噴嘴角度變化對Shell氣化爐煤氣化影響的數(shù)值模擬

1、高等學(xué)校工程熱物理第十六屆全國學(xué)術(shù)會議 編號： 噴嘴角度變化對Shell 氣化爐煤氣化影響的數(shù)值模擬陶明春1 郝英立1,2（1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京，210096;2. 東南大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南京，210096）（聯(lián)系電話: Email: taomingchun82）摘 要：本文采用Eulerian-Langerange 模型描述氣固兩相流，并用非預(yù)混燃燒模型描述煤氣化爐內(nèi)組分輸運和燃燒，對某廠運行的Shell 煤氣化爐的煤氣化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到了氣化爐內(nèi)出口處的溫度和有效氣體摩爾分布等參數(shù)，模擬結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)比較吻合，并研究了一對噴嘴角

2、度變化和兩對噴嘴角度變化對Shell 氣化爐煤氣化的影響，結(jié)果表明當(dāng)噴嘴角度變化范圍處于-5°到5°之間時對煤氣化影響不大，在其他范圍內(nèi)時候影響較大。關(guān)鍵詞：非預(yù)混燃燒模型，Shell 煤氣化爐，噴嘴角度0 引言煤氣化是煤高效、清潔利用的重要途徑之一。由于我國石油等能源資源的對外依賴程度的加深，而國內(nèi)煤炭資源相對豐富，為尋求高效、經(jīng)濟(jì)的能源開發(fā)技術(shù)，眾多研究發(fā)現(xiàn)煤氣化可以成為緩解資源緊缺的解決方案之一。氣化爐煤氣化技術(shù)因生產(chǎn)壓力高、負(fù)荷大、碳轉(zhuǎn)化率高，成為應(yīng)用廣泛、發(fā)展前景最好的煤氣化技術(shù)之一。氣流床氣化爐以水煤漿或干煤粉為原料，純氧作為氧化劑，目前國際上比較成熟的主要有T

3、exaco 和Shell 等氣流床煤氣化技術(shù)。對于氣流床爐內(nèi)煤氣化方面的研究，有不少學(xué)者做了大量的工作。Peter 等人1對水煤漿氣化爐建立了熱力學(xué)模型，并考察了氣化爐反應(yīng)特性；于海龍等2-4采用簡化PDF(possibility density function模型建立氣流床氣化爐的二維模型，討論了氧煤比、煤漿濃度等因素對煤氣化過程和出口煤氣成分，以及碳轉(zhuǎn)化率的影響；吳玉新等5用簡化PDF 模型對氣化爐運行特性進(jìn)行了分析，并考慮了改變水煤漿濃度和碳氧比等參數(shù)對氣化爐運行特性的影響。本文利用商業(yè)CFD 軟件Fluent ，對某廠運行的Shell 煤氣化爐進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計

4、劃資助項目（批準(zhǔn)號：2010CB227002）C采用非預(yù)混燃燒模型模擬氣化爐爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)，dpm 模型考慮顆粒相和氣相的耦合作用，隨機(jī)軌道模型追蹤顆粒運動，P-1模型計算爐內(nèi)輻射傳熱，對Shell 煤氣化爐進(jìn)行研究，并分析討論了運行參數(shù)的變化對煤氣化的影響。 1 計算模型的控制1.1 計算對象的描述本文模擬計算的對象是某廠1臺日消耗煤約1000t 的高壓煤氣化爐，氣化爐高度為6.82m ，內(nèi)徑為2.29m ，如圖1所示，模擬的基準(zhǔn)工況條件如表1所示。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為406527個，其中噴嘴進(jìn)口處采用局部加密處理。表1 基準(zhǔn)工況下操作條件煤的質(zhì)量組成/% 氣化壓力/M

