內(nèi)復(fù)雜的湍流和混合過程，采用如表2所列主要反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)已列出，其中，A為指前因子；Ea為活化能(J/kmol)；β為溫度指數(shù)。

表1 羊場(chǎng)灣(YCW)煤煤質(zhì)分析Table 1 Properties of YCW coal

M—Moisture; A—Ash; V—Volatile; FC—Fixed carbon; C—Carbon element; H—Hydrogen element; O—Oxygen element; N—Nitrogen element; St—Total sulfur element;Qnet—Net calorific value

表2 主要反應(yīng)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)[14]Table 2 Main reactions and kinetic parameters[14]

3 模型的建立

3.1 模型與網(wǎng)格

氣化爐氣化室尺寸如圖2所示。AB為爐體中心線，根據(jù)模型的對(duì)稱性，取1/4為計(jì)算域，對(duì)稱面設(shè)為周期面，其余壁面條件設(shè)為靜止壁面，氣化劑H2O(g)/O2通道設(shè)置旋流入射條件使粉煤旋流彌散。取氣化爐噴嘴入口端面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，氣化室高度h以z軸正向?yàn)檎?/p>

圖2 氣化爐氣化室模型尺寸Fig.2 Size of gasification chamber in the gasifier

利用ICEM CFD軟件將幾何模型網(wǎng)格化，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)氣化室中心區(qū)及上半段進(jìn)行網(wǎng)格加密，共計(jì)213576個(gè)單元，如圖3所示。

圖3 氣化室?guī)缀文Ｐ图熬W(wǎng)格劃分Fig.3 Model and grid of gasification chamber(a) One quartet of geometry; (b) One quartet of grid

3.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

計(jì)算過程采用分離式壓力-速度耦合算法，使用Realizablek-ε湍流模型，壓力求解用PRESTO!空間離散格式，組分和能量方程皆采用二階迎風(fēng)格式，要求能量殘差小于1×10-5，質(zhì)量殘差小于1×10-3，動(dòng)量殘差小于1×10-4。氣化爐出口處采用面積積分方法(Surface integrals)，并通過鏡像獲得氣化爐整個(gè)出口面組分和溫度數(shù)據(jù)，見表3。模擬數(shù)據(jù)與工廠實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相符，模型選用合理。

表3 模擬結(jié)果與工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Contrast of the simulation results and industrial data

n—Mole fraction

4 工藝參數(shù)的優(yōu)化

4.1 旋流數(shù)

氣化噴嘴的旋流強(qiáng)度用旋流數(shù)S表示。李偉鋒等[15]根據(jù)現(xiàn)有的研究成果推導(dǎo)得出了旋流數(shù)的計(jì)算公式，李柏賢等[16]直接以氣化劑入口的切向分量和軸向分量之比得到旋流數(shù)S，并忽略徑向分量。采用后者的方法定義旋流數(shù)，取旋流數(shù)S為1.10、1.15、1.20、1.25、1.30等 5種情況進(jìn)行模擬分析。

4.1.1 最佳旋流數(shù)

不同旋流數(shù)入射時(shí)爐內(nèi)溫度分布如圖4所示，沿氣化爐高度方向(AB方向)，溫度變化趨勢(shì)一致，由噴嘴出口到燃燒中心區(qū)域快速升高，而后逐步降低至氣化室出口溫度；隨著旋流數(shù)的增加，噴嘴出口端面(A點(diǎn)所在平面)溫度逐漸增加，由455 K到607 K，可見旋流數(shù)增加使燃燒中心區(qū)位置上移，進(jìn)而致使出口溫度逐漸下降。不同旋流數(shù)入射時(shí)，出口煤氣中CO和H2摩爾分?jǐn)?shù)變化如圖5所示，由圖5可見，該結(jié)構(gòu)尺寸爐型在旋流數(shù)為1.20時(shí)合成氣(CO+H2)摩爾分?jǐn)?shù)最高為91.3%。綜合來看，當(dāng)旋流數(shù)S為1.20時(shí)更有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖4 不同旋流數(shù)(S)下溫度沿氣化爐高度變化Fig.4 Axial temperature profile with different S

圖5 不同旋流數(shù)(S)下合成氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.5 Mole fraction of synthesis gas with different S

