喷嘴角度变化对Shell气化炉煤气化影响的数值模拟

1、高等学校工程热物理第十六届全国学术会议 编号： 喷嘴角度变化对Shell 气化炉煤气化影响的数值模拟陶明春1 郝英立1,2（1. 东南大学能源与环境学院，南京，210096;2. 东南大学空间科学与技术研究院，南京，210096）（联系电话: Email: taomingchun82）摘 要：本文采用Eulerian-Langerange 模型描述气固两相流，并用非预混燃烧模型描述煤气化炉内组分输运和燃烧，对某厂运行的Shell 煤气化炉的煤气化现象进行了数值模拟。得到了气化炉内出口处的温度和有效气体摩尔分布等参数，模拟结果与实际运行数据比较吻合，并研究了一对喷嘴角

2、度变化和两对喷嘴角度变化对Shell 气化炉煤气化的影响，结果表明当喷嘴角度变化范围处于-5°到5°之间时对煤气化影响不大，在其他范围内时候影响较大。关键词：非预混燃烧模型，Shell 煤气化炉，喷嘴角度0 引言煤气化是煤高效、清洁利用的重要途径之一。由于我国石油等能源资源的对外依赖程度的加深，而国内煤炭资源相对丰富，为寻求高效、经济的能源开发技术，众多研究发现煤气化可以成为缓解资源紧缺的解决方案之一。气化炉煤气化技术因生产压力高、负荷大、碳转化率高，成为应用广泛、发展前景最好的煤气化技术之一。气流床气化炉以水煤浆或干煤粉为原料，纯氧作为氧化剂，目前国际上比较成熟的主要有T

3、exaco 和Shell 等气流床煤气化技术。对于气流床炉内煤气化方面的研究，有不少学者做了大量的工作。Peter 等人1对水煤浆气化炉建立了热力学模型，并考察了气化炉反应特性；于海龙等2-4采用简化PDF(possibility density function模型建立气流床气化炉的二维模型，讨论了氧煤比、煤浆浓度等因素对煤气化过程和出口煤气成分，以及碳转化率的影响；吴玉新等5用简化PDF 模型对气化炉运行特性进行了分析，并考虑了改变水煤浆浓度和碳氧比等参数对气化炉运行特性的影响。本文利用商业CFD 软件Fluent ，对某厂运行的Shell 煤气化炉进行三维网格划分，国家重点基础研究发展计

4、划资助项目（批准号：2010CB227002）C采用非预混燃烧模型模拟气化炉炉内化学反应，dpm 模型考虑颗粒相和气相的耦合作用，随机轨道模型追踪颗粒运动，P-1模型计算炉内辐射传热，对Shell 煤气化炉进行研究，并分析讨论了运行参数的变化对煤气化的影响。 1 计算模型的控制1.1 计算对象的描述本文模拟计算的对象是某厂1台日消耗煤约1000t 的高压煤气化炉，气化炉高度为6.82m ，内径为2.29m ，如图1所示，模拟的基准工况条件如表1所示。采用结构化网格对模型进行网格划分，网格数量为406527个，其中喷嘴进口处采用局部加密处理。表1 基准工况下操作条件煤的质量组成/% 气化压力/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 控制方程煤粉经过高压氮气输送，和氧气、水蒸气一起通过喷嘴进入气化炉燃烧，本文用Eulerian-Lagrangian 离散相模型来描述气相和颗粒相，模型对流体相采用带旋流修正的Realizable k-模型6-7，采用非预混PDF 模型描述气化炉内煤粉颗粒的燃烧，辐射传热模型选择P-1模型，具体参见文献8。1.3 边界条件和计算方法本文中煤粉、氧气和煤粉均通过喷嘴进入气化炉，喷嘴处为质量流量入口条件，出口处定义为压力出口，壁

6、面为无滑移定温条件。压力速度耦合方程采用SIMPLEC 算法，计算时采用一阶迎风格式离散控制方程中的对流项，采用出口入口质量差和气化炉内不动点温度来判断计算收敛。图1气化炉几何结构尺寸2 模拟结果 本文主要以气化炉炉体高度、炉内直径和喷嘴位置不变为条件，研究喷嘴角度变化对气化炉煤气化的影响。如图2，其中图中字母表示喷嘴垂直进口方向与水平面之间的角度，并定义喷嘴朝下位置角度为负角度(如图中所示，反之为正角度。模拟计算时候值处于-10°25°之间，变化幅度为5°。 2.1 模拟结果与运行结果的对比表2是气化炉出口处模拟计算结果和实际运行结果的比较，从表中可以看出，计算

