流化床中可燃固體廢棄物空氣氣化過程的三維數(shù)值模擬

流化床中可燃固體廢棄物空氣氣化過程的三維數(shù)值模擬

0流化床固廢反應(yīng)模型近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，固體殘?jiān)呐欧帕恐鹉暝黾樱剂虾鸵兹嘉锏呐欧帕匡@著增加。如何充分、有效地處理并利用這些廢物,對(duì)于加強(qiáng)新能源與可再生能源的開發(fā)利用具有積極意義,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的重要問題。在可燃固廢處理過程中,熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)具有反應(yīng)周期短、技術(shù)路線靈活、產(chǎn)品多樣性、耗資和運(yùn)行費(fèi)用少、轉(zhuǎn)化率高以及易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等顯著優(yōu)點(diǎn)。因而,燃燒、熱解、氣化技術(shù)己經(jīng)成為固體廢物處理技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域中聚焦所在。固體廢棄物流化床氣化反應(yīng)器由于復(fù)雜的氣固兩相流動(dòng),并伴隨著可燃固廢的熱解、燃燒和氣化等多種均相和非均相的化學(xué)反應(yīng)及傳熱傳質(zhì)過程,整個(gè)機(jī)理非常復(fù)雜。基于對(duì)固相的描述,氣固兩相模型主要分為兩類:歐拉-歐拉模型和歐拉-拉格朗日模型。He等,Gerber等,Nguyena等應(yīng)用歐拉雙流體模型研究了生物質(zhì)流化床氣化過程。相對(duì)而言,采用歐拉-拉格朗日方法的研究較少,Oevermann等利用CFD-DEM耦合模型研究了鼓泡流化床木材氣化特性,但模型僅限于二維,初始計(jì)算顆粒也只有4000個(gè)。本課題組基于一種新的歐拉-拉格朗日方法研究了鼓泡流化床煤氣化過程。然而,出于對(duì)模型的簡(jiǎn)化,目前大多數(shù)的數(shù)值模擬研究中忽略了焦油,Lv和Gerber等在二維歐拉雙流體模型中考慮了焦油的形成。迄今為止,國(guó)內(nèi)外尚未有采用三維歐拉-拉格朗日數(shù)理模型研究生物質(zhì)/廢棄物流化床氣化并考慮焦油形成的報(bào)道。本文建立了復(fù)雜氣固流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)耦合的三維數(shù)理模型,對(duì)流化床可燃固體廢棄物空氣氣化過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,新引入了氣化過程中的熱解反應(yīng)模型,考慮了焦油的生成和均相轉(zhuǎn)化。具體分析了反應(yīng)器內(nèi)顆粒流型,氣體組分濃度的分布規(guī)律以及不同操作條件下的產(chǎn)氣組分、產(chǎn)氣熱值和焦油含量。并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。1模型的構(gòu)建和求解方法1.1顆粒相運(yùn)動(dòng)方程該歐拉-拉格朗日方法基于多相流質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格(MP-PIC)模型,氣相采用歐拉法,由系綜平均Navier-Stokes方程描述。湍流模型為大渦模擬(LES)。顆粒相的運(yùn)動(dòng)通過求解關(guān)于顆粒分布函數(shù)(PDF)f的輸運(yùn)方程得到。具體的氣固流體動(dòng)力學(xué)方程詳見文獻(xiàn)。1.2熱解動(dòng)力學(xué)模型可燃固體廢棄物在流化床內(nèi)的氣化過程可分為以下三種化學(xué)反應(yīng)過程:1)熱解,析出揮發(fā)分;2)非均相反應(yīng),氣相為氣化劑或反應(yīng)中生成的氣體,固相為焦炭;3)均相反應(yīng)。熱解主要產(chǎn)物如下:可燃固廢→H2O,CO,CO2,H2,CH4,tar(g),char(s),式中,假設(shè)半焦中成分為碳和灰,焦油的化學(xué)式為CH1.522O0.028,忽略元素N和S。熱解后的產(chǎn)物為:H2O,CO,CO2,H2,CH4,CH1.522O0.028(g),carbon(s)和ash(s)。根據(jù)其熱解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以確定各揮發(fā)份組分的含量。