煤摻配含油污泥高溫氣化特性數(shù)值模擬

陳延貴，張紋齊，王銀峰，朱躍釗，

(1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816；2.南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211816)

石油工業(yè)在原油勘探、生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和再生過程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的含油污泥，其成分復(fù)雜，是一種含泥砂、原油和污水等多相穩(wěn)定膠態(tài)懸浮體系，它是影響油田及周邊環(huán)境質(zhì)量的重要污染物之一[1]。目前，含油污泥已經(jīng)被列入“國(guó)家危險(xiǎn)廢物清單”中的危險(xiǎn)廢物類。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前年產(chǎn)含油污泥淤積已達(dá)500萬t[2]，含油污泥的安全處置和資源化利用成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)，也是石化行業(yè)所急需解決的一項(xiàng)重大環(huán)保問題。

氣化從廣義上可定義為通過氣化劑將固體或液態(tài)碳基材料(原料)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)獾臒峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化過程[3]，是有機(jī)固廢特別是有機(jī)危廢安全處置與資源化利用的發(fā)展方向之一，具備替代焚燒技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)潛力[4]。高溫氣化-熔融技術(shù)正從處理煤炭開始轉(zhuǎn)向處理生活垃圾和工業(yè)污泥等有機(jī)廢棄物。由于含油污泥熱值相對(duì)較低，難以單獨(dú)高效地氣化，煤粉摻混含油污泥氣化技術(shù)可為污泥的熱解氣化過程提供熱量，同時(shí)可將碳基顆粒向小分子可燃?xì)廪D(zhuǎn)化，在實(shí)現(xiàn)煤粉氣化的同時(shí)有效處置危廢污泥。高溫氣化涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，對(duì)轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行數(shù)值模擬是重要的研究手段[5]。目前，已有學(xué)者在煤/生物質(zhì)共氣化[6]及煤/高濕污泥共氣化[7]等領(lǐng)域進(jìn)行了CFD數(shù)值研究，取得了重要的研究成果，生物質(zhì)和污泥等氫元素含量較高的原料與碳含量較高的煤共氣化，在解決部分物料難以單獨(dú)氣化的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)兩者的高效共協(xié)同利用。

本文將建立基于四噴嘴氣化爐的煤粉摻混含油污泥氣化數(shù)值仿真模型，采用歐拉-拉格朗日稀疏相顆粒運(yùn)動(dòng)模型，考慮煤/油泥的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程：包括熱解、氣固非均相反應(yīng)及氣體均相反應(yīng)，詳細(xì)考慮顆粒相的運(yùn)動(dòng)、熱質(zhì)傳遞及湍流脈動(dòng)影響，為實(shí)現(xiàn)煤摻配含油污泥氣化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 物理模型

本文選用四噴嘴進(jìn)料的逆流氣流床氣化爐，四噴嘴氣流床氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，氣化爐直徑為1 600 mm，高4 700 mm，噴嘴偏置夾角(與氣化爐中心夾角)為4.5°。采用多面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，對(duì)噴嘴及中心氣化區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，采用1/4周期性網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后，選取最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為17萬個(gè)。

圖1 四噴嘴氣流床氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

氮?dú)鈹y帶煤粉及含油污泥顆粒通過噴嘴內(nèi)側(cè)環(huán)形通道進(jìn)入氣化爐，氣化劑通過噴嘴外環(huán)通道進(jìn)入氣化爐。氣化劑由噴嘴高速射流進(jìn)入氣化區(qū)域，形成強(qiáng)旋流場(chǎng)卷吸煤粉及油泥顆粒，實(shí)現(xiàn)氣固兩相的充分混合。假設(shè)顆粒粒徑滿足Rosin-Rammler分布，平均顆粒直徑為0.05 mm，最大顆粒直徑為0.1 mm，最小顆粒直徑為0.01 mm。煤和油泥物性分析數(shù)據(jù)如表1所示，由于油泥中灰分含量很高，灰分中大量的重金屬及其氧化物導(dǎo)致油泥干基密度達(dá)到1 850 m3/kg。

