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1、高等学校工程热物理第十六届全国学术会议 编号：运行参数变化对 Shell 煤气化炉煤气化影响的数值模拟(I)陶明春1 郝英立1,2（1.东南大学能源与环境学院，南京，210096;2.东南大学空间科学与技术研究院，南京，210096）（联系电话:025-83793913,Email:）摘 要：摘 要：本文采用 Eulerian-Langerange 模型描述气固两相流，并用非预混燃烧模型描述煤气化炉内组分输运和燃烧，对某厂运行的 Shell 煤气化炉的煤气化现象进行了数值模拟。得到了气化炉内出口处的温度和有效气体摩尔分布等参数，模拟结果与实际运行数据比较吻合，并研究了氧煤比和蒸汽煤比变化对 S
2、hell 煤气化炉煤气化的影响，研究发现最佳氧煤比为处于 0.57 Nm3/Kg0.59 Nm3/Kg 之间，最佳蒸汽煤比处于 0.09Kg/Kg0.12 Kg/Kg 之间。关键词：关键词：非预混燃烧模型，Shell 煤气化炉，氧煤比，蒸汽煤比 0 引言 煤气化是煤高效、清洁利用的重要途径之一。由于我国石油等能源资源的对外依赖程度的加深，而国内煤炭资源相对丰富，为寻求高效、经济的能源开发技术，众多研究发现煤气化可以成为缓解资源紧缺的解决方案之一。气化炉煤气化技术因生产压力高、负荷大、碳转化率高，成为应用广泛、发展前景最好的煤气化技术之一。气流床气化炉以水煤浆或干煤粉为原料，纯氧作为氧化剂，目前
3、国际上比较成熟的主要有 Texaco 和Shell 等气流床煤气化技术。对于气流床炉内煤气化方面的研究，有不少学者做了大量的工作。Peter 等人1对水煤浆气化炉建立了热力学模型，并考察了气化炉反应特性；于海龙等2-4采用简化PDF(possibility density function)模型建立气流床气化炉的二维模型，讨论了氧煤比、煤浆浓度等因素对煤气化过程和出口煤气成分，以及碳转化率的影响；吴玉新等5用简化 PDF 模型对气化炉运行特性进行了分析，并考虑了改变水煤浆浓度和碳氧比等参数对气化炉运行特性的影响。以上研究多以二维模型为主，用 PDF 模型对气化炉煤气化进行了模拟。本文利用国家重
4、点基础研究发展计划资助项目（批准号：2010CB227002）C 商业 CFD 软件 Fluent，对某厂运行的 Shell 煤气化炉进行三维网格划分，采用非预混燃烧模型模拟气化炉炉内化学反应，dpm 模型考虑颗粒相和气相的耦合作用，随机轨道模型追踪颗粒运动，P-1 模型计算炉内辐射传热，对Shell 煤气化炉进行研究，并分析讨论了运行参数的变化对煤气化的影响。1 计算模型的控制 1.1 计算对象的描述 本文模拟计算的对象是某厂 1 台日消耗煤约1000t 的高压煤气化炉，气化炉高度为 6.82m，内径为 2.29m，如图 1 所示，模拟的基准工况条件如表 1所示。采用结构化网格对模型进行网格
5、划分，网格数量为 406527 个，其中喷嘴进口处采用局部加密处理。表 1 基准工况下操作条件 煤的质量组成/%气化压 力/Mpa 氧煤比m3/kg 蒸汽煤 比/kg/kg C H N O S Ash 3.10 0.58 0.12 75.50 4.97 1.43 9.12 0.87 7.91 1.2 三维流动的控制方程 煤粉颗粒经过高压氮气输送，和氧气、水蒸气一起通过喷嘴进入气化炉燃烧，本文用 Eulerian-Lagrangian 离散相模型来描述气相和颗粒相，模型对流体相采用带旋流修正的 Realizable k-模型6-7，连续性方程和动量方程为，0)(=+iixut(1)ijijiji
6、jjiiSuuxuxxpxuutu+=+)()()(2)式(2)中，946 826 1574 4866 3701 6827 2292 4-152图 1 气化炉几何结构尺寸 ijiitijjitjixukxuxuuu)(32)(+=(3)湍流粘性系数定义为，/2kCt=(4)式中，k为湍流脉动动能，C为模型系数，为湍流脉动动能耗散率。湍流脉动动能k方程和湍流动能耗散率方程分别为，kMbkjktjiiSYGGxkxkuxkt+=+)()()(5)SGCkCvkCSCxxkuxktbjtjii+=+31221)()()(6)式中，各模型系数分别为 C1=1.44,，C2=1.9，k=1.0，=1.2
7、，S=(2SijSij)1/2，C1=max0.43,/(+5)，=Sk/。Gk=tS2是 由 时 均 速 度 梯 度 产 生 的 湍 流 动 能。)/)(Pr/(itikxTgG=是由浮力产生的湍流动能，为热膨胀系数，gi为重力加速度分量,Prt为湍流 Prandtl 数；22tMMY=为流体可压缩性的影响；2/akMt=为湍流 Mach 数，其中a是音速；kS和S是用户自定义的其他影响因素，本文不作特别定义。能量方程为，hjeffijjjjieffiiiSuJhxTkxpEuxEt+=+)()()(7)式中，effk是有效传热系数，jJ是组分j的扩散流量，hS是指化学反应热以及体积热源。煤