熱解動(dòng)力學(xué)模型為單方程模型,速率方程為:式中,Vi為t時(shí)刻析出某組分氣體的產(chǎn)率,V0為該組分氣體的最終產(chǎn)率。A=1.43×103s-1,E=88.6kJ/mol。在MP-PIC模型中,使用單元平均法計(jì)算化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)速率方程中顆粒的平均性質(zhì)由離散計(jì)算顆粒的性質(zhì)插值到網(wǎng)格單元中得到,每個(gè)網(wǎng)格單元中都計(jì)算一套化學(xué)反應(yīng)。對(duì)一個(gè)典型的反應(yīng)模型,認(rèn)為單個(gè)顆粒的質(zhì)量變化率dmp/dt與碳顆粒總的摩爾濃度變化率d[C(s)]/dt成比例,比例系數(shù)與顆粒體積相關(guān):式中,θf為流體相體積分?jǐn)?shù),θp為顆粒相體積分?jǐn)?shù),ρp為顆粒的密度,Mc為碳的摩爾質(zhì)量。本模型所考慮的非均相和均相化學(xué)計(jì)量方程及其反應(yīng)速率表達(dá)式如表1所示。其中對(duì)于焦油的均相反應(yīng),考慮其部分氧化反應(yīng)。1.3顆粒位置和流體屬性氣相方程基于有限容積法進(jìn)行求解,采用交錯(cuò)網(wǎng)格,SIMPLE算法。在MP-PIC方法中,顆粒性質(zhì)被插值到歐拉網(wǎng)格,再插回顆粒位置以得到基于網(wǎng)格的顆粒性質(zhì)。反之,流體性質(zhì)則被插值到離散顆粒位置。這個(gè)過程通過三線性的插值算子實(shí)現(xiàn)。模型中的顆粒碰撞正應(yīng)力是單個(gè)顆粒周圍的多個(gè)顆粒對(duì)其共同的作用。在MP-PIC方法中利用歐拉網(wǎng)格上容易得到的空間壓力梯度來計(jì)算,并應(yīng)用到離散顆粒。顆粒正應(yīng)力計(jì)算式為:式中的顆粒體積分?jǐn)?shù)由離散位置的顆粒體積插值到網(wǎng)格單元,ε為10-7量級(jí)的小數(shù),用來消除奇點(diǎn)。1.4初始條件及邊界條件本文的模擬對(duì)象是一個(gè)常壓鼓泡流化床氣化爐總高1650mm,下部?jī)?nèi)徑為78mm,高度750mm,上部?jī)?nèi)徑為150mm,高度900mm。物料為山毛櫸顆粒,平均粒徑為0.9mm。床料為硅砂,粒徑0.25mm,初始床高200mm,顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.58。以空氣為氣化介質(zhì),預(yù)熱空氣溫度為175℃。計(jì)算域采用笛卡爾網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)劃分。初始條件和邊界條件盡可能與實(shí)驗(yàn)保持一致,采用速度入口邊界條件,出口壓力為大氣壓。反應(yīng)器初始狀態(tài)時(shí)充滿氮?dú)?。顆粒-壁面法向動(dòng)量保持系數(shù)0.2,切向動(dòng)量保持系數(shù)0.99。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1.0×10-4s。物料特性和實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)分別見表2和表3。2計(jì)算與分析2.1時(shí)間對(duì)床層高度的影響實(shí)驗(yàn)中,空氣為流化劑,從布風(fēng)板下方引入反應(yīng)器。圖1所示為工況3條件下,顆粒流型隨時(shí)間的發(fā)展。隨著時(shí)間的增加,床層高度先是逐漸上升,后略有下降,2s后形成相對(duì)穩(wěn)定的密相區(qū)和自由空域。隨著氣體穿過床層,氣泡也逐漸產(chǎn)生,1s之后密相區(qū)內(nèi)能夠觀察到明顯的氣泡。2.2模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖2為不同操作參數(shù)下,出口氣體組分的體積分?jǐn)?shù)及其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。由圖可見,隨著空氣當(dāng)量比ER的增大,CO、H2和CH4的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小,CO2的濃度逐漸增大。