Texaco气化炉混合过程及化学反应过程中的控制因素分析_图文

1、第卷第期燃烧科学与技术年月气化炉混合过程及化学反应过程中的控制因素分析吴玉新，张建胜，岳光溪，吕俊复（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京）摘要：气流床煤气化炉内的湍流流动和反应过程存在强烈耦合作用，为确定气化炉不同区域中起主导作用的控制因素，通过对气化炉进荇三维数值模拟以及对计算结果进行分析，详细列出了气化炉中与流动、反应相关的主要长度尺度和时间尺度通过对这些特征尺度进行比较，发现在火焰区不能忽略因气体组分脉动而对焦炭异相反应产生的影响；在非火焰区，尽管慢反应控制气相反应过程，但总体来说，同相反应的时间尺度远小于宏观混合过程的时间尺度，这说明采用快反应假定对气化炉内的化学机理进行简

2、化能够合理预测气化炉的运行特性关键词：气流床煤气化炉；数值模拟；时间尺度；长度尺度中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，岫，）：，舀，：；气流床气化炉流场属于典型的高速受限射流，且处于旺盛的湍流状态由于湍流的存在，炉内混合过程被大大强化根据湍流理论，湍流流动中存在一系列不同特征尺度的涡团，大尺度涡团的行为对流场的发展和宏观混合过程起着显著作用，湍动能从大尺度涡团收稿日期：基金项目：国家重点基础研究发展计划（）资助项目（）作者简介：吴玉新（一），男，博士，讲师通迅作者：吴玉新，帅”逐渐向小尺度涡团输运，并在尺度涡中发生耗散对于湍流有反应流动问题，不同尺度涡团对反应影响的过程也不一样积分尺

3、度涡团主要通过流动过程来影响各组分浓度及温度等标量的分布；尺度涡具有最大的拉伸率，在该尺度下发生分子万方数据燃烧科学与技术第卷第期尺度耗散，因而直接影响反应过程为研究气化炉中流动与反应的耦合问题，需要根据湍流信息讨论流动中的特征尺度，并将这些特征尺度同反应过程中的特征尺度进行对比，从而确定哪些物理过程在煤气化过程中起着关键作用叶正才等采用一萘酚与对氨基苯碘酸重氮盐的耦合竞争串联二级反应体系对气流床气化炉冷态实验台进行研究，同时采用一模型对该实验系统进行数值模拟，详细分析了气流床气化炉内的混合过程，认为宏观混合过程在气化炉混合过程中占主导地位，并分析了炉体高径比、出口面积等结构参数对炉内混合过程

4、的影响贺阿特、刘向军、等旧对气流床煤气化炉的数值建模研究也表明，采用快反应假设，即认为混合过程决定反应进程，能够建立简单的流动反应模型，并得到合理的预测结果事实上，由于温度是决定反应速率的最重要因素，在气化炉内不同温度区域中，决定气化过程的因素并不相同为确定哪些因素在气化炉不同区域中起着控制作用，需要在掌握气化炉炉内温度、组分浓度等标量分布的基础上，结合流动特征和反应过程进行详细分析为此，笔者在已有数值模拟结果的基础上剖，根据湍流理论和化学反应模型，详细比较了在气化炉不同区域中与流动、反应相关的时间尺度和长度尺度，讨论了气化炉内不同区域中的控制因素研究对象为一台投入运行的气化炉，该气化炉特有的

5、三通道喷嘴将水煤浆和：在喷嘴出口处充分雾化受高温回流气体及火焰辐射的加热作用，煤浆进入炉体后迅速发生水分蒸发、热解和挥发分燃烧等过程，并在喷嘴下方形成下行火焰，进而在火焰段形成高温区，高温区的形成保证产生足够的热量来迅速完成焦炭气化过程根据气化炉的特点，文献基于单组分简化模型对气化炉进行了三维数值模拟数值建模过程中，选取矗占模型封闭湍流方程，模型描述煤浆颗粒的气化过程，采用随机轨道模型考虑颗粒运动受湍流脉动的影响，采用模型计算气化炉内的辐射传热通过对不同湍流模型的比较，通过对炉膛出口处温度、主要组分物质的量浓度的预测值与测试值进行比较，以及对气化炉操作条件变化的分析】，表明该模型能够合理描述气

