粉煤气化炉数值模拟及性能优化分析.ppt

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1、粉煤气化炉数值模拟及性能优化分析粉煤气化炉数值模拟及性能优化分析01/312017年年12月月17日日Example of a Bullet Point Slide02/31 绪论1粉煤气化数值模拟计算模型2粉煤气化炉冷态数值模拟3粉煤气化炉热态数值模拟 4粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析 5结论与展望61 绪论Picture slide我国是煤炭生产和消费大国。短时间内我国以煤炭为主要能源的现状不会改变。粉煤气化技术作为一种典型的洁净煤技术以其适用煤种广泛、有效气含量高、能耗和水耗低等优点，被广泛应用。粉煤气化技术的核心设备是粉煤气化炉，粉煤气化炉内的煤气化过程涉及复杂的多相耦合流动、

2、反应等，其数值模拟模型建立还存在很多问题，因此对粉煤气化炉进行研究具有重要意义。03/31图1 典型的单喷嘴粉煤气化技术研究背景及意义 1 绪论Picture slide国内外研究现状 国内外学者对粉煤气化炉进行了广泛研究。主要研究内容可分为冷态研究和热态研究。（1）冷态研究于遵宏、王辅臣、叶正才、唐志国、于海龙等对气化炉进行了冷态实验和数值模拟研究，实验研究主要侧重于单介质流体在炉内的流场分布，受实验设备影响少有涉及气固颗粒流场分布。数值模拟研究的模型主要侧重于粒子使用DPM模型，轨迹追踪采用采用随机轨迹模型，气相湍流模型一般采用Realizable k-和Stand k-两种，主要考察流场

3、分布和颗粒停留时间。（2）热态研究于海龙、吴玉新、许建良、王辅臣、Caixia Chen、Mayank Kumar等学者进行了的热态实验和数值模拟研究，实验研究主要侧重于流场、温度场和各组分浓度等，但实验研究具有局限性。数值模拟研究的模型主要侧重于煤粒使用DPM模型，气相的湍流一般采用Realizable k-或Stand k-，气相化学反应采用pdf反应模型，焦炭颗粒异相反应主要采用动力-扩散模型，辐射模型一般采用P1模型，主要考察对象为流场、温度分布、各组分浓度分布和碳转化率等。04/311 绪论Picture slide阅读文献发现：（1）气化炉冷态和热态数值模拟，文献中均忽略喷嘴多通道

4、结构，将喷嘴简化为单通道喷嘴，忽略喷嘴结构对结果影响。（2）热态数值模拟：a.煤气化数值模拟中，对于煤挥发分成分的处理是数值模拟中的一个关键因素。对于挥发分成分的简化，假设挥发分成分为单一大分子气体，或者考虑简化组成？b.组分输运燃烧模型需要合理的煤气化反应机理，如何简化炉煤气化反应机理？本文研究内容（1）冷态模拟初步研究，结合双通道喷嘴结构对典型粉煤气化炉进行冷态数值模拟，考核网格，考察不同通道速度对冷态场分布影响。（2）热态模拟以包含双通道喷嘴结构的典型粉煤气化炉为研究对象：a.使用组分输运燃烧模型，建立简化粉煤煤气化反应机理，与实验值进行对比验证。b.考核湍流模型、煤脱挥发分模型和挥发分

5、成分处理方法，与实验值对比，确定合理的湍流模型和煤脱挥发分模型。（3）粉煤气化炉工艺参数和结构参数的优化分析。05/31主要研究内容 2.1 粉煤气化过程2.2 气相控制方程2.3 湍流模型2.4 离散相模型2.5 辐射模型2.6 水分及挥发分析出模型 2.6.1 水分蒸发、沸腾模型 2.6.2 挥发分析出模型2.7 反应模型 2.7.1 异相反应模型 2.7.2 气相反应模型 2.7.3 简化煤气化反应机理2.8 本章小结2 粉煤煤气化数值模拟计算模型06/313 粉煤气化炉冷态数值模拟3.1 气化炉模型建立研究对象为简化的双通道喷嘴和气化炉燃烧室，气化炉内径为0.2m，Lm为1.84m，前

