打赏本站 | 会员中心 | 我要投稿 | 手机网站
您当前的位置:首页 > 气化管理 > 技术管理

水煤浆气化炉的热态数值模拟

时间:2016-06-26 22:46:35  来源:中国百科网  作者:

本文采用PDF燃烧模型和DPM颗粒相模型对水煤浆气化炉进行热态模拟,模拟结果与现场运行数据相一致5Q2气化网

1 前言
随着计算机技术的迅速发展,CFD(Computing Fluid Dynamics)数值模拟受到越来越多人的重视。一方面,数值模拟相对实验来说运行成本低;另一方面,数值模拟可以拓展到难以用实验方法进行研究的领域,并且能够给出模拟对象的全面信息,便于对研究问题建立直观的理解。
水煤浆气化炉内的流场及温度场分布比较复杂,为了深入了解气化炉内的流场及温度场分布,为气化炉的优化设计提供依据,目前许多学者通过CFD技术对气化炉进行了模拟研究。周俊虎、匡建平等用非预混燃烧模型对Shell粉煤气化炉进行了热态模拟,得到气化炉内的温度分布及煤气成分。吴玉新等利用fluent选择简化PDF模型对Texaco水煤浆气化炉进行了热态模拟研究,模拟得到气化炉内的温度场及浓度场,模拟结果与现场数据相吻合。于海龙、赵翔、周俊虎等利用fluent软件选择非预混燃烧模型对Texaco水煤浆气化炉进行了模拟研究,得到气化炉内的流场、温度场、浓度场及出口煤气成分,并分析了氧煤比、煤浆浓度对气化的影响。
水煤浆气化炉的热态模拟中,并未发现有文献详细说明模拟时水煤浆中水分的考虑,而且热态模拟多为粉煤气流床气化炉和Texaco水煤浆气化炉,并没有学者对对四喷嘴对置式水煤浆气化炉进行热态模拟。为了选择合适的热态模拟模型,并验证水煤浆气化炉热态模拟的可靠性,本文首先选择利用Fluent模拟现场运行的Texaco气化炉,并将模拟结果与现场运行数据作对比。同时,为了获取更多的四喷嘴水煤浆气化炉的内部信息,更加真实地反映四喷嘴水煤浆气化炉的运行状况,本文对四喷嘴水煤浆气化炉进行热态模拟研究。
2 Texaco水煤浆气化炉热态模拟
2.1研究对象

Texaco水煤浆气化炉(图1)由上下两部分组成,气化炉上部为燃烧室,下部为激冷室。水煤浆经煤浆泵加压后与高压O2在喷嘴中充分混合后喷入气化炉内,在气化炉内经预热、水分蒸发、煤的热解、挥发分燃烧气化及残炭气化,最后生成合成气。高温合成气和液态熔渣从气化室出口进入冷却区,合成气冷却后进入后面的净化装置。Texaco气化炉内的流动属于受限射流,炉内的流动可分为三个区,即射流区、管流区及回流区,如图1(b)所示。
本节选取的研究对象为现场运行的Texaco水煤浆气化炉,气化炉内径为1.676m,燃烧室高为4.7m。现场运行的操作压力6.25MPa,水煤浆处理量为40t/h,气化剂为纯氧,流量为17500Nm3/h,温度为303K。水煤浆用煤的工业分析、发热量及元素分析见表1,煤浆浓度为62%,温度为323K。
2.2网格模型及边界条件
根据Texaco水煤浆气化炉的结构特点,本文利用二维轴对称模型对Texaco水煤浆气化炉进行气化模拟。在gambit中建立二维轴对称模型,网格划分采用Map方式划分四边形网格,网格数为1.2万。气化炉进口设置为质量流量进口Mass_flow_inlet,气化炉出口设置为压力出口Pressure_outlet,中心线设置为轴对称边界Axis,外表面设置为固体壁面Wall,整个气化炉区域设置为流体区域Fluid,网格模型及边界条件如图2所示。

