气流床气化炉气化过程的分区模拟_林慧丽
142)JournalofEastChinaUniversitofScienceandTechnoloNaturalScienceEdition ygy(
华东理工大学学报(自然科学版)
Vol.38No.2
201204-
()10063080201202014207 文章编号:---
气流床气化炉气化过程的分区模拟
林慧丽, 代正华, 孙钟华, 李 超, 于广锁()华东理工大学煤气化教育部重点实验室,上海200237
基于气流床气化炉的三区及短路混合模型,将气化炉炉内空间按流场-化学反应特征划 摘要:
射流区二次反应区、回流区二次反应区和管流区二次反应区。对一次均相反应采用分为燃烧区、
二次均相反应、非均相反应采用动力学模型进行了模拟计算,得到了气化炉中各Gibbs平衡模型,
分区的温度和气体组成,并将其结果与G吻合良好;在气化ibbs平衡模型的计算结果进行了对比,炉适宜的操作温度范围内,采用该模型预测了最优的氧煤比和蒸汽煤比的调节范围。
关键词:粉煤气化炉;分区模型;动力学模型中图分类号:TQ546
文献标志码:A
PartitionSimulationforGasificationProcessof
EntrainedFlowGasifier-
LIN Huili,DAIZhenhua,SUN Zhonhua,LIChao,YU Guansuo- g-g-g-
(KeLaboratoroCoalGasiicationoMinistroEducation,EastChina Universito y yf ff yf yf
and TechnoloShanhai200237,China)Science gy,g
:,asifierAbstractBasedonthreereionmodelandshortcircuitmodelofentrainedflowthesaceina - - - ggp
asifierwasdividedintocombustionreion,etflowsecondarreactionreion,recirculationsecondar - gjygyg reactionreionandluflowsecondarreactionreion.Therimarhomoeneousreactionswere gpgygpyg calculatedbGibbseuilibrium modelwhilethesecondarhomoeneousreactionsandallheteroeneous yqygg reactionswerecalculatedbkineticmodel.Thesimulationresultsshowedthatthetemerature yp distributionasasifieroodasifierandcomositionofeachreionofareinareementwiththoseof ggggpgg
,simulatedbGibbseuilibrium model.Accordintoaroriatetemeratureraneoftheasifierthe yqgppppgg artitionmodelredictedtheraneofotimaloxencoalratioandsteamcoalratio. - - gpygpp
:;;Kewordsentrainedflowasifierartitionmodelkineticmodel- gpy
]1
于遵宏等[提出 对于气化炉中的化学反应分布,
了单喷嘴气化炉的三区模型,即燃烧区、二次反应区、一、二次反应共存区,该区中的反应除碳与H2O和
[]2
。CO2的气化反应外均受微观混合过程的控制
在有限的高径比炉体中,径向速度分布不均必然导致返混,部分物料没有达到公称反应条件就逸
3]
。出炉外,这是碳转化率不能进一步提高的原因[
回流化学反应区。在燃烧区中,首先进行反应的是回流流股中的可燃组分,其次是挥发分及碳等;二次反应区主要是一次产物的均相或非均相反应;回流区的化学反应则与喷嘴结构、射流速度密切相关,一般为
收稿日期:20111114--
对气化过程的模拟方法有化学动力学模型和反应平
));)基金项目:国家重点基础研究发展计划(资助项目(教育部基本科研业务费探索研究专项基金(9732010CB227000WB1014037,:作者简介:林慧丽(女,山东烟台人,硕士生,从事煤气化过程模拟研究。E-m1986aillinhuililove26.com-)@1:通讯联系人:于广锁,E-mailsu@ecust.edu.cngy
衡模型。动力学模型以反应动力学为基础,能真实地反映气化过程,并且对合成气成分的预测更为准确;平衡模型以反应热力学为基础,相对比较简单,并且具有一定的通用性,对碳转化率高、反应接近平而对于没有达到化学平衡衡的工况预测相对较好,
