梁 錦 楊世亮 胡建杭

(昆明理工大學(xué)省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，650093 昆明)

0 引 言

在富煤、貧油、少氣的資源分布特征下，我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)很難被完全取代，因此實(shí)現(xiàn)煤炭高效的清潔利用、促進(jìn)行業(yè)節(jié)能減排的需求日益迫切[1-4]。煤氣化作為一種現(xiàn)代化節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭高效利用的途徑之一，近年來備受矚目[2，4]。煤氣化是通過煤與氣化劑反應(yīng)生成可燃合成氣(氫氣、一氧化碳和甲烷)的過程，具有轉(zhuǎn)化效率高和低排放的優(yōu)點(diǎn)。主流的煤氣化技術(shù)包括固定床氣化、流化床氣化以及氣流床氣化。流化床氣化主要應(yīng)用于鼓泡流化床氣化爐(BFBG)和循環(huán)流化床氣化爐(CFBG)兩大類，其中鼓泡流化床因操作簡單、固體燃料適應(yīng)性廣、氣固相傳熱性能良好、床溫負(fù)荷調(diào)節(jié)可控等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[5]。

由于氣-固流動受高溫高壓條件的限制，實(shí)驗(yàn)研究無法測得氣化爐內(nèi)真實(shí)情況，缺乏對固體顆粒熱化學(xué)特性的探索[2，6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，越來越多的研究人員通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法對流化床內(nèi)稠密氣固兩相流系統(tǒng)進(jìn)行研究[7]。該方法可以準(zhǔn)確獲得反應(yīng)器的流速分布特征、氣體組成和溫度分布等流場參數(shù)[8]，且計(jì)算成本低，周期短，成為近年來熱門的研究方式。根據(jù)固體顆粒的不同跟蹤方式，數(shù)值方法通常分為雙流體模型(two-fluid model,TFM)、計(jì)算流體力學(xué)耦合離散元模型(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)以及多相流體網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)模型(multiphase particle-in-cell,MP-PIC)。其中，TFM模型在歐拉框架下將氣相和固相看作連續(xù)介質(zhì)，計(jì)算速度快，但精度小，難以追蹤單個(gè)顆粒尺寸信息。基于歐拉-拉格朗日框架中的CFD-DEM模型和MP-PIC模型是計(jì)算氣固兩相流動更好的選擇，前者可以獲得精確顆粒尺度信息，準(zhǔn)確模擬單個(gè)顆粒間碰撞作用力，但計(jì)算單個(gè)粒子間碰撞消耗資源巨大，僅適用于小規(guī)模設(shè)備；后者采用固體法向應(yīng)力模型簡化顆粒碰撞問題，既可以有效跟蹤固體粒子的軌跡，又能夠計(jì)算大規(guī)模的氣固流動。MP-PIC模型由ANDREWS et al[9]在1996年首次提出。目前利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)數(shù)值模擬的方法已經(jīng)成功地用于探索流化床反應(yīng)器中固體顆粒的氣化反應(yīng)過程[10]。WANG et al[11]基于歐拉模型對煤氣化過程建立了氣固耦合化學(xué)反應(yīng)的三維數(shù)值模型，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比以驗(yàn)證歐拉模型的正確性。SNIDER et al[12]對三維流化床煤氣化爐內(nèi)在流態(tài)化、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)的相互關(guān)系進(jìn)行了探討。HU et al[13]對鼓泡床煤氣化在不同操作條件下進(jìn)行研究，結(jié)果表明，氣化速率和床料粒徑影響氣化過程中顆粒分布。XIE et al[14]探討了鼓泡流化床中的煤顆粒在不同操作條件下的顆粒形態(tài)、流型形成、氣體組成分布和反應(yīng)速率分布，驗(yàn)證了歐拉-拉格朗日數(shù)學(xué)模型是研究復(fù)雜氣固流動和化學(xué)反應(yīng)特性的有效工具。