8、粉颗粒作为离散项处理，在 Lagrangian 坐标系中进行计算，颗粒运动方程由颗粒动量变化率等于作用在颗粒上的合力，对于单颗粒质量来说，FguuFdtdupppDp+=)(8)式中，右边第 1 项为作用于颗粒单位质量的曳力，第 2 项为重力和浮力的合力，第 3 项为其他力的合力，包括虚拟质量力，热泳力，布朗力等，其中，24Re182pDppDCdF=(9)颗粒 Re 数定义为|Repppuud=(10)1.3 非预混燃烧模型8-9 该模型认为流体的瞬时热化学状态和一个守恒标量一混合分额 f 相关。在非绝热的湍流燃烧系统中，各组分质量比例的瞬时值、密度和温度仅依赖于混合分数的变化：),(*Hf
9、ii=(11)其中混合分数 f 的求解采用假定形状的概率密度函数的方法进行。用数学式可以表示为：=iiTTffp1lim)(12)这里T是时间尺度，i是f在f范围捏停留的时间量。函数)(fp的曲线形状f依赖于湍流脉动的特性。1.4 辐射模型 对于气流床气化炉，炉内含有 H2O 和 CO2，对辐射具有强烈的吸收作用，炉内的光学厚度1L，因此采用 P1 模型计算炉内的辐射传热。44)(TaaGGqr=(13)1)(3+=sa(14)式（15）中rq为辐射热流，为 Stefano-Boltmann 常数，G为入射系数，发射系数为s=0.14，吸收系数=0.28exp(T/1135)。1.5 边界条件
10、和计算方法 本文中煤粉、氧气和煤粉均通过喷嘴进入气化炉，喷嘴处为质量流量入口条件，出口处定义为压力出口，壁面为无滑移定温条件。压力速度耦合方程采用 SIMPLEC 算法，计算时采用一阶迎风格式离散控制方程中的对流项，采用出口入口质量差和气化炉内不动点温度来判断计算收敛。2 模拟结果 2.1 模拟结果与运行结果的对比 表 2 是气化炉出口处模拟计算结果和实际运行结果的比较，从表中可以看出，计算结果和运行结果数据是比较接近的，表明模拟计算时候模型的选择、网格的划分是合理的。表 2 模拟结果和运行结果的比较 Temperature/K CO/%H2/%CO2/%H2O/%计算结果 1759.2 60
11、.37 32.56 2.29 0.12 运行结果 62.48 30.55 2.96 0.28 2.2 氧煤比对煤气化的影响 在煤气化过程中，氧煤比是最重要的反应条件之一，它又是控制气化炉气化过程反应操作的主要条件之一。另外耗氧量和是煤气化过程中的主要经济指标，在实际运行中，氧煤比并不是一个恒定的值，它总在一定的范围内波动，因此有必要对它进行研究。图2 表示 Shell 煤气化炉出口煤气成分、温度、碳转化率和冷煤气效率在其他条件不变情况下随着氧煤比变化的分布曲线。从图中可以看出 CO 和 H2的摩尔浓度随着氧煤比的增加先增加后降低，CO2和 H2O的摩尔浓度随着氧煤比的增加先降低后增加，温度随着
12、氧煤比的增加而升高，碳转化率0.520.540.560.580.60.620.64Ratio of oxygen and coal/Nm33Kg-10102030405060708090100Mole fraction/%16001700180019002000210022002300Temperature/KCOH2CO2 H2OTemp.0.520.540.560.580.60.620.64Ratio of oxygen and coal/Nm3 Kg-1707580859095100Percentage/%碳转化率冷煤气效率(a)对煤气成分和温度的影响 (b)对碳转化率和冷煤气效率的影响
13、 图 2 氧煤比对 Shell 煤气化炉煤气化的影响 随着氧煤比的增高而增高，冷煤气效率随着氧煤比的增高先增高后降低，在氧煤比为0.58Nm3/Kg 左右最高。其中，CO 和 H2摩尔浓度在氧煤比为 0.570.59(Nm3/Kg)之间存在最高值，CO2和 H2O 的摩尔浓度在氧煤比为 0.570.59(Nm3/Kg)之间存在最低值，并且氧煤比每增加 0.02 Nm3/Kg 时，温度约增加 50K。主要原因为随着氧煤比的增高，使得煤中参与反应的碳的量增加，故而使碳转化率升高，另外，氧煤比增高后，使得煤气中 CO 和 H2会与没有反应的氧气反应，造成煤气中 CO 和 H2的浓度降低，使得冷煤气效
14、率降低。2.3 蒸汽煤比对煤气化的影响 蒸汽煤比是最重要的反应条件之一，它又是控制气化炉气化过程反应操作的主要条件之一。另外耗蒸汽量是煤气化过程中的主要经济指标，在实际运行中，蒸汽煤比并不是一个恒定的值，它总在一定的范围内波动，因此有必要对它进行研究。图 3 表示 Shell煤气化炉出口煤气成分、温度、碳转化率和冷煤气效率在其他条件不变情况下，随着蒸汽煤比变化的分布曲线。从图中可以看出，CO 和 H2摩尔浓度变化趋势一致，随着蒸汽煤比的增加先缓慢增加后缓慢降低，H2O 的摩尔浓度随着蒸汽煤比的增加而增加，CO2摩尔浓度随着蒸汽煤比的升高先升高后后基本不变，温度随着蒸汽煤比的增加而增加，但是当蒸
15、汽煤比达到 0.12Kg/Kg 后增加变缓，碳转化率和冷煤气效率随着蒸汽煤比的升高呈现先增高后基本保持不变。这是由于水蒸气含量的增加，使得煤粉中未反应完的 C 与水蒸气发生反应，使 H2和 CO 的浓度增高，CO2浓度降低，碳转化率升高，冷煤气效率升高；当水蒸气增加到一定值时，煤粉中 C 已经反应完全，使 H2、CO、CO2的摩尔浓度基本保持不变，碳转化率和冷煤气效率基本保持不变。从图中还可以看出，在蒸汽煤比为 0.090.12(Kg/Kg)之间存在一个最佳值。0.090.10.110.120.130.14Ration of water and coal/Kg Kg-1010203040506