图2 网格模型及边界条件
ANSYS     本文采用PDF燃烧模型和DPM颗粒相模型对水煤浆气化炉进行热态模拟,模拟结果与现场运行数据相一致
2.3求解参数设置
(1)求解器选择Pressure Based Solver,选择稳态计算,二维空间选择轴对称模型。
(2)速度压力耦合采用Simple算法,离散格式压力采用PRESTO格式,其他先采用一阶迎风格式求解,然后改为二阶迎风格式求解。
(3)湍流模型选择Realizable k-ε模型,采用标准壁面函数,打开能量方程,辐射模型选择P1辐射模型。
(4)气相燃烧采用PDF非预混燃烧模型,PDF表中选择平衡状态、非绝热系统、经验燃料流,输入干燥无灰基中煤的元素分析,其中不考虑S元素对反应的影响,将S元素的组分算入N元素中。假设水煤浆中的水分瞬间蒸发,将水煤浆中的水看作氧化剂,氧化剂的组成有氧气和水。
(5)煤粉挥发分析出模型选择双竞争热解模型(two-competing-rates model),煤粉燃烧采用动力-扩散控制燃烧模型。
(6)气固两相流采用DPM模型,考虑颗粒相与连续相之间的相互作用,考虑颗粒之间的辐射作用,喷射出的煤粒粒径服从rosin-rammler分布,最小粒径为70μm,最大粒径为200μm,平均粒径为134μm,颗粒轨道模型采用随机轨道模型。
(7)入口边界采用质量流量入口,壁面采用恒壁温,设为1200K。
(8)密度松驰因子设为0.8,动量松驰因子设为0.2,离散相松驰因子设为0.25,湍流粘度松驰因子设为0.7。
(9)收敛标准:能量、P1的残差设为10-6,其他变量残差设为10-4;满足质量守恒、能量守恒;同时监测出口温度、CO浓度、H2浓度的变化。
2.4挥发分析出模型的选取及考核
    目前,煤的燃烧模拟中,挥发分的析出有定速率反应模型(constant model)、单步反应模型(single-rate model)、双竞争热解模型(two-competing-rates model)等。为了选择合适的挥发分析出模型,本文用以上三种挥发分析出模型对Texaco水煤浆气化炉进行气化模拟,并将结果与现场运行结果进行比较。

图3 不同挥发分析出模型计算结果
图3为利用不同挥发分析出模型模拟计算得到的气化炉内温度分布、CO浓度分布、H2浓度分布。由图3可以看出,挥发份析出模型采用Single-rate model、Two-competing-rates model时,模拟得到的温度分布、CO浓度分布、H2浓度分布相似。水煤浆喷入气化炉内,射流中心温度低,两侧温度高,在气化炉下半部分温度分布均匀,CO和H2在燃烧的高温区浓度分布低。

表2为模拟得到的气化炉出口处CO、H2、CO2、H2O的浓度分布及碳转化率,以及现场运行的数据。由表2可知,挥发份析出模型采用Single-rate model、Two-competing-rates model时,模拟结果相差不大。与运行数据相比,挥发份析出模型采用Two-competing-rates时,模拟结果与实际运行数据更接近,模拟得到的CO、H2、CO2、H2O及碳转化率与现场运行数据的相对误差分别为-2.4%、9.0%、-22.2%、17.5%和-4.5%。
ANSYS     本文采用PDF燃烧模型和DPM颗粒相模型对水煤浆气化炉进行热态模拟,模拟结果与现场运行数据相一致2.5水煤浆中水的处理方法选取及考核,目前,水煤浆的气化模拟中,水煤浆中水的处理一直是模拟研究中的一个问题。采用PDF非预混燃烧模型进行水煤浆气化模拟时,对水煤浆中水的处理目前主要有两种方法:一种观点认为水煤浆中水的蒸发过程很快,将水煤浆的水看作氧化剂,本文上一节的模拟计算即采用此种方法;另一种观点将水煤浆看作具有特殊性质的煤粒,水煤浆中的水看作挥发分的组成部分,将水中的H、O元素折算为燃料流中的元素。为了选择合适的处理方法,本文利用以上两种方法对Texaco水煤浆气化炉进行了气化模拟。