表1 煤和油泥物性分析數(shù)據(jù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

在經(jīng)典力學(xué)范疇內(nèi)，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)方程的求解需要以質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量定理和能量守恒三大定律為基礎(chǔ)，計(jì)算流體力學(xué)將計(jì)算域離散為多個(gè)數(shù)值方程，通過求解離散后的矩陣獲得流場(chǎng)在時(shí)間/空間上的數(shù)值解。此外，為求解氣固兩相組分，還需要利用組分輸運(yùn)方程進(jìn)行封閉。

控制方程形式如下：

(1)

式(1)中，ui為速度矢量，xi(i=x,y,z)為笛卡爾坐標(biāo)系，t和ρ分別為時(shí)間和密度。

(2)

(3)

式(3)中，方程右側(cè)第二項(xiàng)為氣-固相間傳熱、液化熱(脫揮發(fā)潛熱)、輻射及反應(yīng)熱源項(xiàng)。

(4)

式(4)中，SpYi為質(zhì)量源項(xiàng)，Yi為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Dim為擴(kuò)散系數(shù)；Ri,r為化學(xué)組分反應(yīng)量；μi為湍流粘性系數(shù)；Sct為湍流施密特系數(shù)。

2.2 脫揮發(fā)分模型

可燃固廢/煤的熱解、氣化包含復(fù)雜的多組分傳熱傳質(zhì)過程，涉及到非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包括揮發(fā)分的析出、焦炭的燃燒及氣相間反應(yīng)。本文采用單步動(dòng)力學(xué)速率揮發(fā)模型計(jì)算顆粒的熱解速率，該模型認(rèn)為揮發(fā)速率是取決于顆粒中剩余揮發(fā)分量的一階反應(yīng)[8]，關(guān)于揮發(fā)分大分子進(jìn)一步裂解成烴類、碳的氧化物等小分子的過程，本文將其簡(jiǎn)化為大分子類的均相裂解反應(yīng)。

脫揮發(fā)過程如下：

揮發(fā)過程速率方程如下：

Volatiles→aCO+bCO2+cCH4+dH2O+eH2+fH2S+gN2+Tar

(5)

式(5)中，mv和Tp分別為剩余揮發(fā)分質(zhì)量及顆粒溫度，Av和Ev分別為指前因子及活化能，R為氣體常數(shù)，t為時(shí)間。

2.3 顆粒表面反應(yīng)模型

在顆粒熱解氣化過程中，發(fā)生復(fù)雜的熱裂解和縮聚反應(yīng)。焦炭除與O2發(fā)生反應(yīng)外，還與CO2、H2O及H2反應(yīng)，由于氣相的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于焦炭的反應(yīng)速率，進(jìn)入氣化爐的氧氣被熱解后的揮發(fā)分迅速消耗，焦的氣固異相反應(yīng)以與CO2、H2O的氣化反應(yīng)為主，氣化反應(yīng)占據(jù)了顆粒在爐內(nèi)歷程的絕大部分時(shí)間[9]。焦炭的反應(yīng)速率一般有：RC+O2>>RC+H2O>RC+CO2>>RC+H2，由于氣化過程在缺氧狀態(tài)下進(jìn)行，焦炭主要氧化為CO，且后續(xù)反應(yīng)會(huì)持續(xù)消耗掉CO2，本文主要考慮焦炭非完全氧化時(shí)的反應(yīng)，反應(yīng)方程式如R1-R4所示。

C+0.5O2→COΔH=-123.1 kJ/mol

R1

C+CO2→2COΔH=-406.3 kJ/mol

R2

C+H2O→CO+H2ΔH=-241.2 kJ/mol

R3

C+2H2→CH4ΔH=+118.7 kJ/mol

R4

本文采用基于WEN和CHAUNG[10]的縮核模型計(jì)算顆粒表面化學(xué)反應(yīng)速率，該模型假設(shè)氣化反應(yīng)發(fā)生在固體核表面，模型考慮了灰層擴(kuò)散、外擴(kuò)散及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，顆粒在反應(yīng)過程中有效擴(kuò)散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)不變，灰分或氣態(tài)產(chǎn)物剝落，顆粒往內(nèi)部塌陷，未反應(yīng)縮核模型[11-12]如圖2所示，顆粒表面反應(yīng)速率受顆粒粒徑控制。此部分通過UDF編譯，控制顆粒相的反應(yīng)速率?？紤]可逆反應(yīng)后的異相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 未反應(yīng)縮核模型

