淺談循環(huán)流化床氣化數學模型研究

陸　楊

(中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司，廣東　廣州　510000)

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淺談循環(huán)流化床氣化數學模型研究

陸楊

(中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司，廣東廣州510000)

對循環(huán)流化床氣化進行數值模擬研究可為氣化爐設計、制造、運行提供指導。本文從熱力學平衡模型和動力學模型兩個方面綜述了循環(huán)流化床氣化數學模型。結果表明熱力學平衡模型與實際氣化過程相差甚遠；雙流體模型假設過于理想化，偏離實際；顆粒軌道模型計算量非常大，耗時很長；多維模型發(fā)展還不完善，需引入大量的經驗公式；小室模型是模擬循環(huán)流化床氣化較理想的模型。

循環(huán)流化床；氣化；熱力學平衡模型；動力學模型；小室模型

煤氣化是指將煤或煤焦轉化為氣體燃料的過程。煤氣化產物是醫(yī)藥廠房動力中心燃氣鍋爐的氣源。此外，煤氣化可為化工、石化行業(yè)化學品生產提供原料來源，為城市熱力站提供燃料。在國家大力提倡節(jié)能環(huán)保的今天，煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的最重要途徑之一，是發(fā)展現(xiàn)代煤化工、熱電化學品多聯(lián)供系統(tǒng)技術、IGCC技術等高新能源利用技術的先導性技術和核心技術。綜觀全世界煤氣化技術，循環(huán)流化床氣化生產能力大，碳轉化率高，煤種適應性廣，可處理粉煤，能解決煤炭開采中粉煤率日益增加的問題，因而成為非常有前景的氣化技術。

快速有效地確定氣化劑配比，最佳運行參數，獲得氣化爐內溫度及氣體組分分布，對不同規(guī)模的循環(huán)流化床氣化爐的設計及運行具有重要的指導意義。試驗研究結果可信度高，但需耗費大量的人力、物力和時間成本，且很難獲得氣化爐內的溫度場及組分濃度場的詳細分布規(guī)律。此外，對于大型工業(yè)化生產裝置，試驗研究很難進行。對于復雜的循環(huán)流化床煤氣化系統(tǒng)而言，通過模擬計算和分析，可以降低試驗成本，實現(xiàn)低風險、高效率地研究、評估氣化爐的氣化性能，了解操作參數變化對煤氣指標的影響規(guī)律，從而合理、有效地預測氣化爐出口的煤氣指標，為氣化爐的設計、制造和運行提供指導。

循環(huán)流化床氣化數值模擬研究即基于基本定律，結合流體動力學、化學動力學、傳熱傳質等方面的理論模型，建立描述循環(huán)流化床氣化過程的數學模型，借助計算機實現(xiàn)仿真計算。在循環(huán)流化床氣化數值模擬方面，國內外學者提出許多數學模型，根據各模型中是否考慮流體動力學和化學動力學，可將模型分為熱力學平衡模型和動力學模型。

1　熱力學平衡模型

熱力學平衡模型是基于碳轉化率、氧氣消耗率達100%，假定各反應達到平衡的基礎上建立各組分的質量、能量平衡方程。求解這些方程可以在給定氧煤比、蒸汽煤比、操作壓力情況下，預測煤氣平衡組成和溫度，不能預測操作參數對氣化爐運行性能的影響[1-4]。通常情況下，實際加入的碳未能完全轉化，模擬效果會受到影響。Li[5]用碳轉化率作為唯一的動力學參數來修正平衡模型，模擬誤差有所降低，但甲烷濃度模擬仍與實際偏差較大。張榮光[6]采用碳轉化率和甲烷產率兩個動力學參數對平衡模型進行修正，進行了循環(huán)流化床煤氣化的模擬研究，模擬結果和試驗結果比較吻合。

2　動力學模型

動力學模型又叫反應器模型，是應用質量平衡、能量平衡定律，在與氣化爐的流體力學、化學反應動力學有機結合的基礎上建立起來的。根據不同氣化爐內的氣固流動特征及化學反應，建立對應的流體力學模型、化學動力學模型、質量平衡和能量平衡，通過求解這些方程，可以得到氣化爐出口的煤氣指標，以及氣化爐內的溫度分布、濃度分布等情況，也可考察原料種類、操作參數對氣化結果的影響。該類模型能真實反映氣化爐內的過程，對氣化爐的設計、運行及性能提高具有非常大的指導意義。但模型相對復雜，計算量大，盡管如此，很多學者仍致力于該模型的研究[7-10]。

根據模型中使用的流體力學模型的差異，可將動力學模型分為雙流體模型、顆粒軌道模型、多維模型、小室模型。

2.1雙流體模型

雙流體模型模擬循環(huán)流化床氣化是基于合適的邊界條件，把固體顆粒和流體看成是時空上共存且相互作用、相互滲透的兩種連續(xù)介質，各自服從自己的控制微分方程。建立相應的質量、動量、能量方程即可求得氣固兩相流場、濃度場、溫度場等參數。這類模型在循環(huán)流化床氣化的應用比較少，李巍[11]基于氣相k-ε模型，顆粒相動力學模型的歐拉-歐拉雙流體模型，對循環(huán)流化床氣化爐內流動特性進行了冷態(tài)數值模擬，得到了床體顆粒濃度分布、速度分布及進回料管的顆粒擴散距離。

2.2顆粒軌道模型

顆粒軌道模型是在拉格朗日坐標系中建立顆粒群運動方程、質量、能量守恒方程，求解顆粒運動軌跡及沿軌跡的顆粒參數變化。根據軌跡求解方式，可將該模型分為確定性軌道模型和隨機軌道模型。該模型考慮了顆粒的團聚和破碎，成分及溫度變化，目前在循環(huán)流化床燃燒領域運用較多。