图4为将水煤浆视为特殊性质的煤粒和将水视为氧化剂时模拟得到的气化炉内的温度分布、CO浓度分布及H2浓度分布。由图4可以看出,将水煤浆视为特殊性质的煤粒模拟得到的结果和将水视为氧化剂模拟得到的结果相差较大,具体模拟数据及误差见表3。由表3可以看出,将水视为氧化剂时模拟结果与现场运行数据相一致。
    综上,对于水煤浆气化炉的热态模拟,煤的挥发分析出模型采用Two-competing- rates model,水煤浆中水分的处理方法选择将水视为氧化剂,模拟结果与现场运行数据相差较小,模拟得到的CO、H2、CO2、H2O及碳转化率与现场运行数据的相对误差分别为-2.4%、9.0%、-22.2%、17.5%和-4.5%。
表3 气化炉出口模拟数据与现场运行数据.

3 四喷嘴水煤浆气化炉热态模拟
3.1研究对象

图5 气化炉结构及模型尺寸
    四喷嘴对置式气化炉结构如图5(a)所示,气化炉分燃烧室和激冷室两部分,水煤浆与氧气通过喷嘴高速喷入燃烧室内进行燃烧反应,反应后的气体及灰渣进入气化炉下部激冷室,激冷室内保持一定深度的灰水,渣水从底部流出,合成气从激冷室侧面出口流出进入下一工序。
ANSYS     本文采用PDF燃烧模型和DPM颗粒相模型对水煤浆气化炉进行热态模拟,模拟结果与现场运行数据相一致
    研究对象为气化炉燃烧室,燃烧室上部沿周向均布4个气化炉喷嘴,顶部为截平的半球形封头,燃烧室的尺寸如图5(b)所示。气化压力为4.0MPa,水煤浆处理量为10t/h,气化剂为纯氧,流量为4375Nm3/h,温度为303K。水煤浆用煤与上一节Texaco水煤浆用煤相同,煤浆浓度为62%,温度为323K。
    根据模型的对称性,在gambit中建立四分之一的气化炉模型(建模时以撞击点为坐标原点,向上为Z轴,向右为X轴,垂直纸面为Y轴),采用cooper方法划分六面体网格。因撞击区流场复杂,速度梯度大,本文对撞击区的网格进行了加密,网格数为16万,划分的网格如图5(c)示。
    热态模拟时的边界条件、求解设置与Texaco水煤浆气化炉热态模拟相同。模拟得到四喷嘴水煤浆气化炉热态运行下的流场、温度场及浓度场。
3.2流场分析

图6 冷态模拟结果

图7 热态模拟结果
图6为冷态模拟得到的气化炉内的流场分布,图7为热态模拟得到的气化炉内的流场分布。由图6、图7可以看出,冷态模拟和热态模拟得到的流场分布总体相似,流体通过喷嘴高速射入炉内,在中心处撞击,形成上下两股流体,同时在喷嘴上下方均形成较大的回流区。
    冷态模拟和热态模拟得到的流场分布也存在一定差别,热态模拟得到的速度分布较大,在射流及撞击形成的上下两股流体中表现尤为明显,热态模拟气体到达气化炉顶部的速度约为5m/s,冷态模拟气体到达气化炉顶部的速度约为1m/s;热态运行时气化炉内的湍动程度更大,热态模拟下炉内平均湍动能为3.7m2/s2,炉内平均湍流强度为123%,冷态模拟下炉内平均湍动能为0.6m2/s2,炉内平均湍流强度为41%。因为热态模拟下,水煤浆燃烧气化,炉内形成高温,气体密度减小,气体膨胀使得炉内的速度增大,湍动能增大,热态运行下气化炉内的流场分布更加复杂。
ANSYS     本文采用PDF燃烧模型和DPM颗粒相模型对水煤浆气化炉进行热态模拟,模拟结果与现场运行数据相一致
3.3温度场及浓度场分析
    图8为Z=0平面的温度分布及CO、H2、CO2的浓度分布。由图8可以看出,水煤浆和氧气从喷嘴喷出后,在中心区域发生撞击,射流中心温度低,两侧温度较高,说明水煤浆到达气化炉中心之前,挥发分析出,与O2混合,在射流中心的两侧发生剧烈的燃烧反应,最高温度达2400K左右,同时撞击区周围温度也较高,温度达2200K左右。射流中心到撞击中心温度逐渐升高,射流中心水煤浆被周围的高温火焰加热,吸收热量温度升高。高温区域CO2浓度高,CO、H2浓度低,说明此区域主要发生燃烧反应。射流区和撞击区之外的区域,温度较低,CO2浓度低,CO、H2的浓度高。