4.1.2 氣化爐內(nèi)流場(chǎng)分析

旋流數(shù)S=1.20時(shí)的爐內(nèi)流場(chǎng)如圖6所示。由于旋流入射進(jìn)入圓筒形氣化爐，圓筒壁面的約束使氣流做螺旋形運(yùn)動(dòng)，明顯存在4個(gè)區(qū)域：Ⅰ(外回流區(qū))、Ⅱ(旋轉(zhuǎn)射流區(qū))、Ⅲ(內(nèi)回流區(qū))和Ⅳ(管流區(qū))。粉煤進(jìn)入氣化室后，首先發(fā)生熱解析出揮發(fā)分，吸收大量的熱，使得靠近噴嘴區(qū)域溫度較低，而揮發(fā)分和部分焦炭燃燒放出大量的熱使中心燃燒區(qū)區(qū)域溫度升高，隨著焦炭氣化反應(yīng)和水煤氣變換反應(yīng)的持續(xù)，沿爐體高度(AB方向)溫度降低，H2、CO的含量逐步升高到出口達(dá)到最大值，如圖7、圖8 所示。

4.1.3 離散相運(yùn)動(dòng)分析

粉煤顆粒作為離散相物質(zhì)，在氣流床氣化過程中屬稀相氣-固兩相流動(dòng)，采用Lagrangian坐標(biāo)系下隨機(jī)軌道模型方法追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)果如圖9 所示。

圖6 速度矢量云圖Fig.6 Velocity vector contour

由圖9(a)可知，冷態(tài)時(shí)氣化劑通道存在較強(qiáng)旋流效果，表明對(duì)氣化劑通道所進(jìn)行的設(shè)置合理，并且氣化爐內(nèi)從上往下的旋流效果逐步明顯，在中心處流線出現(xiàn)螺旋式上升現(xiàn)象，形成內(nèi)回流區(qū)域。由圖9(b)可知，粉煤顆粒在氣化劑的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了粉煤顆粒的停留時(shí)間，能夠提高粉煤顆粒與氣化劑在高溫、高壓條件下的反應(yīng)時(shí)間，提高碳轉(zhuǎn)化率。

熱態(tài)反應(yīng)時(shí)，如圖9(c)所示，旋轉(zhuǎn)射流區(qū)域明顯，顆粒主要集中在外回流區(qū)、旋轉(zhuǎn)射流區(qū)、壁面及管流區(qū)[17]。由圖6可知，在氣化爐的拱頂存在著回轉(zhuǎn)流，拱頂?shù)幕剞D(zhuǎn)流會(huì)攜帶飛灰和灰渣，而持續(xù)不斷加入的原料煤粉又會(huì)在拱頂周向彌散，使拱頂處的溫度降低(見圖8)，因此拱頂?shù)膾煸c中部及底部會(huì)在溫度和組成上存在差異[18]。中部距噴嘴下部燃燒區(qū)域較近，溫度也相對(duì)較高，到氣化爐下部因氣化反應(yīng)的存在使得溫度降低，平均溫度1800 K左右。由表3可知，氣化爐出口溫度為1744 K，爐膛壁面直段部分(Straight part)延伸到出口壁面，溫度都較為均勻，均在1700 K左右，高于煤灰的流動(dòng)溫度1621 K，渣層能達(dá)到流動(dòng)的溫度要求，且煤粉的碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.26%。

圖8 氣相溫度云圖Fig.8 Gas phase temperature contour

4.2 操作壓力

保持其它操作條件不變，氣化壓力分別取值為3.8、4.0、4.2、4.4 MPa，模擬結(jié)果見表4。由表4 可見，隨壓力的增大出口溫度略有降低、碳轉(zhuǎn)化率增加、氣化反應(yīng)更為徹底，而H2和CO的摩爾分?jǐn)?shù)變化較小，可見壓力對(duì)合成氣總量影響不大，與文獻(xiàn)[19]研究結(jié)論相一致。