6、部长度为0.05m，喷嘴中心通道直径为0.013m，喷嘴外环通道直径为0.0286m。3.2 气化炉网格划分采用ICEM软件划分六面体结构化网格射流区域局部加密图3.1 气化炉几何模型图3.2 气化炉网格划分结果07/313 粉煤气化炉冷态数值模拟3.3 边界条件设置整个计算流体域设为fluid；喷嘴外环进口in2设为Velocity_inlet；中心进口in1设为Velocity_inlet；出口设为Pressure_out；两对称面设成Symmetry边界；其他边界均为Wall。08/313.4 网格独立性考核图3.4 平均湍流强度I和平均湍动能K随网格数变化的关系网格数为15.6万已满足

7、计算精度要求。图3.3 气化炉边界条件设置求解设置(1)气相流体介质设为空气，固相粒子设为惰性颗粒；(2)中心进口速度为54.5m/s，外环进口为7.5m/s;离散相采用surface方式进料，颗粒密1300kg/m3，个数为1100，离散相粒径服从r-r分布，最小颗粒直径为310-6m，最大颗粒直径为810-5，平均颗粒直径为3.610-5m，分布参数为1.033；(3)湍流模型采用Realizeable k-；离散相欠松弛因子设为0.2；各项残差均设置为110-5，同时监测Z=0截面的平均速率值保持不变，以判断结果收敛性。3 粉煤气化炉冷态数值模拟3.5 结果分析 （1）场分布分析气化炉内

8、冷态流场可分为射流区、回流区和管流区。射流流场最大湍动动能K值约为120m2/s2，最大湍流强度I值约为1000%。离散相颗粒轨迹受气相流场影响，一部分小直径颗粒跟随气相轨迹运动，一部分大直径颗粒受气相流场影响较小，直接逃出气化炉。颗粒在炉内最短停留时间为2.39s，全部颗粒平均停留时间为5.55s，颗粒停留时间标准差为2.81s。图3.5 气化内Z=0截面气相及离散相场分布09/31(a)速度(b)流线(c)湍动能(d)湍动强度(e)颗粒轨迹3 粉煤气化炉冷态数值模拟（2）中心通道速度对场分布影响10/31(a)湍流强度(b)湍动能图3.6 气化炉中心轴线上湍流强度I和湍动能K图3.7 Z=

9、0截面平均湍流强度I和湍动能K图3.8 颗粒平均停留时间、最小停留时间和标准差 3 粉煤气化炉冷态数值模拟（3）外环通道速度对场分布影响11/31(a)湍流强度(b)湍动能图3.10 气化炉中心轴线上湍流强度I和湍动能K图3.11 Z=0截面平均湍流强度I和湍动能K图3.12 颗粒平均停留时间、最小停留时间和标准差(a)V2=7.5m/s(b)V2=15m/s(e)V2=45m/s(c)V2=25m/s(d)V3=35m/s图3.13 不同外环进口速度下气化炉颗粒轨迹（颗粒直径标示）随着V2增大，煤粒回流位置明显向上推移，且回流煤粒数明显减少，尤其大直径煤粒数量明显减少，煤粒在管流区和回流区分

10、界显著。4 粉煤气化炉热态数值模拟4.1 模型建立和假设热态计算为第三章已考核好的几何模型，网格数约为15.6万。操作条件：压力为1atm，气化炉用煤煤质见表4.1，煤进料量为23.904kg/s，温度367K，颗粒直径分布服从r-r，最小粒径3.010-6m，最大粒径8.010-5m，平均粒径3.610-5m；喷嘴中心通道氧化剂进料量为26.244kg/h，温度为 367K，组 分 xO2/xN2/xH2O质 量 比 例 为0.85/0.126/0.024；外环水蒸汽进料6.624kg/h，温度450K。假设：（1）流场为稳态流场；流体为不可压缩牛顿流体；（2）假设煤粒均为球形，且直径分布服