7、结果和运行结果数据是比较接近的，表明模拟计算时候模型的选择、网格的划分是合理的。表2 模拟结果和运行结果的比较Temperature/K CO / % H 2 / % CO 2 / % H 2O / % 计算结果1759.2 63.53 28.17 2.29 5.46 运行结果 62.48 30.55 2.96 2.82.2 一对喷嘴角度变化对煤气化的影响本文模拟的对象为某厂运行的Shell 干煤粉煤气化炉，其炉体边缘布置有4个喷嘴进口，并为两两对置布置。首先以一组喷嘴角度不变，另外一组喷嘴角度变化为条件进行模拟计算，模拟结果如表3所示。表3 一组喷嘴角度变化时气化炉出口处模拟结果 /

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 煤气摩尔浓度 / % CO2 2.95 2.41 0.97 2.46 2.62 3.71 3.85 5.45 温度 / K 1880.8 1876.41866.91892.71919.91935.91952.5 1989.9图2 喷嘴角度变化示意图碳转化率 / %95.7

9、4 97.76 99.49 96.62 93.17 88.28 83.69 76.35 冷煤气效率 / %81.51 84.82 88.80 83.45 81.47 78.51 76.37 69.97 从表3可以看出，CO 和H 2的摩尔浓度变化趋势一致，随着值自小到大变化呈现先增加后降低的变化趋势，其中，在的值介于-5°5°中间这两种气体摩尔浓度存在极大值，在 > 15°时候这两种气体的摩尔浓度降低的幅度开始加大，在其他范围内变化幅度不大；H 2O 和CO 2的摩尔浓度变化趋势一致，随着值自小到大变化呈现先降低后升高的变化趋势，其中，在的值介于-5

10、6;5°中间这两种气体摩尔浓度存在极小值，在 > 15°时候这两种气体的摩尔浓度降低的幅度开始加大；温度随值自小到大变化呈现先降低后升高的变化趋势，其中，在的值介于-10°5°内变化幅度不大，当在 > 10°时候温度变化幅度开始加大。这是由于当的值介于-5°5°时候，表示喷嘴进口方向与水平面之间的夹角较小，在此范围内一对喷嘴的角度变化对煤气化的影响较小，原因是一对喷嘴在此角度内变化时，虽然经过该对喷嘴的煤粉与经过另外一对喷嘴进入气化炉的煤粉存在两个碰撞区域，但是相比较气化炉的尺寸，这两个区域相距很近，彼此的影响与

11、两组均垂直进入气化炉的情况相比不大。当 > 5°时候气化炉中两个碰撞区域的距离开始增大，并使经过一定角度进入气化炉的煤粉碰撞区域离气化炉出口部分距离减小，造成了这部分煤粉在气化炉中停留时间缩短，影响了气化炉内的反应，造成CO 和H 2的摩尔浓度逐渐降低，H 2O 和CO 2的摩尔浓度逐渐升高，温度急剧升高。反之，当 < -5°的时候，表示经过该对喷嘴进入气化炉的煤粉碰撞区域离气化炉地步距离减小，使得粘在壁面上的颗粒增多，影响了气化炉的整体效率。另外，气化炉的碳转化率和冷煤气效率曲线的变化趋势基本一致，随着值自小到大变化呈现先增加后降低的变化趋势，并且在 值介于-

12、5°5°时候变化范围不大，在其他区域变化幅度开始增加。这是由于当 < -5°的时候，粘贴在气化炉底部的颗粒增加，降低了气化炉的碳转化率和冷煤气效率，当的值介于-5°5°中间时候，煤粉的燃烧比较充分，故气化炉碳转化率和冷煤气效率均存在极大值，当 > 5°时候，有一部分煤粉在气化炉中的停留时间减少，造成该部分煤粉的不充分燃烧或者没有来得及与水蒸气或CO 2进行反应，造成气化炉的碳转化率和冷煤气效率均降低。2.3 二喷嘴角度变化对煤气化的影响当气化炉的两对喷嘴角度均进行变化时候，由于对称性的原因，使得进入气化炉的煤粉仍在气化炉内

13、统一区域碰撞，此时对气化炉进行模拟得到结果如表4所示。从表4中可以看出，CO 和H 2的摩尔浓度变化趋势一致，随着值自小到大变化呈现先增加后降低的变化趋势，其中在的值介于-5°5°之间变化范围比较小，并且在该区间内这两种气体摩尔浓度存在极大值，在 > 15°时候这两种气体的摩尔浓度降低的幅度开始加大，在其他范围内变化幅度不大；H 2O 和CO 2的摩尔浓度变化趋势一致，随着值自小到大变化呈现先降低后升高的变化趋势，其中，在的值介于-5°5°中间这两种气体摩尔浓度存在极小值，在 > 15°时候这两种气体的摩尔浓度降低的幅度开