圖10為不同操作壓力下氣化爐頂部和底部軸向速度。由圖10可知，因氣化爐內(nèi)內(nèi)、外回流區(qū)的存在，氣化爐上半段(較靠近A點(diǎn))部分存在著速度負(fù)值，即反向回流速度。隨著氣化壓力的增加，回流速度逐步減小，出口速度也逐漸減小，能夠減小因回流造成對(duì)噴嘴表面的沖刷，同時(shí)利于延長(zhǎng)粉煤顆粒在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間，減少粗合成氣中飛灰夾帶量。但壓力過高能耗較高，故在保證正常負(fù)荷和合成氣產(chǎn)率的情況下，不宜采用較高壓力。根據(jù)以上分析能夠得到，當(dāng)操作壓力為4.2 MPa時(shí)較適合于氣化反應(yīng)。

圖9 氧氣和粉煤顆粒運(yùn)動(dòng)跡線Fig.9 Motion path lines of oxygen and coal particles (a) Oxygen path lines in cold flow field； (b) Coal particles path lines in cold flow field； (c) Coal particle char fraction trajectories in thermal flow field

p/MPaOutlet temperature/Kn/%H2COCO2Carbon conversion/%3.8175723.8867.404.7295.074.0175323.9767.394.8195.984.2174923.9668.014.9896.264.4173524.3067.714.7696.63

圖10 不同操作壓力下氣化爐頂部和底部軸向速度Fig.10 Axial velocity in gasifier top section and bottom section under different operation pressures(a) Top section of the gasifier; (b) Bottom section of the gasifier

4.3 煤/氧質(zhì)量比m(C)/m(O)

固定粉煤的量，以煤/氧質(zhì)量比體現(xiàn)氧氣的消耗量，取m(C)/m(O)為1.2、1.3、1.4和1.5等4種情況考察氧氣量對(duì)氣化反應(yīng)的影響，模擬結(jié)果如圖11、圖12所示。

由圖11可知，隨著煤/氧比的增加，氧氣量減少，反應(yīng)溫度降低，致使氣化爐內(nèi)溫度也逐步降低，使得CO和H2O變換反應(yīng)向放熱方向(正方向)進(jìn)行，即H2的量逐步增加，而CO的量逐步減少。由圖12可知，隨著煤/氧比的增加，氣化爐直段部分(Straight part)壁溫也逐步的降低，溫度過低將不利于熔渣的沉積與流動(dòng)，而溫度過高則會(huì)對(duì)氣化爐水冷壁面造成損害，且壁面高溫區(qū)皆出現(xiàn)在直段壁面部分約1/3處，此處應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)以防水冷盤管因溫度較高而燒損。圖13為4種煤/氧比下碳轉(zhuǎn)化率和CO+H2摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)。由圖13 可見，CO+H2的量隨著煤/氧比的增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而碳轉(zhuǎn)化率則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。綜合考慮以上因素，煤/氧比控制在1.3時(shí)較合適。

圖11 不同m(C)/m(O)時(shí)H2和CO摩爾分?jǐn)?shù)沿氣化爐高度變化Fig.11 Axial profiles of mole fraction of H2 and CO under different m(C)/m(O)(a) Mole fraction of H2; (b) Mole fraction of CO

圖12 不同m(C)/m(O)下直段部分壁溫分布Fig.12 Temperature profile along straight part wall under different m(C)/m(O)

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)粉煤氣化過程選擇了相應(yīng)的模型做模擬計(jì)算，所得結(jié)果與工廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相符，模型選擇合理；以旋流數(shù)S=1.20入射時(shí)，各流場(chǎng)分布較好；沿氣化爐高度(AB)方向，H2和CO濃度增加，溫度則是先升高后降低；粉煤顆粒作為離散相物質(zhì)主要分布在外回流區(qū)、旋射流區(qū)、壁面和管流區(qū)，粉煤顆粒具備形成渣層和渣層流動(dòng)的條件。

圖13 不同m(C)/m(O)下合成氣摩爾分?jǐn)?shù)和碳轉(zhuǎn)化率Fig.13 Synthesis gas mole fraction and carbon conversion under different m(C)/m(O)

(2)當(dāng)操作壓力由3.8 MPa升至4.4 MPa，對(duì)CO和H2產(chǎn)量影響很小，碳轉(zhuǎn)化率逐漸增大；煤氧比m(C)/m(O)由1.2升至1.5，碳轉(zhuǎn)化率由98.7%降至86.3%。m(C)/m(O)=1.3時(shí)合成氣量最高，氣化效果最佳。