11、从rosin-rammler定律；（3）假设煤粒从气化炉喷嘴以面喷射方式进入气化炉，煤粒遇到壁面边界会弹回，煤粒在进出口边界将逃离气化炉；（4）不考虑煤中S、N的污染物生成，将S质量并入N元素中，N全部转化产物为N2。12/31表4.1 气化炉用煤煤质分析4 粉煤气化炉热态数值模拟4.2 边界条件及求解设置求解设置湍流采用Realizable k-模型，近壁面采用标准壁面函数处理；采用P1模型；气相反应模型采用有限速率/涡耗散模型，异相反应采用多体表面反应模型。离散相采用DPM模型，面喷射方式，颗粒数为2750个；压力欠松弛因子设为0.5，动量设为0.2，密度和P1设置为0.8，组分和能量方程

12、设为0.95，离散相设置为0.1；收敛标准：连续相残差设为110-4，能量和辐射残差设为110-6，组分设为110-5。同时监测出口组分摩尔分数和平均速率值不发生变化。图4.1 边界条件设置表4.2 化学反应参数表13/314 粉煤气化炉热态数值模拟4.3 模型考核 （1）湍流模型考核考核的湍流模型为：Realizable k-模型、Stand k-模型、RNG k-模型、SST k-模型和RSM模型，结果如表4.3。表4.3 气化炉数值模拟值与实验值对比结果14/31湍流模型选用Realizable k-4 粉煤气化炉热态数值模拟(2)脱挥发分模型考核考核脱挥发分模型：constant、si

13、ngle-rate、two-competing-rates和cpd-model。15/31图4.2 气化炉中心轴线各组分摩尔分数模拟值和实验值(a)CO摩尔分数(b)H2摩尔分数(c)CO2浓度(d)H2O浓度从表4.4中可以看出，two competing rates模型下各组分摩尔分数和碳转化率与实验值较为接近，相对误差较小，故选择two competing rates模型。表4.4 气化炉数值模拟值与实验值对比结果4 粉煤气化炉热态数值模拟（3）挥发分成分处理方法考核主要有两种方法：一种是假设挥发分为单一成分挥发分，另一种是假设挥发分为简化的组分。本文简化为CO、H2、CH4、C6H6和

14、N2。16/31(a)CO摩尔分数(b)H2摩尔分数(c)CO2浓度(d)H2O浓度图4.3 气化炉中心轴线各组分摩尔分数模拟值和实验值从表4.5中可以看出简化挥发分处理方法下各组分摩尔分数和碳转化率与实验值较为接近，相对误差较小，故选择简化挥发分成分处理方法。表4.5 气化炉数值模拟值与实验值对比结果4 粉煤气化炉热态数值模拟4.4 结果分析 （1）速度和温度场分析图4.4 气化炉内Z=0截面了冷态速度场、热态速度场、热态流线和温度场图气化炉内热态流场分为射流区、回流区和下管流区，出口处速度约为7.8m/s；热态整体速度值大于冷态值；高温区存在于射流区外围，最高温度约为2400K，射流中心温

15、度最低，回流区温度稍高于管流区。回流的存在可以为煤粒和氧化剂预热，促进射流区反应的进行，并有效降低壁面温度。温度分布变化梯度与速度变化梯度相对应，温度梯度高的区域湍流混合剧烈。17/31(a)冷态速度场(b)热态速度场(c)热态流线图(d)热态温度场4 粉煤气化炉热态数值模拟（2）组分摩尔分数场分析在距喷嘴0.5m内，O2迅速被燃尽，CO2大量生成，其他组分浓度变化较小。在火焰顶部位置，存在小区域的CO和H2浓度较高，CO2和H2O浓度较低，随着距离喷嘴的距离变大，CO2和H2O在转化为CO和H2，在气化炉长度2/3处左右，各组分浓度接近稳定，出口处CO的浓度为32.2%，H2浓度为17.0%

16、，CO2浓度为15.9%，H2O浓度为25.9%。18/31图4.5 气化炉内Z=0截面组分浓度分布图4.6 中心轴线处各组分摩尔分数4 粉煤气化炉热态数值模拟（3）颗粒轨迹和颗粒分布时间颗粒在射流区速度较高，而回流区和管流区速度较低；小直径颗粒在回流区较为密集。大直径颗粒在管流区较为密集；在射流区颗粒温度最高，这主要是受剧烈燃烧反应影响，颗粒温度升高，同时有利于挥发分析出和焦碳颗粒燃烧放热；颗粒平均停留时间为0.79s，最小停留时间为0.30s，标准差为0.52，气化炉碳转化率为82.81%。19/31(a)颗粒速度分布(b)颗粒直径分布(c)颗粒温度分布图4.7 气化炉内颗粒轨迹分布5 粉

