煤顆粒流化床增壓富氧燃燒脫揮發分模型

李 林，段倫博，武萬強，孫 光

(東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096)

2020-09-22，國家主席習近平在第75屆聯合國大會一般性辯論上提出了中國將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。從CO2來源解析，我國CO2的排放主要來源于建筑、工業、交通、電力、煉油、農業等行業，其中有約一半來源于能源行業，而能源行業中煤炭資源消耗帶來的CO2排放占比約96%，其中約一半的煤炭資源用于燃煤發電[1]。

CCS技術被認為是未來大規模降低燃煤電站CO2排放最為有效的方法之一[2-3]。其中，富氧燃燒技術被認為是最具發展前景的燃煤電站CO2捕集技術之一。而目前限制富氧燃燒技術商業化的瓶頸仍是較高的能耗。增壓富氧燃燒技術是解決這一問題的方法之一。與傳統富氧燃燒相比，增壓富氧燃燒技術中全流程均置于高壓下運行，這樣可以帶來眾多優勢：① 降低系統中壓力波動帶來的功損；② 降低鍋爐設備尺寸；③ 可以回收煙氣中的蒸汽潛熱；④ 避免了系統漏風從而降低純化壓縮系統的功耗等。

近年來，國內外學者針對增壓富氧燃燒技術的研究也逐漸引起了學術界和產業界的關注。意大利IETA公司、波蘭煤化工過程研究所、渥太華大學及國內的華北電力大學、華中科技大學、東南大學和西安交通大學等多家機構報道過相關研究，這些研究包括增壓富氧燃燒系統建模和優化研究[4-6]、燃燒特性[7-9]、污染物排放特性[10-13]以及流動特性[14-15]等方面。但現有對燃燒特性的研究多借助增壓熱重或者增壓管式爐等設備開展，而對真實燃燒條件下煤顆粒增壓富氧燃燒機理研究還不充分。

煤顆粒的干燥和脫揮發分過程是燃燒的重要過程。目前，針對煤和生物質等燃料顆粒在流化床條件下的熱解模型研究已經較多，但是這些模型研究大多集中在常壓條件下，而針對增壓富氧燃燒條件下開展熱解模型研究的報道還比較少。CHERN和HAYHURST[16-17]通過在流化床內模型研究發現，揮發分燃燒火焰會將熱量傳遞至顆粒表面并提高顆粒的升溫速率，SADHUKHAN等[18]的研究也得到了相似的結論。而YANG和WANG[19]通過研究脫揮發分過程中顆粒溫度變化特性，發現揮發分燃燒熱大多被顆粒周圍氣流攜帶走，對顆粒升溫的影響有限。BU等[20]認為顆粒熱解過程中顆粒一半置于密相區一半置于稀相區，并假設揮發分火焰在稀相區部分均勻包裹于顆粒表面，計算結果發現揮發分火焰對顆粒的平均加熱份額較低，可以被忽略。而根據課題組前期研究發現，煤顆粒在密相區熱解時大多處于乳化相中，而揮發分會穿過床層后形成火焰，顆粒與火焰完全脫離[21-22]。

為研究增壓流態化下的O2/CO2和O2/N2氣氛對煤顆粒脫揮發分的影響機制，筆者將建立適用于流態化的顆粒尺度的增壓熱解模型。并解析高壓、高CO2氣氛及多種操作參數對煤顆粒脫揮份的影響機制。

1 模型介紹

1.1 模型描述

本工作通過一維非穩態模型描述煤顆粒脫揮發分過程，模型考慮了顆粒與環境之間的傳熱、顆粒內部的溫度梯度、水分蒸發過程和揮發分的析出過程。其中顆粒邊界和其外界環境通過邊界方程對接。由于流化床燃料顆粒尺寸較大，顆粒內部溫度梯度不可忽略。本模型計算過程中，將顆粒沿半徑方向等分成n環形球殼，保證每個計算區域內顆粒畢渥數(Bi)遠小于0.1，并認為每個網格內顆粒溫度是均勻的。當顆粒中心的溫度第1次超過373 K時認為顆粒干燥過程結束，而當顆粒中心溫度達到床層溫度時認為煤顆粒脫揮發分過程結束。計算采用的煤種為小龍潭褐煤(LC)，工業分析和元素分析見表1。