目前，大多數(shù)關(guān)于流化床氣化過程的數(shù)值模擬主要從宏觀尺度討論了不同操作參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。然而，對于在鼓泡流化床中煤氣化過程固體物質(zhì)顆粒尺度熱化學(xué)性質(zhì)的研究較鮮見[15]。本研究為探究煤顆粒在流化床氣化過程中的顆粒尺度熱化學(xué)性質(zhì)，考慮了致密顆粒和氣體的流動、傳質(zhì)和傳熱、相間和流體混合物內(nèi)的均相和非均相化學(xué)反應(yīng)。在設(shè)置模型參數(shù)后，基于出口氣體的摩爾分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了MP-PIC模型的準(zhǔn)確性。此外，還探討了煤顆粒的顆粒尺度熱化學(xué)性質(zhì)(即溫度、傳熱系數(shù)、速度和停留時(shí)間)在鼓泡流化床煤氣化過程的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 氣相控制方程

在MP-PIC模型中，氣相流體采用歐拉方法，由Navier-Stokes方程進(jìn)行控制，通過大渦模擬(LES)進(jìn)行求解，氣相的連續(xù)性方程和動量方程表示如下：

(1)

(2)

組分方程和能量守恒方程表示如下：

(3)

(4)

1.2 固相控制方程

固相粒子采用拉格朗日方式求解。顆粒相空間分布采用概率分布函數(shù)(PDF)來描述，通過追蹤計(jì)算顆粒的運(yùn)動獲得顆粒的空間分布。顆粒分布函數(shù)fs結(jié)合t時(shí)刻的顆粒位置x、速度us、質(zhì)量ms及溫度Ts來描述顆粒的相運(yùn)動。PDF傳輸方程表示如下：

(5)

式中：fD表示局部平衡時(shí)的顆粒分布函數(shù)。

計(jì)算粒子加速度的表示方程如下：

(6)

通過顆粒的概率分布函數(shù)(PDF)，可以得到顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布如下：

(7)

Ds是通過Wen-Yu模型[16]計(jì)算氣固相間的曳力得出，Wen-Yu阻力模型表達(dá)如下：

(8)

(9)

(10)

考慮到粒子動力學(xué)采用粒子分布函數(shù)，流體相的單位體積受到顆粒作用力為：

(11)

從顆粒相到流體相的能量交換：

(12)

1.3 化學(xué)反應(yīng)模型

煤顆粒進(jìn)入反應(yīng)器后，經(jīng)過干燥、熱解、均相和非均相反應(yīng)等過程。隨著溫度的升高，煤顆粒中的水分受熱蒸發(fā)，揮發(fā)分釋放；隨著溫度進(jìn)一步升高，發(fā)生碳的氣化反應(yīng)。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)式和化學(xué)反應(yīng)速率見表1[14，17]。過程描述如下:

表1 化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)速率

(13)

(14)

(15)

式中：m1=0.201 453；m2=0.134 615；m3=0.017 873；m4=0.272 998。

2 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 計(jì)算對象和計(jì)算參數(shù)設(shè)置

本研究的反應(yīng)器是基于ENGELBRECHT et al[17]實(shí)驗(yàn)研究的三維鼓泡流化床氣化爐裝置(如圖1所示)。該反應(yīng)器為截面為正方形的柱體，分別由下方邊長為0.2 m的床段和上方邊長為0.4 m的自由空域段組成，兩段高度均為2.0 m，反應(yīng)器總高為4.0 m。初始狀態(tài)整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)充滿氮?dú)猓矊訙囟仍O(shè)置為1 153 K。從氣化爐底部通入由氧氣、水蒸氣和空氣組成的常溫氣化劑，進(jìn)口流率分別對應(yīng)為8.9 kg/h，16.5 kg/h及31.2 kg/h。引入煤的進(jìn)料器在氣化爐上方1.3 m處，煤顆粒以32.2 kg/h的進(jìn)料速率從反應(yīng)器側(cè)方通入。煤顆粒平均粒徑為1.8 mm，密度為1 250 kg/m3，初始溫度為300 K。床料采用密度和體積分?jǐn)?shù)分別為2 700 kg/m3和0.45的砂粒，床料粒徑范圍為0.4 mm～0.85 mm，其填充高度為0.45 m。邊界條件采用速度入口和壓力出口(其中壓力為常壓)?；贠penFOAM開源軟件采用MP-PIC方法對三維鼓泡流化床反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出的最終網(wǎng)格數(shù)量為61 720個(gè)，計(jì)算顆粒數(shù)量為7 684個(gè)。設(shè)定時(shí)間步長為1×10-3s，共模擬30 s。高灰煤的工業(yè)分析和元素分析見表2[17]。