17、煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析5.1 粉煤气化炉工艺参数优化分析（1)氧煤比对气化炉气化性能的影响选择氧煤比(O2/C)为0.7、0.8、0.9、1.0和1.1五种工况。随着氧煤比增大，气化炉出口处CO和H2摩尔分数减小，CO2和H2O摩尔分数增大，且碳转化率先增大后减小，氧煤比为1.0时，碳转化率最高为84.3%，出口有效气摩尔分数降低。在一定范围内，提高氧煤比可提高碳转化率，但有效气摩尔分数会降低。20/31图5.1 不同氧煤比下气化炉出口CO、H2、CO2、H2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.2 不同氧煤比下气化炉碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析(2)汽煤比

18、对气化炉气化性能的影响定义汽煤比（H2O/C）为喷嘴外环通道进料水蒸汽质量与煤质量的比值。选择汽煤比（H2O/C）为0.16、0.22、0.28、0.34和0.40五种工况。随着汽煤比增大，气化炉出口处CO摩尔分数减小，H2O摩尔分数增大，CO2和H2摩尔分数基本保持不变，而碳转化率减小，出口有效气摩尔分数降低。适量的水蒸汽有利于降低炉内温度，延长气化炉内耐火材料寿命，但是过多的水蒸汽会降低气化炉气化性能，造成排渣困难。21/31图5.3 不同汽煤比下气化炉出口CO、H2、CO2、H2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.4 不同汽煤比下气化炉碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析

19、（3）操作负荷对气化炉气化性能的影响定义负荷比（Load）为负荷量与基准负荷量的比值。选择负荷比为0.5、1.5、1、2.0和2.5的五种工况。随着负荷比增大，气化出口有效气CO和H2摩尔分数显著降低，CO2和H2O摩尔分数显著增大，碳转化率也显著降低，出口有效气摩尔分数降低。在气化炉体积一定的情况下，过大的负荷不利于气化炉气化性能提升。22/31图5.5 不同负荷比下气化炉出口CO、H2、CO2、H2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.6 不同负荷比下气化炉碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析（4）煤粒直径对气化炉气化性能影响23/31表5.1 不同工况的煤粒直径参数随着煤粒

20、直径增大，出口CO和H2浓度减小，CO2和H2O浓度增大，出口有效气摩尔分数降低，碳转化率降低。煤粒直径增大，气化炉气化性能降低，可开发煤粒超细粉碎，提高煤气化性能。图5.7 不同煤粒直径下气化炉出口CO、H2、CO2、H2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.8 不同煤粒直径下气化炉碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析（5）CO2作为载气对气化炉气化性能影响24/31保持其他工艺参数不变，将中心通道的载气N2全部替代为CO2。从表5.2中可以看出，CO2替代N2作为载气，气化炉出口处的CO2、CO、H2O和有效气摩尔分数均增大，而碳转化率基本不变，而H2浓度值略有减小。表明采用

21、CO2作为载气可以提升气化炉的气化性能。表5.2 不同载气下气化炉出口组分摩尔分数和碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析（6）气化剂配比对气化炉气化性能的影响25/31考察气化剂配比为（CO2和H2O）。在外环通道中上加入CO2，定义CO2质量分数（wt）为CO2质量占外环通道总气化剂的质量百分数。设置CO2质量分数（wt）：10%、20%、30%、40%和50%。随着CO2质量分数增大，出口CO和CO2摩尔分数增大，H2和H2O摩尔分数减小，有效气摩尔分数增大后不变，碳转化率增大后降低。综合考虑，最佳的气化剂配比为CO2的质量分数为40%。图5.9 不同CO2质量分数下气化炉出