表1 工業分析及元素分析

1.1.1 模型假設

為便于模型的建立和分析，假設：

(1)顆粒始終處于乳化相中，且床層各處溫度均勻，顆粒在床層內部換熱特性不受位置影響;

(2)煤顆粒為均勻的球形顆粒，不同網格內其化學組分一致，物性參數(比熱容、密度、熱導率等)一致；

(3)顆粒在整個干燥和揮發分析出過程中不發生膨脹和破碎等物理變化，顆粒尺寸始終保持恒定；

(4)顆粒干燥過程中，水分蒸發的溫度為373 K；

(5)脫揮發分反應過程中，認為反應的活化能和指前因子等動力學參數不隨壓力變化；

(6)揮發分析出和燃燒的過程是不可逆的準穩態過程，揮發分在床層上部燃燒并形成的火焰對煤顆粒的加熱過程沒有影響。

1.1.2 控制方程

煤顆粒干燥和揮發分析出的過程中，沿著顆粒半徑方向不同計算網格內的密度和溫度均會發生變化，顆粒密度和溫度的變化可以描述為

Vp?ρp/?t=-s1

(1)

(2)

式中，ρp，Vp，cp，Tp和R分別為煤顆粒的密度(kg/m3)、體積(m3)、比熱容(J/(kg·K))、溫度(K)和半徑(m)；λp為煤顆粒導熱系數，W/(m·K)；s1和s2分別為因水分蒸發過程和揮發分析出過程引起的煤顆粒質量和溫度的變化。

初始條件下(t=0)，ρp=ρp,0，當0≤r≤R時，Tp=Tp,0。顆粒邊界條件為

?Tp/?r=0(t>0，r=0)

(3)

λp?Tp/?r=htotal(Tb-Tp)(t>0，r=R)

(4)

其中，Tb為床層溫度，K；htotal為床層與顆粒之間的換熱系數。不同溫度條件下顆粒的熱導率、密度和比熱容等參數的計算過程可見文獻[23]。

1.2 反應模型

將煤顆粒在干燥過程中溫度達到373 K的界面定義為蒸發界面。隨著干燥過程推進，蒸發界面半徑(ref)縮小，蒸發界面(r=ref)處的水分蒸發速率(kdry)為

(5)

本模型中煤顆粒的脫揮發分過程采用無窮平行反應模型描述，脫揮發分過程中某一反應i的反應速率常數(ki)由Arrhenius方程描述，脫揮發分反應速率為

(6)

(7)

其中，V為某一時間下揮發分析出量， kg/kg；V*為顆粒中揮發分，kg/kg；k0為速率常數；Rg為摩爾氣體常數，J/(mol·K)；E，T分別為活化能(J/mol)和溫度(K)。當時刻為t時，煤顆粒揮發分析出總量為各個平行反應的累計析出量，可用式(6)描述為

(8)

式中，Apyro為熱解反應的指前因子，1/s；f(Epyro)為熱解反應活化能Epyro的高斯分布函數。

1.3 換熱模型

本模型中顆粒與環境間的換熱系數[24]可描述為

htotal=hconv+hcond+hradi

(9)

式中，hconv，hcond和hradi分別為床層與顆粒之間的對流換熱系數、導熱換熱系數和輻射換熱系數(W/(m2·K))，詳細計算過程可以參考文獻[24-27]。

