型的流化床煤气化过程三维数值模拟

做项目改造时用过的文献拿出来与大家分享,希望对工程技术研究人员有所帮助。

第３８卷第３期

２００８年５月

东南大学学报（自然科学版）

ＪｏＵＲＮＡＬ

ＯＦ

Ｖ０１．３８

Ｅｄｉｔｉｏｎ）

Ｎｏ．３

ＳＯＵｒＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳ兀．Ｙ（Ｎａｔｕｍｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｍａｙ２００８

基于欧拉多相流模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

王小芳

金保升钟文琪

（东南大学能源与环境学院，南京２１００９６）

摘要：以欧拉多相流模型为基础，气相采用足．Ｆ湍流模型，固相采用基于颗粒动理学理论封闭模型，引入传热、传质、煤热解、气化过程反应模型，建立了流化床煤气化过程的三维数理模型，该模型同时考虑了稠密气固流动和相内、相间的化学反应．对直径０．２２ｍ的流化床煤气化炉不同操作参数下的气化过程进行了三维数值模拟，获得了气化炉内气化产物的组分分布、温度分布及化学反应速率变化规律．模型的计算结果与实验结果进行了比较，结果表明：数值模拟与实验吻合较好，最小相对误差仅为１％左右，最大相对误差为２０％左右，平均相对误差小于１４％．关键词：流化床煤气化；欧拉模型；颗粒动理学理论；３Ｄ数值模拟中图分类号：ＴＦ

５３８

文献标识码：Ａ文章编号：１００１—０５０５（２００８）０３—Ｄ４５４Ⅲ７

３Ｄ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

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ｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｎｕ—

我国的煤炭资源丰富，油气相对匮乏，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源结构不会改变；但利用效率较低、环境污染严重等问题不容忽视．煤气化技术以其高效、环保等优点受到广泛关注．在已成功应用的煤气化技术中，流化床气化炉的气

收稿日期：２００７—１１ｊ２０．

固混合良好，传热效率高，温度分布均匀，有利于碳的转化和煤气生成，显示出巨大的发展前景‘１｜．

流化床内气固两相流动的非均匀结构特征决定了对其研究的复杂性．气固两相流模型主要分为两类：欧拉一拉格朗日模型及欧拉双流体模型．与欧

作者简介：王小芳（１９８２一），女，博士生；金保升（联系人），男，教授，博士生导师，ｂｓｊｉＩｌ２００７＠ｓ曲．ｅｄｕ．ｃＩＩ．

基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００６ＡＡ０５Ａ１０３）．

引文格式：王小芳，金保升，钟文琪．基于欧拉多相流模型的流化床煤气化过程三维数值模拟［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２００８，３８（３）：

４５４—４６０．

做项目改造时用过的文献拿出来与大家分享,希望对工程技术研究人员有所帮助。

第３期王小芳，等：基于欧拉多相流模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

４５５

拉一拉格朗日模型相比，欧拉双流体模型采用了形式统一的模型方程，计算相对简单且计算量较小，能大量地节约计算时间及计算资源，尤其是对于固气比较高的流化床模型的计算，更具实用性【２】．在欧拉双流体模型中，对于拟流体颗粒流动的描述多采用基于分子动力学的颗粒动理学理论∞Ｊ．ｖ粕ｗａｃｈｅｍ等。引，Ｂｅｎｙａｌｌｉａ等１５Ｊ，ｚｈｏｎｇ等‘２１应用该理论分别对循环流化床提升管部分和喷动流化床内的稠密气固流动特性进行研究，与实验数据对比验证其合理性的同时，获得了大量有益的气固流动规律．

由于气化炉内气同流动特性、化学反应机制以及传热传质过程的复杂性，气固流动与化学反应耦合的数值模型的建立成为难点．亦有学者对此进行了一定的研究：ｗａｔａｌｌａｂｅ等∞ｏ和Ｇｒ萏ｂｎｅｒ等。刊分别对气流床及循环流化床的煤气化过程进行了数值模拟，对气固流动的描述采用欧拉一拉格朗日模型．该方法应用于大型气化炉的模拟，计算时间及计算资源的消耗相当的惊人．Ｙｕ等∞１应用基于颗粒动理学理论的欧拉模型，耦合化学反应，对鼓泡流化床煤气炉进行了数值模拟，并通过与Ｏｃａｍｐｏ等【９１实验数据的对比进行了模型验证．但是该模型将三维不对称流化床结构简化为二维矩形结构，在一定程度上影响了对流化床内流动及反应的描述．