5、pa 氧煤比m3/kg 蒸汽煤 比/kg/kg C H N O S Ash3.10 0.58 0.12 75.50 4.97 1.43 9.12 0.87 7.911.2 控制方程煤粉經(jīng)過高壓氮氣輸送，和氧氣、水蒸氣一起通過噴嘴進(jìn)入氣化爐燃燒，本文用Eulerian-Lagrangian 離散相模型來描述氣相和顆粒相，模型對流體相采用帶旋流修正的Realizable k-模型6-7，采用非預(yù)混PDF 模型描述氣化爐內(nèi)煤粉顆粒的燃燒，輻射傳熱模型選擇P-1模型，具體參見文獻(xiàn)8。1.3 邊界條件和計算方法本文中煤粉、氧氣和煤粉均通過噴嘴進(jìn)入氣化爐，噴嘴處為質(zhì)量流量入口條件，出口處定義為壓力出口，壁

6、面為無滑移定溫條件。壓力速度耦合方程采用SIMPLEC 算法，計算時采用一階迎風(fēng)格式離散控制方程中的對流項，采用出口入口質(zhì)量差和氣化爐內(nèi)不動點溫度來判斷計算收斂。圖1氣化爐幾何結(jié)構(gòu)尺寸2 模擬結(jié)果 本文主要以氣化爐爐體高度、爐內(nèi)直徑和噴嘴位置不變?yōu)闂l件，研究噴嘴角度變化對氣化爐煤氣化的影響。如圖2，其中圖中字母表示噴嘴垂直進(jìn)口方向與水平面之間的角度，并定義噴嘴朝下位置角度為負(fù)角度(如圖中所示，反之為正角度。模擬計算時候值處于-10°25°之間，變化幅度為5°。 2.1 模擬結(jié)果與運行結(jié)果的對比表2是氣化爐出口處模擬計算結(jié)果和實際運行結(jié)果的比較，從表中可以看出，計算

7、結(jié)果和運行結(jié)果數(shù)據(jù)是比較接近的，表明模擬計算時候模型的選擇、網(wǎng)格的劃分是合理的。表2 模擬結(jié)果和運行結(jié)果的比較Temperature/K CO / % H 2 / % CO 2 / % H 2O / % 計算結(jié)果1759.2 63.53 28.17 2.29 5.46 運行結(jié)果 62.48 30.55 2.96 2.82.2 一對噴嘴角度變化對煤氣化的影響本文模擬的對象為某廠運行的Shell 干煤粉煤氣化爐，其爐體邊緣布置有4個噴嘴進(jìn)口，并為兩兩對置布置。首先以一組噴嘴角度不變，另外一組噴嘴角度變化為條件進(jìn)行模擬計算，模擬結(jié)果如表3所示。表3 一組噴嘴角度變化時氣化爐出口處模擬結(jié)果 /

8、76;-10 -5 0 5 10 15 20 25 CO 63.21 63.5265.4162.6361.6 60.3959.34 57.02 H 2 30.49 30.7 32.9130.4530.1129.8128.71 25.99 H 2O 3.07 2.78 1.08 2.91 3.25 3.71 3.85 5.45 煤氣摩爾濃度 / % CO2 2.95 2.41 0.97 2.46 2.62 3.71 3.85 5.45 溫度 / K 1880.8 1876.41866.91892.71919.91935.91952.5 1989.9圖2 噴嘴角度變化示意圖碳轉(zhuǎn)化率 / %95.7

9、4 97.76 99.49 96.62 93.17 88.28 83.69 76.35 冷煤氣效率 / %81.51 84.82 88.80 83.45 81.47 78.51 76.37 69.97 從表3可以看出，CO 和H 2的摩爾濃度變化趨勢一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，其中，在的值介于-5°5°中間這兩種氣體摩爾濃度存在極大值，在 > 15°時候這兩種氣體的摩爾濃度降低的幅度開始加大，在其他范圍內(nèi)變化幅度不大；H 2O 和CO 2的摩爾濃度變化趨勢一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，其中，在的值介于-5

10、6;5°中間這兩種氣體摩爾濃度存在極小值，在 > 15°時候這兩種氣體的摩爾濃度降低的幅度開始加大；溫度隨值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，其中，在的值介于-10°5°內(nèi)變化幅度不大，當(dāng)在 > 10°時候溫度變化幅度開始加大。這是由于當(dāng)?shù)闹到橛?5°5°時候，表示噴嘴進(jìn)口方向與水平面之間的夾角較小，在此范圍內(nèi)一對噴嘴的角度變化對煤氣化的影響較小，原因是一對噴嘴在此角度內(nèi)變化時，雖然經(jīng)過該對噴嘴的煤粉與經(jīng)過另外一對噴嘴進(jìn)入氣化爐的煤粉存在兩個碰撞區(qū)域，但是相比較氣化爐的尺寸，這兩個區(qū)域相距很近，彼此的影響與