1.4 模型求解策略

將顆粒沿半徑方向均勻的劃分為M個單元體，厚度為R/M，模擬過程中對每個單元體的控制方程采用有限體積法進行求解。首先對M和計算的時間步長(Δt)進行無關性驗證。不同的M下各個單元體Bi分布情況如圖1所示。可以發現，從顆粒中心到外表面，單元體Bi逐漸增大，同一M條件下，當M>10時，各個單元體Bi均小于0.1。通常為Bi小于0.1時可以認為單元體溫度均勻，忽略溫差。對M和Δt的無關性進行分析結果如圖2所示。可以發現隨著M的增加，模型計算所得煤顆粒干燥時間逐漸下降，但是變化越來越小。而隨著Δt的減小，模型計算所得煤顆粒干燥時間逐漸下降。綜合分析可得，當M為50，Δt為0.001 s即可獲得較好的數值計算精度。

圖1 不同M時各個單元體的Bi Fig.1 Distribution of Bi for different values of M

圖2 不同Δt和M時煤顆粒的干燥時間變化Fig.2 Variation of drying time with different Δt and M

2 結果與討論

2.1 模型分析

2.1.1 煤顆粒干燥和脫揮發分過程

煤顆粒在不同壓力和氣氛下溫度變化如圖3所示,可以看出，當煤顆粒進入流化床內后，迅速被熾熱的床料加熱，導致顆粒外表面溫度迅速上升。但由于自身相對較小的導熱系數，顆粒中心的溫度則響應較為緩慢。顆粒不同位置(r=0，1，2，3 mm)的溫度變化均經歷了相似的溫升過程。即顆粒首先升溫至373 K進行干燥，這一階段會出現一個“平臺”，直至干燥過程結束。進而顆粒揮發分開始析出，隨著揮發分的析出，顆粒溫度曲線在600～700 K間會出現“第2個平臺”，這主要是由顆粒的熱導率、比熱容和密度等參數變化引起的。隨著顆粒溫度的上升，其與環境之間的溫差逐漸減小，顆粒升溫速率逐漸下降。如圖3所示，隨著壓力的升高，顆粒與環境間換熱系數顯著增強，一方面降低了顆粒的干燥時間和脫揮發分時間，另一方面會導致顆粒內外溫差增大。煤顆粒尺寸為6 mm時，N2和CO2氣氛下，當壓力從0.1 MPa升高到0.5 MPa時，顆粒內外溫差峰值(ΔTmax)分別從309 K和312 K升高到316 K和331 K。

圖3 煤顆粒不同位置溫度變化曲線(w=2.5,dp=6 mm)Fig.3 Temperature variation curves of coal particle in different positions (w=2.5,dp=6 mm)

2.1.2 模型驗證

筆者課題組前期在可視化增壓流化床反應器上開展煤顆粒(粒徑為6 mm)增壓富氧燃燒實驗研究[28]，獲取了不同壓力(0.1～0.5 MPa)和氣氛(O2/CO2和O2/N2)下煤顆粒的干燥和脫揮發分時間。此處用這些結果與本模型的模擬結果進行對比來驗證模型可靠性，對比結果如圖4所示。計算結果與實驗結果具有較好的吻合，模型預測值誤差在20%以內。

此外，從圖4可以發現，模型可以很好地反應壓力變化時傳熱特性的變化，進而預測煤顆粒的干燥和脫揮發分過程。而當壓力不變，氧濃度升高的時候，本模型計算結果與實驗結果的偏差增大，這是因為本模型沒有考慮煤顆粒表面煤焦燃燒對顆粒的加熱作用，而這一作用可以促進脫揮發分過程，且氧氣體積分數越高，促進作用越顯著。

圖4 模型預測結果與實驗結果的對比Fig.4 Comparison between predicted results and experimental results

2.1.3 模型敏感性分析

在不同的操作條件下，各種參數(例如床料比熱容cbed、燃料比熱容cfuel、換熱系數htotal、燃料揮發分含量Vfuel、燃料水分含量Mfuel、燃料顆粒密度ρp、顆粒尺寸dp以及壓力P等)變化會通過改變傳熱來影響煤顆粒的干燥和脫揮發分過程。通過調整單一參數值(±30%)的方法來研究模型中各參數的敏感性。不同參數的敏感性分析如圖5所示。