22、口CO、H2、CO2、H2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.10 不同CO2质量分数下气化炉碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析5.2 气化炉结构参数优化分析 （1）轴向扩展长径比对气化炉气化性能影响设定长径比（）为气化炉直管段长度L与气化炉直径D比值。保持气化炉直径不变，设定五种不同轴向扩展长径比（L）5.85、6.85、7.85、8.85（基准工况）和9.85。随着轴向扩展长径比增大，出口CO和H2浓度分别增大，CO2和H2O浓度分别减小，有效气摩尔分数增大，碳转化率增大。综合考虑，最佳的轴向扩展长径比为8.85。26/31图5.11 不同轴向扩展长径下气化炉出口CO、H

23、2、CO2、H2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.12 不同轴向扩展长径下气化炉碳转化率5 粉煤气化炉工艺参数及结构参数的优化分析（2）径向扩展长径比对气化炉气化性能影响26/31保持长度不变，设定五种不同径向扩展长径比（D）9.85、8.85、7.85、6.85（基准工况）和5.85。随着径向扩展长径比减小，出口CO和H2摩尔分数增大，CO2和H2O摩尔分数减小，有效气摩尔分数增大，气化炉碳转化率显著增大。虽然径向扩展长径比减小，气化炉气化性能提高，但是过小的径向扩展长径比，会造成设备的浪费，因此需要控制合理的径向扩展长径比。图5.13 不同径向扩展长径下气化炉出口CO、H2、CO2、H

24、2O和有效气(CO+H2)摩尔分数图5.14 不同径向扩展长径下气化炉碳转化率6 结论与展望28/31建立了包含双通道喷嘴结构的粉煤气化炉三维冷态数值模拟模型，湍流采用Realizable k-model，离散相采用DPM模型，考核确定网格数为15.6万。离散相颗粒轨迹受气相流场影响显著，导致颗粒在炉内的最小停留时间为2.39s，平均停留时间为5.55s，标准差为2.81s；外环进口速度增大，使气化炉中心轴线上速度、湍流强度和湍动能最大值位置从0.15m推移到0.30m，速度、湍流强度和湍动能值也增大。结论 建立了包含双通道喷嘴结构的粉煤气化炉三维热态数值模拟模型，针对复杂的煤气化反应过程，建

25、立了简化煤气化反应机理。通过采用简化煤气化反应机理，异相化学反应采用多体表面反应模型，气相化学反应采用有限速率/涡耗散模型。通过考核，湍流模型采用Realizable k-，脱挥发分模型采用two competing rates，采用简化挥发分成分的处理方法，模拟结果与实验值吻合，碳转化率和CO、H2、CO2、H2O摩尔分数相对实验的误差分别为1.2%、9.6%、4.6%、6.3%和1.1%。出口处CO摩尔分数为32.2%，H2摩尔分数为17.0%，CO2摩尔分数为15.9%，H2O摩尔分数为25.9%，碳转化率为82.81%。6 结论与展望29/31增大氧煤比，会降低气化炉出口有效气(CO+

26、H2)摩尔分数，而碳转化率先增大后减小，氧煤比为1时，碳转化率达到最大值84.3%。增大汽煤比、负荷比和煤粒直径，会降低气化炉出口有效气摩尔分数和碳转化率。CO2替代N2作为载气，气化炉出口有效气摩尔分数提升2%左右。综合考虑出口有效气摩尔分数和碳转化率，气化剂配比中CO2质量分数为40%时最佳。结论 综合考虑出口有效气摩尔分数和碳转化率，选择气化炉最佳的轴向扩展长径比为8.85。径向扩展长径比从5.85增大到9.85，碳转化率从94.4%减小到77.4%，出口有效气摩尔分数从0.567减小到0.461。径向扩展长径比较轴向扩展长径比对气化性能影响大。6 结论与展望30/31本文仅对粉煤气化炉进行了数值模拟计算研究，并将计算结果与文献实验值进行了对比，未开展相关的实验研究，后期可以开展对煤气化反应机理的实验研究。展望 本文仅对粉煤气化炉的工艺参数和结构参数进行了单因素分析，未采用优化方法进行数值计算；且仅对包含双通道喷嘴的典型粉煤气化炉进行了研究，以后可以对多种粉煤气化炉型和喷嘴结构进行研究。