平衡模型有平衡常数和G的工况则预测较差,ibbs
]45-
。自由能最小化两种方法,二者本质上是一致的[
本文在冷态流场测试结果的基础上,以炉内的并考虑短路流股;对一次流动-化学反应特征分区,
均相反应基于G对二次均ibbs平衡模型进行计算,相反应和非均相反应基于动力学模型进行计算,以此建立气流床气化炉的数学模型。
分蒸发,低挥发分裂解产物逸出,这一过程在极短的时间内完成,故可将其视为热稳定产物,而不影响气化过程。
、0种物质:CharCH4、C 裂解产物包括12H6、
、假设CO、COTarH2、H2O、NH3和H2S。其中,2、分子式中碳个数高于C2H6的碳氢化合物都作为气态氮化合物和硫化合物都作为NH3C2H6处理;
和H2S处理;Tar具有确定的元素组成。文中假设Char即为碳,Tar即为C6H6。在最终裂解产物中,CH4和C2H6中的氢分别占干燥无灰基中氢的32.7%和4.4%,CO和CO2中的氧分别占干燥无灰基中氧的18.5%和11%。
挥发分的最终收率由式(进行修正,其中V1)是挥发分收率,V和pp是工业分析中挥发分含量,都是干燥无灰基中的质量分数。
2
V=p-0.36p
各产物收率通过如下矩阵计算可得:
1 气化炉的分区数学模型
1.1 化学反应模型
6
水1.1.1 脱挥发分模型 煤粉吸收热量后升温,
[]
()1.75.8.4286.2727.923 0 0 0 0 0 0 .25.2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0
0
0.5714.7273 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0 0 0
arwChwC
wH0.077.1111.1765.0588wCH4 1 0 0 0
0 0 0
0.8889 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0.8235
0 0 0 0 0 0
000.9412
00000
wC
2H6wCOwCO2wTarwH2wH2OwNH3
=
wOwNwS1-wV.31wH.22wH0.32wO
)2 (
0.15wOwH2S、其中wChwCH4、wCwCO、wCO2、wTwH2、wH2O、ar、ar、2H6
wNH3、wH2S以及wC、wH、wO、wN、wS均代表各组分或元素在干燥无灰基中的质量分数。
1.1.2 均相-非均相化学反应模型 模型中的化学
二次均相反应以及一、二次反应分为一次均相反应、非均相反应,分别如下:
()一次均相反应1
由于均相组分的一次反应十分迅速,实际过程基本接近平衡,所以一次均相反应在Gibbs反应器
中进行。Gibbs反应器是基于Gibbs自由能最小化原则去计算化学平衡和相平衡的反应器。
()二次均相反应2
通过A采用动力学模型,senPlus内置的反应 p二次均相反应速率见表1。器模型计算,
11]
)(一、二次非均相反应[3
非均相组分的一次与二次反应基于未反应芯缩核模型计算,通过用户规定的Fortran子程序提供反应动力学。
表1 二次均相反应速率
Table1 Secondarhomoeneousreactionrate yg
Reference []78-[]910-
Stoichiometriceuation qCOO+H 2+H2=C2OCH4+H2O=CO+3H2
-1)/(·m-3·Reactionratesmols
26400)0.04600)0.33551110r.4×10exc.68×10excc rppf=6b=7CO,COHOHc222RTRT240000)1.27300)37-0.8,1014-((r.3×10exc.12×10excc r--ppf=3b=5COCHcHH
22RTRT4
未反应芯缩核模型是假设反应从粒子表面开始,形成灰层,未反应芯不断缩小,但是气化剂始终在未反应芯的外表面反应,不渗透到芯核内部。
,/反应速率(的计算公式如式(单位为gr)3)
2(·)。cms
*
()3pi-pi)(
)++-1kkY2kdiffdashYS
r=
1.2 流动-化学反应分区
1]
由流场测试结果[可知,冷态气化炉轴向速度
分布显著,无因次长度L≥3时呈管流流型。当
径向速度分布呈火炬状,正负速度并存,如L<3时,
连接速度为零的点,则成为回流边界线。回流区的轴向跨度为0≤L≤3,涡眼位置约在L=1最.4处,
大回流量约为射流量的3如图1所示。回流.5倍,区的大小除与射流速度有关外,还与炉膛直径和喷嘴直径之比、雾化角的大小有关。综上所述,从流体冷态气化炉存在射流区、回流区和管流力学角度看,
区,这也与气化炉流场的数值模拟结果一致,如图2所示
。