M A Hastaoglu[12]運用顆粒軌道模型模擬了木屑循環(huán)流化床氣化過程。其認為氣體與木屑呈平推流，加入床體內的砂子當成顆粒團處理，木屑是單獨的圓柱體顆粒，木屑顆粒的尺寸和密度是隨碳轉化率變化，顆粒尺寸變化導致顆粒作加速運動。模型中沒有考慮顆粒的湍流影響。

2.3多維模型

該模型是將氣化爐分成若干多維空間，分別計算每個空間內的流動、化學反應、熱質交換。此類模型因缺乏合適的動量及能量平衡模型公式仍處于研究初期。Petersen[13]提出了一個循環(huán)流化床水煤漿氣化三維數學模型。模型揭示了床內軸向速度分布及顆粒濃度分布，考查了加料位置對煤氣化的影響。結果表明由于揮發(fā)份的快速分解及水煤漿中高的揮發(fā)份含量使得加料點的徑向氣體混合不完全，增加床寬可以改善上述問題。

2.4小室模型

小室模型又叫區(qū)段模型(district model)。小室就是利用微元思想，沿循環(huán)流化床氣化爐氣固流動主要方向將床體劃分成許多小單元?；诿總€單元中參數均一化假設，結合單元內化學反應、流體動力學及相鄰單元間的物質、能量交換，建立出單元內各組分的質量、能量平衡，從而迭代計算出氣化爐內流場、溫度場、組分濃度場等。圖1為小室物質平衡示意圖。

圖1　小室質量平衡示意圖

目前用小室模型模擬循環(huán)流化床燃燒過程的文獻已有很多[14-19]，但模擬循環(huán)流化床氣化過程還較少。房倚天[20]模擬了循環(huán)流化床中試裝置中的煤氣化反應，考慮了循環(huán)床中環(huán)/核流動特征。其基本假設為:①氣化只發(fā)生在提升管內，提升管沿高度分為80個圓柱形小室，每個小室沿半徑又分為4個環(huán)形小室，在每個小室內，氣體及固體流動為柱塞流。②反應不影響固體顆粒濃度的分布，燃料和循環(huán)固體全部進入提升管底部。③整個反應器溫度均勻。④不考慮固體顆粒粒徑的減少。模型預測了CO濃度分布、碳轉化率隨操作參數(煤種、表觀氣速、固體循環(huán)流率、反應溫度)的變化規(guī)律，結果顯示與實驗結果較吻合。陰秀麗[21]結合原料寬篩分特性，建立了生物質循環(huán)流化床氣化爐的數學模型，利用模型對循環(huán)流化床木粉氣化爐的運行參數進行模擬計算。進行的基本假設為:①一維穩(wěn)態(tài)，可壓縮氣體，壓力均勻。②空隙率由平均流化速度關聯(lián)。③固相速率為流化速度與固體顆粒終端速度之差。模型模擬了溫度沿床高的變化及不同當量比下的煤氣指標，與實驗結果符合良好。Jose Corella[22]利用自己實驗的化學動力學數據，進行適當的簡化假設，建立了生物質循環(huán)流化床氣化爐半經驗模型，該模型可以預測軸向氣體組分分布和溫度分布，可為生物質循環(huán)流化床氣化爐設計及運行提供指導。

3　結　論

熱力學平衡模型以反應熱力學為基礎，對于碳轉化率高、反應接近平衡的工況預測較好。但該模型只考慮物料的質量和能量平衡，不考慮氣化過程的傳熱傳質及化學反應速率，假定各氣化反應均達到平衡，碳完全轉化，這與實際的氣化過程相差甚遠。盡管應用碳轉化率和甲烷產率兩個動力學參數對平衡模型進行修正，能減少模擬結果與試驗結果的誤差，但并不能代表循環(huán)流化床中煤氣化的實際過程。因此，在模擬循環(huán)流化床氣化方面，該模型的使用受到一定限制，對過程控制及氣化爐設計參考價值較少。

雙流體模型假設過于理想化，偏離實際也過于簡單；顆粒軌道模型考慮了顆粒運動及顆粒間的碰撞，但顆粒的運動基于固體濃度分布狀態(tài)已計算出的情況下，相對片面，不符合實際過程，且流化床內顆粒數往往非常多，導致此類方法計算量非常大，耗時很長；多維模型雖能很好反應流化床內流動及化學反應狀態(tài)，但目前各空間內模型發(fā)展還不完善，需引入大量的經驗公式；小室模型發(fā)展比較成熟，能很好地描述循環(huán)流化床內溫度及組分濃度分布情況，同時能考慮稀相區(qū)環(huán)/核流動結構及物質、能量交換，較準確地描述了床內流動狀況和反應，在模擬循環(huán)流化床氣化方面是比較理想的模型。

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Research on Mathematical Modeling of Circulating Fluidized Bed Gasification

LU Yang

(Sino Pharmengin Corporation,Guangdong Guangzhou 510000,China)

The numerical simulation of circulating fluidized bed gasification can provide guidance for gasifier design,manufacture and operation.From two aspects of thermodynamic equilibrium model and dynamic model,the mathematical model of circulating fluidized bed gasification was summarized.The results showed that the thermodynamic equilibrium model was far away from the actual gasification process,the assumption of two-fluid model was too idealistic,deviated from the actual process.Particle trajectory model need a large amount of calculation and long time-consuming,much empirical formulas need to be introduced,dimensional model was underdeveloped.District model was an ideal model of circulating fluidized bed gasification.

circulating fluidized bed;gasification;thermodynamic equilibrium model;dynamic model;district model

陸楊(1989-)，男，助理工程師，主要從事流化床燃燒及氣化方面的研究。

TQ545

A

1001-9677(2016)04-0012-03