表2 非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

反應(yīng)速率方程如下：

(6)

kdash,i=kdiff,iε2.5

(7)

表2中：PO2、PCO2、PH2O及PH2分別為O2、CO2、H2O及H2的分壓，TP為顆粒相溫度。

2.4 氣相反應(yīng)模型

氣相化學(xué)反應(yīng)包括復(fù)雜的多組分傳熱傳質(zhì)過程，主要包括CO、H2和CH4的氧化，水氣變換(可逆)，甲烷重整變換反應(yīng)。由于焦油中以C、H兩種元素為主，假設(shè)焦油具有與苯(C6H6)類似的物理化學(xué)性質(zhì)[20]，焦油在高溫下主要發(fā)生與氧氣和水的反應(yīng)。本文采用有限速率模型/渦耗散模型計(jì)算氣化過程中的均相反應(yīng)，氣化過程主要均相化學(xué)反應(yīng)如R5-R11所示。

CO+0.5O2→CO2

R5

H2+0.5O2→H2O

R6

CH4+1.5O2→CO+2H2O

R7

CH4+H2O→CO+3H2

R8

CO+H2O?CO2+H2

R9

C6H6+4.5O2→6CO+3H2O

R10

C6H6+6H2O→6CO+9H2

R11

化學(xué)反應(yīng)速率方程：

(8)

式(8)中，A是指前因子，T是氣相溫度，m是溫度指數(shù)，Cr1，Cr2為一、二反應(yīng)物的濃度，n為對(duì)應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)。

氣化過程實(shí)際上是多個(gè)不同狀態(tài)的化學(xué)反應(yīng)的疊加，均相化學(xué)反應(yīng)速率方程可用式(7)表示?？紤]到湍流擴(kuò)散作用的影響，取湍流混合速率及化學(xué)反應(yīng)速率的較小值進(jìn)行均相反應(yīng)速率的計(jì)算：

R=min[Rg,Rmix(k,ε,xp,xr)]

(9)

式(8)中，Rmix為湍流混合速率，k為湍動(dòng)能，ε為湍流耗散率，xp,xr分別為產(chǎn)物及反應(yīng)物的摩爾分?jǐn)?shù)。均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)[13-20]見表3。

表3 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.5 輻射傳熱模型

氣化爐內(nèi)具有較高溫度，需要將輻射傳熱作用考慮在內(nèi)，常用的輻射模型有Rosseland模型、S2S模型、DTRM模型、DO模型、P1模型及蒙特卡洛方法。由于氣化爐內(nèi)含有一定量的H2O和CO2，對(duì)輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用，因此認(rèn)為爐膛的光學(xué)厚度大于1，可采用計(jì)算量較小的P1模型計(jì)算輻射傳熱，該模型考慮了顆粒相的影響及散射作用，適用于光學(xué)厚度較大的計(jì)算區(qū)域。

3 邊界條件與求解策略

文中采用SIMPLE算法求解，選用Realizablek-ε湍流模型，考慮離散相與連續(xù)相之間的耦合作用及湍流作用影響。爐膛壁面采用無滑移壁面邊界條件，壁面輻射率設(shè)為0.83，壁外溫度為300 K。煤和油泥的摻配比為4∶1，氧氣和煤泥氣固配比為0.66。顆粒追蹤數(shù)目為25 100個(gè)，噴嘴和壁面均按反射壁面處理，出口邊界按照逃逸壁面處理，顆粒在底部通向水浴槽的出渣口被捕獲。動(dòng)量、湍流、組分及能量方程均采用二階迎風(fēng)格式，壓力采用PRESTO!空間離散格式。當(dāng)能量和輻射的殘差小于1E-6時(shí)，動(dòng)量和質(zhì)量的殘差小于1E-4時(shí)，組分的殘差小于1E-5時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 氣化爐流場(chǎng)分布特性