11、兩組均垂直進(jìn)入氣化爐的情況相比不大。當(dāng) > 5°時候氣化爐中兩個碰撞區(qū)域的距離開始增大，并使經(jīng)過一定角度進(jìn)入氣化爐的煤粉碰撞區(qū)域離氣化爐出口部分距離減小，造成了這部分煤粉在氣化爐中停留時間縮短，影響了氣化爐內(nèi)的反應(yīng)，造成CO 和H 2的摩爾濃度逐漸降低，H 2O 和CO 2的摩爾濃度逐漸升高，溫度急劇升高。反之，當(dāng) < -5°的時候，表示經(jīng)過該對噴嘴進(jìn)入氣化爐的煤粉碰撞區(qū)域離氣化爐地步距離減小，使得粘在壁面上的顆粒增多，影響了氣化爐的整體效率。另外，氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率曲線的變化趨勢基本一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，并且在 值介于-

12、5°5°時候變化范圍不大，在其他區(qū)域變化幅度開始增加。這是由于當(dāng) < -5°的時候，粘貼在氣化爐底部的顆粒增加，降低了氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率，當(dāng)?shù)闹到橛?5°5°中間時候，煤粉的燃燒比較充分，故氣化爐碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率均存在極大值，當(dāng) > 5°時候，有一部分煤粉在氣化爐中的停留時間減少，造成該部分煤粉的不充分燃燒或者沒有來得及與水蒸氣或CO 2進(jìn)行反應(yīng)，造成氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率均降低。2.3 二噴嘴角度變化對煤氣化的影響當(dāng)氣化爐的兩對噴嘴角度均進(jìn)行變化時候，由于對稱性的原因，使得進(jìn)入氣化爐的煤粉仍在氣化爐內(nèi)

13、統(tǒng)一區(qū)域碰撞，此時對氣化爐進(jìn)行模擬得到結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，CO 和H 2的摩爾濃度變化趨勢一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，其中在的值介于-5°5°之間變化范圍比較小，并且在該區(qū)間內(nèi)這兩種氣體摩爾濃度存在極大值，在 > 15°時候這兩種氣體的摩爾濃度降低的幅度開始加大，在其他范圍內(nèi)變化幅度不大；H 2O 和CO 2的摩爾濃度變化趨勢一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，其中，在的值介于-5°5°中間這兩種氣體摩爾濃度存在極小值，在 > 15°時候這兩種氣體的摩爾濃度降低的幅度開

14、始加大；溫度隨值自小到大變化呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，其中，在的值介于-5°5°內(nèi)變化幅度不大，當(dāng)在 > 5° 以及 < -5° 時候溫度變化幅度開始加大。這是由于當(dāng)表4 二組噴嘴角度變化時氣化爐出口處模擬結(jié)果 / °-10 -5 0 5 10 15 20 25 CO 63.05 63.1865.4161.9860.0658.7657.16 54.65 H 2 29.12 30.0232.9130.0830.0229.4728.39 25.42 H 2O 2.43 2.47 1.08 2.43 2.48 4.77 5.27 5.6

15、9煤氣摩爾濃度/ % CO 2 2.27 2.28 0.97 5.57 3.29 4.12 4.94 5.85溫度 / K1889.5 1869.71866.91885.51937.01968.51987.2 1997.6 碳轉(zhuǎn)化率 / %95.77 98.88 99.49 96.93 94.58 94.51 88.7 85.4 冷煤氣效率 / %84.01 84.6 88.81 84.87 82.71 80.65 79.11 19.16 的值介于-5°5°時候，表示噴嘴進(jìn)口方向與水平面之間的夾角較小，在此范圍內(nèi)兩對噴嘴的角度變化對煤氣化的影響較小，原因是兩組噴嘴在此角度內(nèi)