表2 高灰煤的工業(yè)分析以及元素分析

圖1 氣化爐反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證該反應(yīng)模型，將數(shù)值模擬得到的氣化爐出口氣體的模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖2所示[17]。由圖2可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果良好，驗(yàn)證了模型設(shè)置的可靠性和合理性。每種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)的大小趨勢與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，即N2含量最多，其次是H2，CO2和CO，CH4占比最少。CO，CO2，H2氣體摩爾分?jǐn)?shù)的偏差可能是由反應(yīng)器結(jié)構(gòu)模型的簡化以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的簡化導(dǎo)致[18]。

圖2 氣化爐出口氣體組分模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

3 結(jié)果與討論

3.1 組分分布

圖3所示為在BFBG內(nèi)y/z中心截面所有煤顆粒中碳、揮發(fā)分和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)著色的顆粒分布。反應(yīng)器內(nèi)存在多種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，導(dǎo)致煤顆粒中碳、揮發(fā)分和灰分的不均勻分布。由圖3a可以看出，在進(jìn)料器入口處碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.35，碳含量在進(jìn)料器周圍最大。碳含量主要集中在進(jìn)料器附近以及床層附近。由于氣泡的生長并聚結(jié)，夾帶顆粒向上運(yùn)動，質(zhì)量較輕的顆粒出現(xiàn)在自由空域區(qū)。由于存在與焦炭相關(guān)的多種化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)器大部分區(qū)域碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所下降。顆粒在進(jìn)入反應(yīng)器后，揮發(fā)分會在極短時(shí)間內(nèi)快速釋放，因此可以觀察到進(jìn)料口處揮發(fā)分含量最大，在其余區(qū)域揮發(fā)分含量趨于零(見圖3b)。在水分和揮發(fā)分迅速釋放后殘留碳和灰分，碳含量和灰分含量分布趨勢相反，由于重量輕，灰渣在反應(yīng)堆頂部聚集，反應(yīng)器中絕大部分區(qū)域灰分含量高(見圖3c)。

圖3 鼓泡流化床煤顆粒中碳和揮發(fā)分及灰分的分布

圖4所示為BFBG中煤顆粒各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可知，在初始時(shí)期，因進(jìn)料器不斷引入煤顆粒，煤顆粒中水分和揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加。由于反應(yīng)器內(nèi)溫度比引入的煤顆粒溫度高，在煤顆粒被送入反應(yīng)器之后，發(fā)生干燥過程和熱解過程，水分快速析出，揮發(fā)分釋放，因此煤顆粒中二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間逐漸下降。焦炭與氣體發(fā)生非均相反應(yīng)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)降低。隨著時(shí)間的推移，煤顆粒的灰分逐漸累積增加。在反應(yīng)20 s之后，煤顆粒各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸趨于穩(wěn)定。反應(yīng)器中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，其次是煤顆粒中的碳、水分和揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖4 鼓泡流化床中煤顆粒各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線

3.2 速度分布

圖5所示為反應(yīng)30 s內(nèi)BFBG中煤顆粒在各個(gè)方向上的瞬時(shí)速度分布和顆粒著色分布。由圖5可以看出，顆粒的運(yùn)動速度空間分布不均勻。反應(yīng)器底部產(chǎn)生的氣泡和顆粒之間會產(chǎn)生強(qiáng)相互作用，導(dǎo)致顆粒速度在三個(gè)方向的分布存在明顯差異。在床層中部固體顆粒在三個(gè)方向均表現(xiàn)出混亂和不均勻的分布，這是氣泡的生長聚結(jié)和破裂，固體顆粒的強(qiáng)烈返混行為引起的混沌運(yùn)動所致。在床層上部的自由空域區(qū)，質(zhì)量較輕的顆粒進(jìn)入上方，在垂直方向呈現(xiàn)劇烈的運(yùn)動。由于氣化劑從反應(yīng)器底部垂直方向引入，氣相和顆粒以及氣泡和顆粒之間發(fā)生劇烈的動量交換，導(dǎo)致顆粒的垂直運(yùn)動速度較大。