6、化炉内的温度分布，准确预测气化炉出口的主要组分及温度等重要参数通过对气化炉的数值模拟，得到气化炉炉内的湍流信息，根据这些湍流信息以及量纲分析，可进一步计算出炉内与湍流流动、混合过程相关的特征尺度，进而同反应的特征尺度进行比较气化炉内的长度和时间尺度与流动相关的长度和时间尺度计算根据湍流能谱理论，全尺度充分发展的湍流中包含一系列具有不同特征时间尺度和长度尺度的涡，比较常见的包括积分尺度涡、尺度涡和尺度涡一积分尺度涡表征了湍流中最大尺度涡的特性，该尺度涡完成了流场中大部分动量和能量的输运过程，其长度尺度受流场边界条件的限制，通常和研究对象的边界特征尺度在同一量级，该尺度下的湍流流动主要受流动惯性控

7、制，而不受黏性耗散的影响相反地，涡表征流动中最小尺度涡的特性，该尺度下的湍流流动主要受黏性和湍动能耗散率占控制，湍动能主要在该尺度下发生耗散，而湍流混合过程则使流体微团混合在该尺度下达到分子尺度，进而发生反应涡尺度介于积分尺度和涡尺度之间，用于表征湍流发展程度，可以将涡理解为湍流过程中出现概率最多的涡团尺寸根据量纲分析和湍流理论，积分涡、涡和尺度涡的特征时间尺度和特征长度尺度如表所示旧（其中为湍动能，；为流体运动黏度，；占为湍动能的耗散率，）表不同尺度涡的特征长度尺度和特征时间尺度参数积分涡涡涡长度，一）庀（导）尺度占时间七（警）忱（詈）尺度占胪删（）尼雷诺时均法中，积分涡特征尺度描述了炉内的

8、流动和混合信息，涡尺度则和反应过程密切相关根据表中对各尺度涡特征长度和特征时间的计算方法，以及对气化炉进行数值计算得到的湍流信息，得到该气化炉内积分涡和涡的特征长度尺度和时间尺度等值面分别如图和图所示由图可见，近喷嘴处的积分涡特征长度尺度范围为，且距喷嘴越近，特征长度越小三通道喷嘴内环、中心环和外环喷嘴出口处当量直径分别为、和，由此可以看万方数据年月吴玉新等：气化炉混合过程及化学反应过程中的控制因素分析 图积分涡长度尺度及时间尺度 图涡长度尺度及时间尺度出近喷嘴处的湍流大涡尺度受到喷嘴出口处直径制约随射流的发展，大涡长度增加，最大区域约为，同炉体直径在同一量级，在气化炉收缩段，受边界条件影响，

9、大涡长度又有所减小由于时间特征尺度是当地涡团拉伸率的倒数，由图积分涡的时间尺度分布可看出近喷嘴处的拉伸率最大，这说明该区域的宏观湍流混合过程最强烈由于当地拉伸率同速度梯度密切相关，可以看出在气化炉后半段，大涡特征时间变长，拉伸率减小，宏观湍流混合过程减弱，速度梯度降低，出现平推流的特征与积分尺度涡相比，涡特征长度要小两个数量级以上，气化炉内大部分区域的涡长度尺度小于。时间尺度小于涡分布的特点说明气化炉内大部分区域涡耗散的过程非常剧烈，从而微观湍流混合过程同当地化学反应过程发生较强的相互作用与反应相关的时间尺度计算气化炉内会发生一系列化学反应，目前计算均采用简单的一步总包反应来考虑这些反应为便于