16、0708090100Mole fraction/%1150130014501600175019002050220023502500Temperature/KCOH2CO2H2OTemp.0.090.10.110.120.130.14Ratio of water and coal/Kg Kg-1768084889296100Percentage/%碳转化率冷煤气效率(a)对煤气成分和温度的影响 (b)对碳转化率和冷煤气效率的影响 3 结论(1)本文采用非预混燃烧模型对某厂运行的 Shell 煤气化炉进行了模拟计算，计算结果与实际工业运行参数比较接近，证明了该模型可以用于气化炉煤气化方面的研究。(
17、2)应用该模型模拟计算了氧煤比的变化对煤气化现象的影响，发现在其他条件不变情况下，有效气体产率随着氧煤比的变化有一最佳值，此时对应的氧煤比处于 0.570.59 Nm3/Kg。(3)应用该模型模拟计算了蒸汽煤比的变化对煤气化现象的影响，发现在其他条件不变情况下，有效气体产率随着蒸汽煤比的变化有一最佳值，此时对应的蒸汽煤比处于0.090.12 Kg/Kg。参 考 文 献 1 Peter Ruprecht,Wolfgang Schafer,Paul Wallace.A computer model of entrained coal gasification.Fuel,1988:67(6):739
18、-742.2 于海龙,赵翔,周志军,等.氧碳原子比和水煤浆质量分数对水煤浆气化影响的数值模拟J.燃料化学学报,2004,32(4):390-394.3 于海龙,赵翔,周志军,等.氧煤比对水煤浆气化影响的数值模拟J.煤炭学报,2004,29(5):606-610.4 于海龙,赵翔,周志军,等.煤浆浓度对水煤浆气化影响的数值模拟J.中国动力工程学报,2005,25(2):217-220,238.5 吴玉新,张建胜,王明敏,等.简化 PDF 模型对气化炉运行特性的分析J.中国电机工程学报,2007,27(32):57-62.6 陶文铨.计算传热学M.西安:西安交通大学出版社,2001:370-376
19、.7 赵坚行.燃烧的数值模拟M.北京:科学出版社,2002.8 张巍.气固两相流 PDF 模型及直接点火燃烧器数值模拟D:硕士学位论文.杭州,浙江大学,2005.9 赵海波.湍流两相流的速度联合 PDF 输运方程模型及其数值模拟D:硕士学位论文.武汉,华中科技大学,2002.Numerical simulation of coal gasification by changing operation parameters of Shell gasifier(I)TAO Mingchun1，HAO Yingli1,2(1.School of Energy and Environment,Sout
20、heast University,Nanjing 210096;2.Institute of Space Science and Technology,Southeast University,Nanjing 210096)Abstract:The numerical simulation was used to describe gas-solid two-phase-flow,combustion and coal gasification inside the gas factory shell gasification furnace by using Eulerian-Langera
21、nge model and non-premixed combustion model.Temperature field and main components of the molar concentration inside the gasification furnace were gotten,the results were very closed to engineering fact,then analyzed the influence of gasification by changing oxygen-coal ratio and water-coal ratio.The results were that the best ratio of oxygen-coal was between 0.57 Nm3/Kg0.59 Nm3/Kg and the best ratio of water-coal was between 0.09 Kg/Kg0.12 Kg/Kg.Keywords:Components transport and finite rate model,Shell gasification furnace,oxygen-coal ratio,water-coal ratio