14、始加大；温度随值自小到大变化呈现先降低后升高的变化趋势，其中，在的值介于-5°5°内变化幅度不大，当在 > 5° 以及 < -5° 时候温度变化幅度开始加大。这是由于当表4 二组喷嘴角度变化时气化炉出口处模拟结果 / °-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煤气摩尔浓度/ % CO 2 2.27 2.28 0.97 5.57 3.29 4.12 4.94 5.85温度 / K1889.5 1869.71866.91885.51937.01968.51987.2 1997.6 碳转化率 / %95.77 98.88 99.49 96.93 94.58 94.51 88.7 85.4 冷煤气效率 / %84.01 84.6 88.81 84.87 82.71 80.65 79.11 19.16 的值介于-5°5°时候，表示喷嘴进口方向与水平面之间的夹角较小，在此范围内两对喷嘴的角度变化对煤气化的影响较小，原因是两组喷嘴在此角度内

16、变化时，煤粉在气化炉内的碰撞区域相比较喷嘴角度没有变化的时候有一定距离的靠下或靠上，对整体系统的影响并不大。当 > 5°时候气化炉中碰撞区域离气化炉出口部分距离减小，造成了煤粉在气化炉中停留时间缩短，影响了气化炉内的反应，造成CO 和H 2的摩尔浓度逐渐降低，H 2O 和CO 2的摩尔浓度逐渐升高，温度急剧升高。反之，当 < -5°的时候，表示经过该对喷嘴进入气化炉的煤粉碰撞区域离气化炉地步距离减小，使得粘在壁面上的颗粒增多，影响了气化炉的整体效率。此外，气化炉的碳转化率和冷煤气效率曲线的变化趋势基本一致，随着值自小到大变化呈现先增加后降低的变化趋势，并且在 值

17、介于-5°5°时候变化范围不大，在其他区域变化幅度开始增加。这是由于当 < -5°的时候，粘贴在气化炉底部的颗粒增加，降低了气化炉的碳转化率和冷煤气效率，当的值介于-5°5°中间时候，煤粉的燃烧比较充分，故气化炉碳转化率和冷煤气效率均存在极大值，当 > 5°时候，有一部分煤粉在气化炉中的停留时间减少，造成该部分煤粉的不充分燃烧或者没有来得及与水蒸气或CO 2进行反应，造成气化炉的碳转化率和冷煤气效率均降低。3 结论 (1 本文采用非预混燃烧模型对某厂运行的 Shell 煤气化炉进行了模拟计算， 计算结 果与实际工业运行参数

18、比较接近，证明了该模型可以用于气化炉煤气化方面的研究。 (2 通过对气化炉喷嘴的入射角度改变的研究发现，不管是其一组喷嘴的角度发生 变化还是二组角度都发生变化，均对气化炉煤气化造成影响，当喷嘴的变化角度 介于 -5°到 5°之间变化时候，对气化炉煤气化的影响不大，当喷嘴的变化角度 处于这个变 化范围外的时候其气化炉煤气化的影响比较大。 参 1 考 文 献 Peter Ruprecht, Wolfgang Schafer, Paul Wallace. A computer model of entrained coal gasification. Fuel, 1988: 67

19、(6: 739-742. 2 于海龙, 赵翔, 周志军, 等. 氧碳原子比和水煤浆质量分数对水煤浆气化影响的数值模 拟J. 燃料化学学报, 2004, 32(4: 390-394. 3 于海龙, 赵翔, 周志军, 等. 氧煤比对水煤浆气化影响的数值模拟J. 煤炭学报, 2004, 29(5: 606-610. 4 于海龙, 赵翔, 周志军, 等. 煤浆浓度对水煤浆气化影响的数值模拟J. 中国动力工程 学报, 2005, 25(2: 217-220, 238. 5 吴玉新, 张建胜, 王明敏, 等. 简化 PDF 模型对气化炉运行特性的分析J. 中国电机工 程学报, 2007, 27(32: 5

20、7-62. 6 7 8 陶文铨. 计算传热学M. 西安: 西安交通大学出版社, 2001: 370-376. 赵坚行. 燃烧的数值模拟M. 北京: 科学出版社, 2002. 陶明春, 郝英立. 运行参数变化对 Shell 煤气化炉煤气化的数值模拟(I. 长沙, 高等学校 工程热物理第十六届全国学术会议, 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