本文在Ｙｕ等哺１二维模型的基础上，建立了流化床煤气化过程的三维数理模型，同时考虑了稠密气同流动和相内、相间的化学反应，对流化床煤气化过程进行三维数值模拟．并将模拟数据与实验数据进行比较，结果显示二者吻合良好．

１模型的建立及求解方法

１．１气固流体动力学控制方程

气相采用欧拉法、七．占湍流双方程模型；同相应用颗粒动理学理论，分别建立连续方程和动量方

程㈨０１．

１．１．１

连续方程

盖（ｄ矿ｓ）＋Ｖ‘（ｄｇｐｓｌ，ｓ）＝ｓｓｓ

（１）盖（ａ护。）＋Ｖ‘（ａ印以）＝ｓｓｇ

（２）

式中，ａ，ｐ和矽分别表示体积份额、密度及瞬时速度．在本文所建立的流动与化学反应耦合模型中，气固之间的非均相反应使得两相间存在质量、动量及能量的交换，ｓ为质量源项，且∽１

ｓ蹭＝一ｓ；。＝恤∑矿。ｙ。

（３）

式中，肘，盯和ｙ分别表示摩尔质量、化学计算系数和化学反应速率．

在流化床反应器内，气体密度是各化学组分和温度的函数，但是流场中的气相可以认为是理想气体，根据理想气体定律，有

麦＝等塞丢

ｐ｜ｐ夤Ｍｉ

㈤

式中，ｔ，Ｍｉ分别表示各气体组分的质量分数和摩尔质量．

１．１．２

动量方程１）气体相

盖（ａ护ｇ珞）＋Ｖ（ａ护ｇ％％）＝一ａｇ

Ｖｐｇ＋

ｄ护ｇｇ一卢（Ｉ，ｇ—Ｉ，。）＋Ｖ‘ｒｇ＋Ｓｇ。以

（５）

式中，ｕ。表示颗粒平均速度；卢为曳力系数；ｒ。为气体相压力应变张量，分别定义如下：

卢＝

季ｃ。掣ａ芦旷ｏ．ｓ

”ｏ券“．７５坚鲁型ａ。姐８

６

ａｇ或

口ｓ

（６）

『０ ４４

腿＞ｌ

０００

和ｉ差（１＋ｏ．１５硭 鲫）取≤１

０００∽’