;etflowreionecirculationreion;Ⅰ—J Ⅱ—R ggluflowreionⅢ—P gg
图2 气化炉速度矢量图
rahasifie
rFi.2 Vectorofvelocitin gpggy
;1—Combustionreion2—Jetflowsecondarreactionre - -gy ;;ion3—Recirculationsecondarreactionreion4—Plu gygg flowsecondarreactionreion yg
图1 回流率沿轴向分布Fi.1 Axialrofileofrecirculation gp
图3 气化炉分区示意图
Fi.3Schematicdiaramofdividedreionsinasifier gggg
按照化学反应特征,可以将气化反应分为一次反应与二次反应。一次反应主要发生在射流区的火焰区域中,二次反应主要发生在射流区下游、回流区和管流区。借此可将气化炉内的流场按化学反应特征分为燃烧区、射流区二次反应区、回流区二次反应区和管流区二次反应区。
如图3所示,射流区二次反应区位于射流区内回流区环绕射流区;射流区充分一次反应区的下游;
发展并与气化室内壁接触后转成管流区。一次反应产物一分为二。这是因为单个进料喷嘴与气化炉出口设置在同一轴线上,由于喷嘴出口射流速度很高,在惯性力作用下,有一部分物流未与可反应组分碰撞就逸出炉外,停留时间远远小于整体物料的平均停留时间,从而形成短路。短路流股的数量与喷嘴
12]
。结构、射流速度、气化炉结构密切相关[
回流区环绕射流区,所发生反应则与喷嘴结构和射流速度密切相关。由于回流区混合较好,可认为同经向等温等浓,且反应均吸热,故温度较低,有管流区只进行二次反应,该区湍保护耐火砖的作用;
流混合强度不高,反应进行得不是很剧烈,需要的气化反应时间相对较长,因此需要气化室的高径比相
3]
。对较大[
对气化炉各分区的化学反应和几何尺寸进行假设,如表2、表3所示。
取回流区涡眼位置在1该水平面有最大.4处,回流量,为进口射流量的3同时该平面处为一.5倍,则在该平面次反应区与射流区二次反应区分界面,
之上表现为射流卷吸,该平面之下表现为回流,其质量流动关系如图4所示。短路流股的数量与喷嘴结构、射流速度、气化炉结构密切相关。此文中气化炉
表2 各分区反应分布Table2 Reactionsineachreion g
eion R g
H2+
Combustionreion g
Jetflowsecondarreactionreion- yg Recirculationsecondarreactionreion yg flowsecondarreactionreionPlu ygg
Chemicalreactions
11
CO+OCH4+2OO2H2O;2=H2O;2=C2;2=C2+22OO2CO+3HC6CO+3H2C+O2CO2=2O;6H6+2=2O;2=C2H6+
COO+H2O;CH4+H2O=CO+3H2+H2=C2;C+H2O=CO+H2;C+CO2CO2=
表3 各分区的几何尺寸
Table3 Geometricforeachreionarameters gp
Reion g
Combustionreion gJetflowsecondar- yreactionreion g
Recirculationsecondar yreactionreion gPluflowsecondar gy reactionreion g
2 气流床气化炉的分区模拟
2.1 计算工况
使用分区模型对单喷嘴粉煤气流床气化炉的某工况进行模拟。气化炉内直径2高径比为.3m,3.5。原料消耗与煤质分析见表4和表5。
表4 原料消耗情况
Table4 Consumtionofraw materials p
L
1.41.6
Aroximatedescrition ppp
ConeTruncatedcone
3.0Annularsace p
0.5Clindery
//MPOeratinconditionsK pa T pg oal C
1)
arrieras C g2)xen Oyg3)team S
Flowrate /1000td
/155.31kmolh/31500kh g/3333kh g
的长径比较大,则短路量较小,假设短路流股占一次反应产物的质量分数为1%
。
353 353 298 623 —
4.1 4.1 5.9 5.0 —
eatloss H 3%oflowheatinvalue g
)1x=73.58%,xN=26.42%;2)xO=99.60%,xN=0.03%,CO2222)xAR=0.37%;3xH2O=100%
2.2 AsenPlus构建分区数学模型 p
2.2.1 稳态模拟流程 在AsenPlus中构建单喷 p嘴粉煤气化炉分区模型的稳态流程,如图5所示。在由于均相组分的反应比碳的反应剧烈得燃烧区中,