圖5 鼓泡流化床中煤顆粒在各個(gè)方向的速度分布

圖6所示為在BFBG中各個(gè)方向上速度隨時(shí)間變化的分布。由圖6可以看出，隨著時(shí)間的變化，煤顆粒和床料在三個(gè)方向上的運(yùn)動規(guī)律基本一致，顆粒速度均在一個(gè)區(qū)間內(nèi)波動。其中，煤顆粒參與反應(yīng)而砂粒未參與反應(yīng)，但兩者速度分布相似，這說明顆粒在氣化爐內(nèi)的運(yùn)動受化學(xué)反應(yīng)的影響較小[10]。在初始狀態(tài)，氣泡的生長、聚結(jié)和破裂引起顆粒強(qiáng)烈的混沌運(yùn)動，導(dǎo)致煤顆粒與砂粒速度較大。由圖6還可以看出，煤顆粒的垂直擴(kuò)散速度最大，煤顆粒沿y方向的瞬時(shí)速度相比于砂粒沿y方向的瞬時(shí)速度更大，x方向上兩者的水平速度相似，說明氣固混合較為劇烈。顆粒在垂直方向的速度明顯大于水平方向，因?yàn)樵摲较蛲ㄈ霘饣瘎?，加速氣泡帶動顆粒向上運(yùn)動。

圖6 鼓泡流化床中煤顆粒和砂粒在各個(gè)方向的速度隨時(shí)間的變化

3.3 顆粒溫度

圖7所示為在BFBG中煤顆粒的溫度分布散點(diǎn)圖及相應(yīng)的直方圖。由圖7a可知，在進(jìn)料器附近，剛引入的煤顆粒溫度不高，和氣化爐內(nèi)高溫環(huán)境存在較大溫差。經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，焦炭完全氧化釋放出大量的熱量，導(dǎo)致煤顆粒與周圍環(huán)境通過傳熱、對流換熱以及熱輻射等途徑不斷進(jìn)行熱交換從而迅速提高了煤的溫度。由圖7b結(jié)合圖7a可以看出，約20%的低溫顆粒與進(jìn)料口附近的顆粒溫度相對應(yīng)，約80%的高溫顆粒與氣化爐內(nèi)部溫度相對應(yīng)。在焦炭發(fā)生氧化反應(yīng)釋放大量熱量之后，溫度迅速升高，最大溫度達(dá)到1 160 K左右，約為初始床層溫度(1 153 K)。反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)的較大溫差也表明了鼓泡流化床中顆粒與周圍環(huán)境之間良好的傳熱性能。

圖7 鼓泡流化床中煤顆粒的溫度分布

3.4 顆粒傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，單位時(shí)間通過單位面積傳遞的熱量，反映了傳熱過程的強(qiáng)弱。圖8所示為鼓泡流化床氣化爐中煤顆粒的傳熱系數(shù)的散點(diǎn)圖及相應(yīng)的直方圖。由于氣相和固相之間強(qiáng)烈的熱交換，導(dǎo)致顆粒在氣化爐內(nèi)傳熱系數(shù)分布不均勻。由圖8a可以觀察到入口周圍傳熱系數(shù)較大。這是由于：1) 進(jìn)料器入口處剛引入的煤顆粒溫度與爐內(nèi)高溫環(huán)境之間溫差較大；2) 反應(yīng)器底部入口處氣化劑溫度與氣化爐內(nèi)高溫床層溫差較大。此外，在自由空域區(qū)的劇烈對流傳熱歸因于懸浮的煤顆粒與爐內(nèi)存在較大溫差以及涉及到的化學(xué)反應(yīng)。在床面附近，煤顆粒和床料之間的溫差小，因此對流傳熱很小。由圖8b可知，大部分煤顆粒的傳熱系數(shù)在70 W/(m2·K)左右占比最大，約為40%，對應(yīng)于反應(yīng)器中心區(qū)域，而傳熱系數(shù)超過210 W/(m2·K)的煤顆粒只占一小部分，約為5%，對應(yīng)于反應(yīng)器的進(jìn)料器附近區(qū)域。煤顆粒溫度逐漸增大，與周圍環(huán)境的溫差越來越小，傳熱系數(shù)逐漸降低。