從圖5(a)可以發現，cbed,cfuel,dp,ρp,Mfuel以及htotal對顆粒干燥時間(tdrying)的影響較大，而P和Vfuel對干燥時間的影響較小。燃料顆粒的干燥過程主要受傳熱過程控制，cbed的提高可以提高床料與顆粒之間的換熱系數，從而降低干燥時間。Mfuel,dp以及ρp的增加會增加顆粒含水量，而水分具有較高的氣化潛熱，因此會帶來較高的顆粒干燥時間。如圖5(b)所示，干燥和熱解時間(tsum)變化主要受cbed，htotal,dp和ρp影響，前2者因素主要影響燃料與床層之間的換熱，后2者因素主要影響顆粒中水分和揮發分的總量。圖5(c)給出了不同條件對煤顆粒內外溫差峰值(ΔTmax)的影響。可以發現，床料cbed,htotal,dp和ρp依然是影響ΔTmax的主要因素。

這些參數的變化對熱解過程的影響主要是通過影響換熱系數、顆粒導熱系數以及顆粒尺寸而產生的。

2.2 不同操作參數對熱解過程的影響

2.2.1 壓力和氣氛的影響

計算的煤顆粒在不同壓力和氣氛下tdrying和tsum如圖6所示，可以發現，相同操作條件下，N2氣氛下的干燥時間和脫揮發分時間均大于CO2氣氛下，這主要是由于CO2與N2的物性參數(密度、黏度、比熱容等)存在差異，這些參數一方面會影響氣體與燃料間的對流換熱；另一方面還會影響床層的流動狀態，進而影響燃料顆粒與床料之間的傳遞。需要指出的是，2種氣氛帶來的換熱系數差異并不大，當壓力為0.1～1.0 MPa內時，2種氣氛帶來的換熱系數的差異均小于10%。因此，相同條件2種氣氛下，顆粒的tdrying，tsum以及ΔTmax的差異均小于5%。

圖6 氣氛和壓力對煤顆粒干燥和脫揮發分過程的影響(dp=6 mm，w=2.5，Tb=1 073 K)Fig.6 Effects of atmospheres and pressure ondrying and devolatilization of coal particle(dp =6 mm,w=2.5,Tb=1 073K)

圖6(a)結果還表明隨著壓力的升高，煤顆粒的tdrying和tsum顯著下降，而顆粒內外溫差的峰值明顯上升。當壓力從0.1 MPa升高到1.0 MPa時，2種氣氛下tdrying和tsum分別從10.08 s(N2氣氛，tdrying)、9.84 s(CO2氣氛，tdrying)、38.22 s(N2氣氛，tsum)和36.80 s(CO2氣氛，tsum)減小到8.46 s(N2氣氛，tdrying)、8.33 s(CO2氣氛，tdrying)、26.23 s(N2氣氛，tsum)和25.03 s(CO2氣氛，tsum)，ΔTmax分別從308.91 K(N2氣氛)和311.98 K

(CO2氣氛)增加到329.75 K(N2氣氛)和345.58 K

(CO2氣氛)。這是因為壓力升高，煤顆粒與床層之間換熱系數顯著增加，從而縮短了tdrying和tsum。由于煤顆粒尺寸較大，顆粒的Bi大于0.1，因此當換熱系數增加時會導致顆粒沿徑向溫度梯度的增加，顆粒的ΔTmax相應增加。

圖6(b)為不同壓力和氣氛下煤顆粒內外溫差變化曲線，可以發現不同壓力和氣氛下，溫度曲線變化趨勢一致。即當煤顆粒處于干燥階段時，由于水分的高比熱容和高氣化潛熱，導致在顆粒中心干燥尚未結束時(≤373 K)，顆粒表面溫度已經進入脫揮發分階段，具有相對較高的溫度，因此煤顆粒溫差峰值均出現在干燥階段的后期。而當干燥過程結束后，顆粒內外均具有較高的升溫速率，顆粒內外溫差迅速減小，直至脫揮發分后期溫差接近于0。