图4 分区模型质量流动示意图artitionFi.4 Massflowsformodel pg
多,碳的反应量很小,因此先将气相组分分出进入按GGibbs反应器中,ibbs自由能最小化原则得到的产物再与固体碳混合进入全混流反应器反应。
表5 煤质分析
ualitTable5 Coalanalsis qyy
/(w1)%)
M 3.0
A 20.82
V 30.51
FC 48.67
C 61.95
H 4.20
/(w2)%)
O 12.02
N 0.69
S0.32
-1)/(·QnMJkget/FTK1623
23.792
));))1Aroximateanalsis(drbasis2Ultimateanalsis(drbasis ppyyyy
2.2.2 单元设置 在稳态模型中所使用的各单元模块参数设置如表6所示,本文采用PRBM物性-计算方法。热量关系中,假设煤裂解所需热量由均相组分的一次反应热来提供,气化炉的热损失由回流区承担。
2.3 模拟结果
2.3.1ibbs模型计算 气化炉分区模型计算结果与G结果比较 将气化炉分区模型与Gibbs模型计算结,果比较,结果见表7可看出分区模型计算结果与Gibbs模型计算结果吻合良好。由于所研究工况接
;;1—CoaltransortedbCOndN2—Oxen;3—Steam;oalrolsisombustionreionecirculation Ⅰ—C Ⅱ—C Ⅲ—Rpyyggpyy2a2; reactionreion;etflowsecondarreactionreion;luflowsecondarreactionreionsecondar Ⅳ—J- Ⅴ—P gyggygy
图5 分区模型流程图
artitionFi.5 Flowsheetformodel pg
近平衡,气化炉采用Gibbs模型的计算结果与实际数
]13
,据十分接近[故分区模型也能较好地反映实际运
;标志是氧气消耗殆尽(痕量氧不记)碳的气化主要发生在射流区二次反应区和回流区二次反应区,因为碳的气化为吸热反应,而回流区湍流强度较高,故管流区的流动较缓,温度随二次反应该区温度最低;的进行逐渐降低。
行情况。
2.3.2 区域温度分布模拟结果 由区域温度分布)表8可以看出:燃烧区温度最高,结束的模拟结果(
表6 模型参数设置
Table6 Parametersforeachelementmodel
Unit
ModelRYield RGibbsRCSTR
Temeraturep()Heatdut y1273K
heat-Dissociation Heatdut=0 yHeatdut=0 y-Heatlossofwaterwall
Heatdut=0 y
/MPap4.04.04.04.04.04.0
Phsicalymethodroertppy
PR-BMPR-BMPR-BM PR-BM PR-BM PR-BM
Geometricarametersp
--
3
0.965m38.59m319.11m
Coalsisrol pyyCombustionreion g
Jetflowsecondarreactionreion- yg Recirculationsecondarreactionreion yg Pluflowsecondarreactionreion gyg
RCSTR RCSTRRPlug
Lenth:1.15mg:Heiht2.3mg
表7 分区模型与Gibbs模型比较
Table7 ComarationofmodelwithGibbsmodelartition pp
Item
[13]
Gibbsmodel
1)/(x%)
Carbon
H2S0.11 0.12
/x(CO+H2)
(%)92.29 90.21
2)
Consumtionp
H2CO CO2
/(conversion%)
99.0 97.8
3)/)/m(CoalkOxenNmgyg V(
26.136.16.80 6 5 26.273.94.05 6 7
655 672
346354
Partitionmodel
3 ));)1Gascomosition(drbasis2Amountsofcoalandoxenconsumtionusedforroducin1000NmCOandH2 pyygppg
2.4 敏感性分析
在单喷嘴粉煤气化炉分区模型基础上,分别对:,))氧煤比(和蒸汽煤比V(Om(Coaldrbasisy2) (:,))进行敏感度分析,m(H2O)m(Coaldrbasisy 考察气化炉出口温度、有效气含量以及有效气产率
的变化,结果如图6~图8所示。
在一定范围内随着氧煤比 由敏感性分析得出,
的增加,气化炉出口温度升高,有效气含量先增大后减小,有效气产率先增大后减小;在一定范围内随蒸气化炉出口温度缓慢下降,有效气含汽煤比的增加,