10、对炉内的基本反应过程进行分析，本文中均选取在煤气化炉数值计算中常用到的表达式以及反应常数来对气相反应速率以及焦炭异相反应速率进行计算对同相反应速率的计算方法的描述以及反应常数如表所示表中，足为某气相反应的总包反应速率，其中，的计算式如式（）所示，的单位因表达式的不同而发生变化在常数选定的情况下，由式（）可见，温度是影响气相反应速率的决定性因素七（一志）在分析气化炉中的焦炭异相反应速率时，采用文献中介绍的模型，假定焦炭异相反应同时受外扩散及本征反应过程控制外扩散速率按式（）计算，本征反应模型采用压力的凡次方经验公式来考虑压力对焦炭异相反应速率的影响，反应速率按式（）计算曩。“皿等丝岛（）足缸（一

11、肛，（）“（）式（）和式（）中的和分别表示扩散过程和反应过程中的常数，表示颗粒温度，。表示周围气体温度，表示组分气体的分压式（）中的反应常数和出处如表所示表气化炉数值模拟中常用的气相反应式及动力学参数同相反应。（一一）（。）文献。？”，。蛐。，毒后。，万方数据燃烧科学与技术第卷第期表焦炭异相反应的动力学常数反应物（一一一“、（一），文献，。假定在考虑气相反应和焦炭异相反应时，反应温度为常数对于某一气相反应，定义反应物浓度变为初始浓度所需的时间为该同相反应的特征时问尺度，则特征时间尺度可近似采用式（）计算：一（）（页）（）式中：为式中的指前因子；为密度，；，为反应物物质的量浓度，；为反应活化能，

12、；为反应特征温度，在较短的反应时间内，可近似认为和为常数，则温度对气相化学反应的特征时间尺度具有决定性影响 和气相反应类似，考虑焦炭同某种气体单独进行反应时，假定该反应气体浓度为常数，定义剩余焦炭质量为原焦炭质量的时所消耗的时间为该异相反应的特征时间尺度根据文献中焦炭异相反应模型计算得到的特征时间尺度随温度的变化如图所示从图可看出，温度同样对焦炭异相反应产生巨大影响，由于焦炭异相反应过程受到外扩散、空隙扩散和本征反应速率的共同控制，根据表达式，表观反应速率随温度增加呈指数规律递增，外扩散则呈温度的次幂增加，在两者共同影响下，焦炭反应速率的增加率减小，并最终受外扩散控制随温度的升高，由于焦炭同：

13、的表观反应速率很快，在较低温度下就进入外扩散控制区，因而总反应速率的增加率变慢，焦炭同：与：的反应速率增加幅度远大于焦炭燃烧反应因而随温度继续增加，焦炭燃烧和焦炭气化反应速率逐渐接近，都达到较高的反应速率气化炉不同区域的长度和时间尺度根据分析可知，反应的时间尺度同温度密切相关通过对气化炉的数值计算刮发现，气化炉内按温度可分为火焰区和非火焰区氧气未消耗完毕的区域为火焰区，这一区域温度较高，约为；氧气耗尽后，气化炉内温度迅速变得均匀，约为，火焰区和非火焰区之间的过渡区所占范围很窄，可以暂不讨论下面仅介绍火焰区和非火焰区的特征长度尺度和时间尺度的比较火焰区取火焰区特征温度为，在此温度下计算得到的各同

14、相反应和异相反应的特征时间尺度以及表征流动特征的长度和时间尺度分布如图所示火焰区中，由于氧气存在，回流可燃气体及煤颗粒热解产物迅速燃烧，放出大量热量而造成高温温度的提高使同相反应速率和异相反应速率大大加快，不仅焦炭同：的反应速率增加，焦炭同：、：以及：的反应速率也大大加快，以至其特征时间尺度同积分涡尺度在同一数量级上，由于积分涡同湍流混合过程密切相关，同时表征当地宏观组分浓度湍流脉动的频率，这说明在火焰区内不能忽略当地气体涡团脉动对颗粒反应及颗粒运动造成的影响目前，已有对气化炉的数值模拟工作在考虑颗粒异相反应时，都没有计人当地气体组分及温度脉动对颗粒反应速率的影响，可见这样的处理在描述颗粒在火