圖8 鼓泡流化床中煤的顆粒傳熱系數(shù)

3.5 顆粒停留時(shí)間

圖9所示為在BFBG中煤顆粒停留時(shí)間的散點(diǎn)圖和直方圖。煤顆粒的停留時(shí)間為從引入煤顆粒的時(shí)間到離開反應(yīng)器出口的時(shí)間間隔。由圖9a可以看出，在進(jìn)料器口附近的顆粒停留時(shí)間較短，而其他區(qū)域的顆粒停留時(shí)間較長。這是由于在近壁面出現(xiàn)劇烈的返混行為，導(dǎo)致煤顆粒在反應(yīng)器中的反應(yīng)時(shí)間延長。由圖9b可以看出，顆粒在氣化器內(nèi)的停留時(shí)間總體呈現(xiàn)均勻分布。

4 結(jié) 論

1) 在流化床氣化爐中，進(jìn)料口處煤溫度和氣化劑溫差大、傳熱系數(shù)高，導(dǎo)致煤顆粒的傳熱系數(shù)和溫度在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分布不均勻。煤顆粒的傳熱系數(shù)在進(jìn)料器附近達(dá)到峰值后逐漸下降，大部分顆粒傳熱系數(shù)集中在70 W/(m2·K)。

2) 與砂粒相比，煤顆粒速度略大，且在垂直方向比水平方向大幾倍。氣化劑在垂直方向引入導(dǎo)致顆粒在垂直方向運(yùn)動最劇烈。煤顆粒和砂粒的運(yùn)動規(guī)律相似，其中煤顆粒參與氣體反應(yīng)，砂粒不參與反應(yīng)，表明顆粒運(yùn)動趨勢受化學(xué)反應(yīng)的影響不大。

3) 顆粒在時(shí)間和空間上的分布變化，顯著地體現(xiàn)在氣固相之間強(qiáng)烈的動量交換和熱量交換，導(dǎo)致固體顆粒出現(xiàn)混沌運(yùn)動，延長煤顆粒停留時(shí)間，表明鼓泡流化床的優(yōu)異混合性能和傳熱性能。

符 號 說 明

φg—?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù)，無量綱

ρg—?dú)庀嗝芏?，kg/m3

ug—?dú)庀嗨俣?，m/s

t—時(shí)間，s

pg—?dú)庀鄩毫?，Pa

g—重力加速度，m/s2

Fgs—?dú)夤虅恿拷粨Q源項(xiàng)，N

i—?dú)怏w種類，無量綱

q—?dú)怏w熱通量，W/m2

Sgs—?dú)夤虩峤粨Q，kg/(m2·s2)

Sgw—?dú)獗跓峤粨Q，kg/(m2·s2)

ΔHrg—化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量，W/m3

Dt—與黏度相關(guān)的湍流質(zhì)量擴(kuò)散率，無量綱

us—顆粒速度，m/s

τD—顆粒碰撞松弛時(shí)間，s

a—顆粒加速度，m/s2

Ds—曳力系數(shù)，kg/(m3·s)

φs—固相體積分?jǐn)?shù)，無量綱

ρs—固相密度，kg/m3

ms—粒子質(zhì)量，kg

Ts—粒子溫度，K

Res—顆粒平均滑移雷諾數(shù)，無量綱

ds—顆粒粒徑，m

CV—顆粒比熱容，J/(kg·K)

CD—單顆粒阻力系數(shù)數(shù)值模型，無量綱

K—傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Es—固體濃度，無量綱