表8 各区温度和进出口组分分布模拟结果
Table8 Temeratureandcomositiondistributionofinletandoutletofeachreion ppg
Unit
)/T(OutletK
Carbonflow
-1)/(·rateksg
1)/(x%)
O27.13
7-
2.6×10
CO 48.71 49.82 49.82 54.23 54.23 57.16 54.23 58.39
H221.86 18.21 18.21 21.72 21.72 23.69 21.72 24.09
H2O 11.62 18.74 18.74 13.00 13.00 9.67 13.00 8.80
CO27.4711.2711.279.209.207.719.206.96
Combustionreion g2172.4
6.97 5.99 5.943.092.420.890.670.10
——————
flowsecondarreactionreionJet yg 1992.4
Recirculationsecondarreactionreion yg 1805.7
Pluflowsecondarreactionreion gyg 1818.5
))1Gascomositionofinletandoutlet(wetbasis
p
—m(:,);—:,)SteamcoalratioH2O)m(CoaldrbasisOxencoalratioV(Om(Coaldrbasis- - yygy2)
图6 气化炉出口温度与氧煤比、蒸汽煤比的关系
Fi.6 Outlettemeratureofdeendenceofoxencoalratioandsteamcoalrati
oasifier - - gppygg
图7 有效气含量与氧煤比、蒸汽煤比的关系
Fi.7 Deendenceofeffectiveascontentonoxencoalratioandsteamcoalratio - - gpgyg
量和产率变化不大。由于气流床气化炉要求液态排渣,气化炉有一个适宜的温度操作范围。根据表5的煤质分析,本文所研究的气化炉的温度范围为/,将蒸汽煤比设定在0则1723~1773K,.08kk gg
3
/,氧煤比范围为0当氧煤比为.505~0.517Nmkg3
/有效气产率(0.508NmkV(CO+H2)∶g时,
,))为最大值,有效气干基含量m(Coaldabasisy
)较接近最大值。x(Effectiveas g
图8 有效气产率与氧煤比、蒸汽煤比的关系
Fi.8 Deendenceofeffectiveroductasrateonoxencoalratioandsteamcoalratio - - gppgyg
]():模型[燃料化学学报,J.1993,2119095.-
3 结 论
1)基于气流床气化炉的流场与化学反应特 (
建立了气化炉的分区模型,即燃烧区、射流区二征,
次反应区、回流区二次反应区和管流区二次反应区。通过模拟计算,得到了各分区的温度和气体组成,并将其出气化炉的结果与气化炉Gibbs平衡模型的计算结果进行了对比,吻合良好。
()研究了操作条件对粉煤气化炉气化结果的2
影响。对于本文所研究的煤种,适宜的气化炉操作温度范围为1当蒸汽煤比设定在723~1773K,
3
//。最佳的氧煤比为00.08kk.508Nmkgg时,g
[龚欣,代正华,等.2]Shell粉煤气化炉的分析与模拟 王辅臣,
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[],,13aiZhenhuaGonXin,GuoXiaoleietal.Pilottrialand D gg
modelinofanewteofressurizedentrainedflowulver - -gyppp [],():izedcoalasificationtechnoloJ.Fuel2008,871011 -ggy23042313.-
符号说明:
3,为组分j——组分i的浓度,/kmolmi的浓度因子cji—
——灰熔点,FT—K
2——气膜扩散常数,/(··)cmkPaskgdiff—2——灰层内扩散常数,/(··)cmkPaskgdash—2——本征速率常数,/(··)cmkPaskgS—
——无因次长度,为距喷嘴的轴向距离与气化炉直径之比L—
*——组分i的有效分压,kPapi-pi—
——回流率,回流量与射流量之比Q—
——煤低位发热量,/MJkQnget—
——气体定律常数,/(·8.314JmolK)R—
3——逆向反应速率,/(·)kmolmsrb—
3——正向反应速率,/(·)kmolmsrf—
——反应温度,KT—
——某时刻粒径与初时刻粒径之比,/cmcmY—
参考文献:
[沈才大,王辅臣,等.水煤浆气化炉气化过程的三区1] 于遵宏,