15、焰区内运动及气化特性时显得过于粗糙另一方面，在雷诺时均方法（，）框架下，各种模型给出的湍流信息都十分有限，这些信息不足以描述气体微团的脉动，因而采用方法试图考虑湍流脉动对颗粒反应的作用也十分困难图焦炭与不同气体反应的特征时毛度随温度的变化图火焰区中与流动、反应相关的时间和空间尺度万方数据年月吴玉新等：气化炉混合过程及化学反应过程中的控制因素分析尽管焦炭异相反应在火焰区中的速率大大增加，但与气体同相反应相比，仍非常缓慢，同样，表征宏观混合过程的积分尺度涡团的特征尺度也远小于同相反应的特征时间尺度，这说明气体反应相对于宏观湍流混合过程来说非常迅速，因而快反应假定在方法下是合适的但由于表征火焰扩散层

16、特征厚度的涡特征长度。大致与气相反应在一个量级，在该尺度范围内的湍流脉动也是不可忽略的，只是方法无法给出湍流在这一尺度的信息因而采用方法不能正确预测火焰区特性，也很难正确预测焦炭颗粒在该区域中的气化过程非火焰区取非火焰区特征温度为（典型气化炉出口温度），在该温度下，各反应的特征时间尺度以及表征湍流流动的特征长度、时间尺度如图所示由于在火焰区内氧气被迅速耗尽，非火焰区属于还原性气氛，故不必考虑、：、。以及焦炭燃烧反应的特征时间尺度，也可以不用考虑挥发分析出的过程远离喷嘴处的非火焰区域速度及速度梯度较低，故积分涡拉伸率减小、湍流宏观混合过程变慢，但与焦炭气化反应速率的减小程度相比要小很多相比较而言

17、，非火焰区焦炭气化反应的特征时间尺度远大于积分涡的特征时间尺度，这说明在该区域内，宏观湍流脉动对颗粒气化反应的影响较小，可以忽略不计，故目前对焦炭异相反应所作的忽略气相组分脉动影响的简化假定在非火焰区是适用的由于焦炭气化反应的特征时间仅仅略小于颗粒在气化炉内的停留时间，这说明延长颗粒在气化炉内的停留时间有利于碳转化率的提高，由于分析过程中没有考虑焦炭反应活性随时问增加而降低的影响，停留时间延长对碳转化率的提高程度可能比较有限，还有待进一步分析 图非火焰区中与流动、反应相关的时间和空间尺度对比图和图发现，焦炭在火焰区中的气化反应速率远大于在非火焰区中的气化反应速率，这说明温度是影响碳转化率的重要

18、因素，增加焦炭颗粒在高温区中的停留时间比增加焦炭颗粒在气化炉中的停留时间对碳转化率的提高更关键对气相反应来说，由于非火焰区属于还原性气氛，因而水煤气变换反应、。同：等可逆慢反应是气相反应中的控制因素对目前的数值计算来说，在该区域内应当采用合适的模型准确预测这些反应的特性才能保证计算结果的正确性相比较湍流宏观混合速率而言，由于这些慢速的可逆反应速率仍远远快于宏观混合过程，因此在非火焰区采用快反应假定，即认为气相反应达到平衡状态，湍流混合过程决定反应进程的假设是合理的框架下基于快反应假定的同相反应模型包括模型和简化模型，目前对煤气化过程的数值模拟也主要采用了这两种模型相比较而言，模型在考虑逆反应过程时存在自身缺陷，无法考虑二级反应以及多个一级反应，难以获得可靠结果；而简化模型绕开了对反应过程的模拟，采用反应平衡假设来预测气化过程的最终状态以及湍流脉动对最终产物的影响，这也是该模型相对模型更适合用于对气化过程进行模拟的原因结语在对气化炉进行三维数值计算的基础上，根据数值模拟结果以及湍流理论，详细计算了气化炉不同区域中与湍流流动、化学反应相关的主要长度尺度和时间尺度通过对这些特征尺度的量级比较，发现在火焰区不能忽略气体组分脉动对焦炭颗粒异相反应的影响，因此方法无法准确预测