图8 Z=0平面温度及浓度分布


图9 Y=0平面温度及浓度分布
图9为Y=0平面的温度分布及CO、H2、CO2的浓度分布。由图9可以看出,撞击形成上下两股流体,向上的流体温度较高,以一定速度冲刷炉顶,到达炉顶时的温度达1750K左右,这股高温流体不断冲刷炉顶会加快炉顶耐火砖的磨损腐蚀。向下的流体温度较低,且温度分布较均匀。气化炉喷嘴上方CO、H2浓度较低,CO2浓度相对较高,浓度分布不均匀;气化炉喷嘴下方CO、H2浓度较高,CO2浓度较低,接近气化炉出口处浓度分布均匀,说明气化反应达到平衡。最终气化炉出口处CO、H2的平均浓度分别为39.2%、22.8%,气化炉内碳转化率达93.7%。

图10 中心轴线沿程浓度分布
图10为中心轴线沿程CO、H2、CO2的浓度分布,中心轴线上CO、H2浓度分布相一致,CO2与CO浓度分布趋势相反。撞击中心处CO、H2含量低,CO2含量高。撞击流向下(即Z负向)运动后,CO、H2含量逐渐增大,最后趋于稳定,CO2含量逐渐降低,最终趋于稳定。
4 结论
    本文利用Fluent软件对水煤浆气化炉进行了热态模拟研究,首先模拟现场运行的Texaco水煤浆气化炉,考核不同挥发分析出模型及水分处理方法对模拟结果的影响,然后利用考核好的挥发分析出模型及水分处理方法对四喷嘴对置式水煤浆气化炉进行热态模拟,结果表明:
    (1)水煤浆气化炉热态模拟中煤的挥发分析出模型采用Two-competing- rates model,水煤浆中水分的处理方法选择将水视为氧化剂时,模拟结果与现场运行数据相一致,模拟得到的CO、H2、CO2、H2O及碳转化率与现场运行数据的相对误差分别为-2.4%、9.0%、-22.2%、17.5%和-4.5%。
    (2)四喷嘴对置式水煤浆气化炉冷态模拟和热态模拟得到的流场分布总体相似,但也存在一定差别。热态模拟得到的速度分布较大,湍动能、湍流强度也较大。射流中心温度低,两侧温度较高,最高温度达2400K左右,同时撞击区周围温度也较高,温度达2200K左右。撞击形成的向上流体以一定速度冲刷炉顶,到达炉顶时的温度达1750K左右,这股高温流体会加快炉顶耐火砖的磨损腐蚀。
    (3)气化炉喷嘴上方CO、H2浓度较低,CO2浓度相对较高,浓度分布不均匀;气化炉喷嘴下方CO、H2浓度较高,CO2浓度较低,接近气化炉出口处浓度分布均匀,气化反应到平衡。最终气化炉出口处CO、H2的平均浓度分别为39.2%、22.8%,气化炉内碳转化率达93.7%。

 5Q2气化网

来顶一下
返回首页
返回首页

请打赏支持气化网建设?

气化网是一个独立的行业化工网站,一直坚持免费共享、互相学习提高的原则。

坚持原创共享、各种渠道收集资料用来提高气化人的实践业务、理论水平!如果本站原创资料对你有用,不妨考虑请站长喝杯咖啡鼓励一下!

推荐资讯
兖矿鲁化多喷嘴气化炉控制运行管理课件之一
兖矿鲁化多喷嘴气化炉
EMMERICH高压煤浆泵介绍
EMMERICH高压煤浆泵介
OMB气化工艺流程
OMB气化工艺流程
我自主气化炉稳运创世界纪录
我自主气化炉稳运创世
水煤浆气化网推荐
栏目更新
栏目热门