16、變化時，煤粉在氣化爐內(nèi)的碰撞區(qū)域相比較噴嘴角度沒有變化的時候有一定距離的靠下或靠上，對整體系統(tǒng)的影響并不大。當(dāng) > 5°時候氣化爐中碰撞區(qū)域離氣化爐出口部分距離減小，造成了煤粉在氣化爐中停留時間縮短，影響了氣化爐內(nèi)的反應(yīng)，造成CO 和H 2的摩爾濃度逐漸降低，H 2O 和CO 2的摩爾濃度逐漸升高，溫度急劇升高。反之，當(dāng) < -5°的時候，表示經(jīng)過該對噴嘴進(jìn)入氣化爐的煤粉碰撞區(qū)域離氣化爐地步距離減小，使得粘在壁面上的顆粒增多，影響了氣化爐的整體效率。此外，氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率曲線的變化趨勢基本一致，隨著值自小到大變化呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，并且在 值

17、介于-5°5°時候變化范圍不大，在其他區(qū)域變化幅度開始增加。這是由于當(dāng) < -5°的時候，粘貼在氣化爐底部的顆粒增加，降低了氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率，當(dāng)?shù)闹到橛?5°5°中間時候，煤粉的燃燒比較充分，故氣化爐碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率均存在極大值，當(dāng) > 5°時候，有一部分煤粉在氣化爐中的停留時間減少，造成該部分煤粉的不充分燃燒或者沒有來得及與水蒸氣或CO 2進(jìn)行反應(yīng)，造成氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率均降低。3 結(jié)論 (1 本文采用非預(yù)混燃燒模型對某廠運行的 Shell 煤氣化爐進(jìn)行了模擬計算， 計算結(jié) 果與實際工業(yè)運行參數(shù)

18、比較接近，證明了該模型可以用于氣化爐煤氣化方面的研究。 (2 通過對氣化爐噴嘴的入射角度改變的研究發(fā)現(xiàn)，不管是其一組噴嘴的角度發(fā)生 變化還是二組角度都發(fā)生變化，均對氣化爐煤氣化造成影響，當(dāng)噴嘴的變化角度 介于 -5°到 5°之間變化時候，對氣化爐煤氣化的影響不大，當(dāng)噴嘴的變化角度 處于這個變 化范圍外的時候其氣化爐煤氣化的影響比較大。 參 1 考 文 獻(xiàn) Peter Ruprecht, Wolfgang Schafer, Paul Wallace. A computer model of entrained coal gasification. Fuel, 1988: 67

19、(6: 739-742. 2 于海龍, 趙翔, 周志軍, 等. 氧碳原子比和水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水煤漿氣化影響的數(shù)值模 擬J. 燃料化學(xué)學(xué)報, 2004, 32(4: 390-394. 3 于海龍, 趙翔, 周志軍, 等. 氧煤比對水煤漿氣化影響的數(shù)值模擬J. 煤炭學(xué)報, 2004, 29(5: 606-610. 4 于海龍, 趙翔, 周志軍, 等. 煤漿濃度對水煤漿氣化影響的數(shù)值模擬J. 中國動力工程 學(xué)報, 2005, 25(2: 217-220, 238. 5 吳玉新, 張建勝, 王明敏, 等. 簡化 PDF 模型對氣化爐運行特性的分析J. 中國電機(jī)工 程學(xué)報, 2007, 27(32: 5

20、7-62. 6 7 8 陶文銓. 計算傳熱學(xué)M. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001: 370-376. 趙堅行. 燃燒的數(shù)值模擬M. 北京: 科學(xué)出版社, 2002. 陶明春, 郝英立. 運行參數(shù)變化對 Shell 煤氣化爐煤氣化的數(shù)值模擬(I. 長沙, 高等學(xué)校 工程熱物理第十六屆全國學(xué)術(shù)會議, 2010. Numerical simulation of coal gasification by changing nozzle angle of Shell gasifier TAO Mingchun1 ，HAO Yingli1,2 (1. School of Energy and Environment, Southeast 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 an