2.2.2 煤顆粒尺寸的影響

通常，工業流化床鍋爐燃燒的煤顆粒尺寸范圍較寬(0～13 mm)，不同燃料粒徑會對顆粒干燥和脫揮發分產生影響。本研究在4，6，8，10和12 mm粒徑下開展，不同粒徑熱解參數計算結果如圖7所示。

圖7 顆粒尺寸對tdrying，tsum和ΔTmax的影響Fig.7 Effect of particle size on the tdrying,tsum and ΔTmax

2.2.3 床層溫度的影響

流化床的床層溫度是一個十分重要的參數，對燃料顆粒干燥、脫揮發分以及焦炭燃燒過程均有重要影響。本研究計算了流化床增壓富氧燃燒條件下不同床層溫度(1 023，1 073，1 123，1 173，1 223以及1 273 K)對褐煤顆粒干燥過程和脫揮分過程的影響，計算結果如圖8所示。

圖8 床層溫度對tdrying，tsum和ΔTmax的影響Fig.8 Effect of bed temperature on the tdrying,tsum and ΔTmax

由圖8可以發現，隨著床層溫度的升高煤的tdrying略有下降，tsum和ΔTmax顯著降低和升高，這是因為顆粒與床層之間的換熱系數增加所致。但是，tsum和ΔTmax隨床層溫度的變化十分顯著，而tdrying隨床層溫度的變化僅有非常微弱的改變。這是因為當煤顆粒含水分時顆粒的導熱系數較低，而干燥后的煤顆粒導熱系數會隨著溫度的升高而增加，這將顯著提高顆粒內部的熱傳遞。因此，在干燥階段，即使床層溫度升高，顆粒與環境間換熱增強，但由于顆粒內部導熱熱阻較大，對干燥過程的促進作用也較小。

2.2.4 流化數的影響

流化數是流化床鍋爐運行的重要參數，它會影響床層的流動特性和傳熱傳質特性。當CO2氣氛、壓力0.3 MPa、床層溫度1 073 K、顆粒粒徑6 mm時，流化數對煤顆粒干燥和脫揮發分過程的影響如圖9所示。

圖9 不同流化數對tdrying，tsum和ΔTmax的影響Fig.9 Effect of fluidization number on the tdrying,tsum and ΔTmax

結果表明隨著流化數的增加，煤顆粒的tdrying和tsum均有下降，而ΔTmax則明顯上升，這是因為隨著流化數的增加，顆粒與床層之間的換熱系數增加所致。當流化數升高時，一方面煤顆粒周圍的床料顆粒更新頻率將隨之提高，床料與煤顆粒之間的換熱將會被加強；另一方面流化數的提高會提高氣泡的頻率和降低氣泡的尺寸[16]，這也將對氣-固對流換熱系數產生影響，綜合表現為流化數越大，總換熱系數越大。

3 結 論

(1)所建模型可以預測煤顆粒在增壓流化床富氧燃燒條件下煤顆粒的干燥和脫揮發分過程，計算脫揮發分過時間實驗值之間誤差小于20%。

(2)模型敏感性分析顯示床料和燃料的比熱容、燃料尺寸、燃料密度、燃料水分含量以及總換熱系數對顆粒干燥時間的影響較大，床料比熱容、換熱系數以及燃料的密度和尺寸對脫揮發分過程影響較大，而床料比熱容、換熱系數以及燃料的密度和尺寸是影響顆粒內外溫差峰值的主要因素。

(3)壓力和床溫的升高均會帶來煤顆粒與床料之間換熱系數的增加，從而降低煤顆粒的干燥時間和脫揮發分時間，提高顆粒內外溫差的峰值；而與N2氣氛相比，CO2氣氛下具有更高的換熱系數，更低的干燥時間和脫揮發分時間和更大的顆粒內外溫差，但是整體差異小于5%。

(4)燃料顆粒尺寸的增加會增加顆粒干燥時間和脫揮發分時間，同時帶來沿徑向更大的溫度梯度；隨著流化數的升高，顆粒與環境之間的換熱作用被加強，干燥和脫揮發分時間會縮短。