高的空氣比促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的發(fā)生,提升了反應(yīng)器的溫度,加快了甲烷水蒸氣重整反應(yīng),并且此時(shí)燃燒反應(yīng)所帶來影響超過了氣化反應(yīng)加快的影響,故反應(yīng)器中可燃?xì)怏w含量逐漸減少,而CO2含量則逐漸增大。模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,平均相對(duì)誤差在15%左右。在ER=0.48的情況下,個(gè)別氣體組分的誤差相對(duì)較大,其原因主要包括:1)CH4的體積分?jǐn)?shù)很小,實(shí)驗(yàn)值只有0.6%,容易引起較大的相對(duì)誤差;2)前三組工況的ER屬于氣化常用的空氣當(dāng)量比范疇,而ER=0.48則明顯偏大,在此情況下爐內(nèi)的反應(yīng)特征也會(huì)與空氣比為0.2～0.35時(shí)不太一樣,而本模型中各化學(xué)反應(yīng)方程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)并沒有隨反應(yīng)條件的不同而改變,可能引起一定的計(jì)算誤差。2.3er對(duì)氣體產(chǎn)率的影響圖3給出了干氣體產(chǎn)率隨操作參數(shù)的變化,氣體產(chǎn)率定義為每千克廢棄物氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖3可見,隨著空氣當(dāng)量比ER的增加,促進(jìn)了氣固反應(yīng)的進(jìn)行,氣體產(chǎn)率逐漸增大,這一趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。產(chǎn)氣率的模擬值比實(shí)驗(yàn)值略高,尤其在高ER條件下,這一結(jié)果與圖2的產(chǎn)氣組分對(duì)比結(jié)果一致。圖4為產(chǎn)氣熱值隨ER的變化,熱值為氣體的高位熱值。由圖4可見,隨著ER的增加,氣體的熱值逐漸減小。這主要是因?yàn)镋R的增大促進(jìn)了CO2的生成,而可燃?xì)怏w隨之減少;同時(shí)更多N2的引入降低了出口氣體中可燃?xì)怏w的濃度,這也引起了產(chǎn)氣熱值的降低?？梢?較高的ER不利于高質(zhì)量燃?xì)獾漠a(chǎn)生。2.4反應(yīng)器高度對(duì)ch4濃度的影響圖5為ER=0.24條件下,流化床反應(yīng)器縱截面(y=0)上主要?dú)怏w組分的摩爾濃度分布圖。從圖中可以看出:在進(jìn)料口附近,顆粒濃度較大,由于熱解析出揮發(fā)分,存在CH4、H2和CO濃度較大的區(qū)域。隨著反應(yīng)器高度的增加,CO濃度逐漸減少,到了自由空域基本保持不變。反應(yīng)器內(nèi)CH4主要來源于熱解時(shí)析出的揮發(fā)分,在氧化反應(yīng)和甲烷水蒸氣重整反應(yīng)共同作用下,隨著反應(yīng)器高度增加,CH4濃度逐漸減小。而重整反應(yīng)使得H2濃度在整個(gè)自由空域都相對(duì)較高。由于進(jìn)料口附近可燃?xì)怏w濃度高,燃燒反應(yīng)速率大,因此CO2摩爾濃度較高,到達(dá)一定高度后,隨著O2的耗盡,CO2濃度逐漸減小。圖5還給出了焦油在反應(yīng)器內(nèi)的分布,焦油主要通過熱解產(chǎn)生,在靠近進(jìn)料口處濃度最高,沿反應(yīng)器高度的方向,隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行,其濃度逐漸減小。2.5er對(duì)焦油氧化的影響本文的反應(yīng)模型中考慮了焦油的生成和轉(zhuǎn)化。圖6所示為空氣當(dāng)量比對(duì)出口氣中焦油含量的影響。由圖可見,ER的增加明顯促進(jìn)了焦油的氧化,減少了出口氣體中焦油的含量。從ER=0.23時(shí),大約29g/m3,減小到ER=0.48時(shí)的11g/m3左右。Narvaez等通過實(shí)驗(yàn)得到鼓泡流化床生物質(zhì)氣化出口氣體中焦油含量為2～29g/m3,本文的模擬結(jié)果與其相符,進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。3空氣氣化效果基于歐拉-拉格朗日模型,建立了復(fù)雜氣固流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)耦合的三維數(shù)理模型,引入氣化過程的熱解反應(yīng)模型,并且考慮了焦油的生成和均相轉(zhuǎn)化,對(duì)流化床可燃固體廢棄物空氣氣化過程進(jìn)行了三維數(shù)值