尺已。：型止出

（８）

ｐｇ

％＝弘ｇ［Ｖ％＋（Ｖ蚝）Ｔ］一知ｇ（Ｖ ‰），

（９）

ｐｇ＝肛ｇｌ＋ｃ：ａｇｐｇＫ２／８

（１０）

式中，如为剪切粘度；肛ｇＩ为层流粘度；ｑａｇＰ。驴／ｓ

为湍流粘度．

２）颗粒相

茜（ａｓｐ。蚝）＋Ｖ（ａ妒以ｌ，。）＝一ａ。Ｖ

ｐ。＋

ａ。ｐ。ｇ＋卢（矽ｇ一矽。）＋Ｖ‘ｆ。＋ＳｓｇＵ。

（１１）

式中，ｐ。为颗粒间的相互碰撞引起的颗粒相压力；

ｒ。为颗粒相压力应变张量，表示为

ｐ。＝ａ｜ｐ。＠［１＋２９０ａ。（１＋已）］

（１２）

舻÷［１＿（老）∽】～

㈤）

茜（ａｓｐ。９）＋Ｖ （ａ护。９）职＝

掣（一Ｖ

ｐ。，＋ｒ。）：Ｖ

ｌ，。＋Ｖ （凡Ｖ

９）一

ｙ。＋咖。＋Ｄ舒］

（１４）

做项目改造时用过的文献拿出来与大家分享,希望对工程技术研究人员有所帮助。

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东南大学学报（自然科学版）

第３８卷

ｙ。＝３（１一矿）ａ：ｐ蕊Ｄ（丢√詈一Ｖ 虬）（１５）

咖。＝一筇＠

（１６）

厂８＝；糕［ ＋詈（ ＋已）ｇ。ａ。】２＋

ＤｇＩ＝羔（券）２ｋ训（１７）

１

８—３８４（１＋Ｐ）ｇｏ【１十了Ｌ１＂，ｇｏａｓＪ

‘ｒ

２南矗“ｌ川√詈

（１８）

丁。＝［（一ｐ。＋￡Ｖ 矽。）＋ｐ。［Ｖ∥。＋

（Ｖ取）’］＿寺（Ｖ佻）Ｊ，

（１９）ｆ，＝手ａ：ｐ。以ｇ。（１＋Ｐ）√詈（２０）

肛。＝÷ａ：ｐ。反ｇ。（１＋Ｐ）√詈＋

！学［１＋詈ａ。ｇ。（１＋Ｐ）】２（２１）

式中，ｇ。为径向分布函数；＠为颗粒动力学温度，用于表征颗粒的随机碰撞及颗粒随机脉动速度的大小；７。为颗粒碰撞导致的动力学温度耗散；咖。表示气体和颗粒湍动能的交换；Ｄ。。为颗粒湍动能的耗散率；厂ｅ为颗粒温度的输运系数；孝。为颗粒相表观粘度；肛。为颗粒相剪切粘度．

１．１．３

能量方程

能量方程考虑气相、固相内的热传导及两相间的热交换，同时忽略粘性耗散项和压力做功及动能的影响：

盖（仅ｇＰｓ以）＋Ｖ（ａ护；ｌ，。以）＝Ｖ（Ａ。Ｖ

ｔ）＋

＾铲（瓦一瓦）＋ｓ。。皿

（２２）导（口妒。只）＋ｖ（ａ护。屹只）：ｖ（Ａ。ｖ

ｔ）＋｜｝ｌ。。（Ｌ—ｔ）＋ｓ踞＾ｌ

（２３）

式中，日，Ａ，１１１分别表示总焓、导热系数及相间的换热系数；ＳⅣ项为由于气固非均相反应所引入的能量源项．各变量为

日＝∑匕屿

（２４）

本模型中，气体混合物热传导系数的计算建立

在分子运动论的基础上，有

护手羲

（２５）

ｊ

７Ａ；ｑ）“

式中，墨为组分＿『的摩尔分数；

机：蟛㈣，

机＝———型———｝

。

（２６）

Ｉｌｌ昭：学

【８（－＋等）】彳

（２７）

其中

肌。＝（７—１０ａｇ＋５ｄ：）（１＋ｏ．７尺Ｐ：。２尸ｒ上）＋

（１．３３—２．４ｓｇ＋１．２ａ：）Ｒ已：。７

Ｐ芦

１．２

化学反应模型

煤气化过程可分为：①煤的热解；②非均相

的气固反应，气相可能是最初的气化剂，也可能是气化过程的产物，固相为煤热解后产生的焦炭；③均相的气相反应．

１．２．１煤热解反应动力学模型

本文中，煤的热解及组分平衡主要考虑：

煤＿＋Ｃ。＋挥发分＋Ｈ２０＋灰

（２８）

挥发分－÷，１１Ｃ０２＋ｎ２ＣＯ＋，１３ＣＨ４＋，１４Ｈ２（２９）

式中，挥发分组分的摩尔数，７鼬＝１，２，…，４）由参

与气化反应煤的工业分析及元素分析所确定．同时假设挥发分析出后颗粒体积不变．

自１９７０年Ｂａｄｚｉｏｃｈ等提出了最简单的煤热双方程、多方程、多组分析出、热解机理性、竞争反型‘¨］．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ等提出的一对平行的、一级不可逆反应模型是目前应用比较广泛的热分解模型‘１

２｜：

Ｃ一（１一ｙ１）Ｓｌ＋ｙ１Ⅵ１Ｃ一（１一ｙ２）Ｓ２＋ｙ２Ｋ

幻

｝（３０）

Ｊ

反应速率方程为

譬：华：（ｙｌ七。＋ｙ２足：）ｃ（３２）

譬＝一（忌。＋如）ｃ面２一【七１＋乜）ｃ

（３１）‘ｊ１Ｊ

ｄｆ

ｄｆ

、‘１’－１’—Ｆ一７。

、。一７

中未反应碳的浓度；ｙ为挥发系数；ｙ为挥发分浓‰＝‰ｅｘｐ（鲁）

（３３）

各反应参数取为㈦：Ａｌ＝０．２斗ｓ～，Ａ２＝１３

斗ｓ～，蜀＝０．１０４

６

ｋＪ／ｍｏＩ，易＝０．１６７

４

解动力学的单方程模型以来，许多学者相继提出了应及通用模型等各种经验、半经验以及理论模式中，ｓ。，ｓ：表示挥发分析出反应产生的固体颗粒度；ｃ表示固体颗粒中未反应的煤的浓度；＇，为挥发分析出量；七。，也为Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ形式的反应速率系数：