氣化劑由噴嘴進(jìn)入氣化爐，由于噴嘴出口處截面面積變小，氣體速度迅速增加，射流入口處速度達(dá)到33 m/s，四股噴流在爐膛中心交匯成一股渦流，圖3為氣化爐噴嘴處附近截面速度分布，受氣化爐上方出口的影響，噴嘴附近流場(chǎng)整體向上偏移。圖4為氣化爐縱向截面速度及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，氣化劑卷吸煤粉及污泥顆粒彌散分布于爐膛內(nèi)部，更多的顆粒在重力作用下進(jìn)入到爐膛下部區(qū)域，顆粒的平均停留時(shí)間達(dá)到了4.6 s。顆粒軌跡在氣相隨機(jī)湍流脈動(dòng)的影響下，除少部分顆粒在出渣口底部沉積外，剩余顆粒被氣相攜帶出氣化爐。噴嘴與軸線成4.5°分布，氣體進(jìn)入爐膛后迅速受熱，導(dǎo)致氣體于氣化爐內(nèi)急速膨脹，增加了中心區(qū)域的湍流強(qiáng)度，氣體由噴嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)形成明顯的旋流場(chǎng)。

圖3 氣化爐噴嘴處附近截面速度分布

圖4 氣化爐縱向截面速度及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

4.2 氣化爐溫度分布特性

如圖5所示，圖(a)和圖(c)分別為距噴嘴下方和上方0.5 m處截面溫度分布，圖(b)為噴嘴處截面溫度分布。顆粒在噴嘴出口處與氧氣充分混合，氧氣在進(jìn)入爐膛的瞬間與顆粒析出的揮發(fā)分發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，在氣化爐內(nèi)形成局部的高溫火焰，并迅速消耗掉大部分的氧氣。揮發(fā)分從懸浮的顆粒表面逐漸向四周擴(kuò)散，因此顆粒表面的揮發(fā)分濃度最高，化學(xué)反應(yīng)也最為劇烈。由于氣化反應(yīng)占據(jù)了顆粒在爐內(nèi)歷程的絕大部分時(shí)間，顆粒在后續(xù)的反應(yīng)過程中以氣化為主導(dǎo)的反應(yīng)過程吸收掉大量的熱量。此外，更多的焦炭顆粒在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，顆粒的吸熱反應(yīng)造成爐膛下半部分較低的溫度。溫度在爐膛橫截面呈現(xiàn)“中間高、四周低”的分布規(guī)律。

圖5 氣化爐橫截面溫度云圖

圖6為氣化爐縱向截面溫度云圖，噴嘴附近高速射流區(qū)為主要的氧化區(qū)域，溫度明顯高于兩側(cè)區(qū)域，氣化爐出渣口溫度達(dá)到1 437 K，略高于灰熔點(diǎn)要求。由于油泥成分中含有大量水分，因此在煤摻混油泥氣化時(shí)，幾乎不須注入水蒸氣，同時(shí)為防止進(jìn)料時(shí)的不穩(wěn)定性，應(yīng)考慮在氣化爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)適當(dāng)增大氧氣的進(jìn)氣量，以維持內(nèi)部運(yùn)行的溫度，防止出現(xiàn)結(jié)渣問題。

圖6 氣化爐縱向截面溫度云圖

4.3 氣化爐內(nèi)組分分布特性

圖7為氣化爐縱向截面主要組分分布圖，爐膛內(nèi)部的氣體以CO和H2為主。

圖7 氣化爐縱向截面主要組分分布

水蒸氣含量主要來自于煤粉及油泥顆粒中的水分蒸發(fā)，由于焦炭-水(c+H2O)的氣化及水-氣變換反應(yīng)(CO+H2O)需要消耗大量的水蒸氣，因此噴嘴出口處的H2O濃度要遠(yuǎn)高于其它區(qū)域。在近噴嘴處，雖然焦炭會(huì)消耗掉一部分CO2而生成CO，但焦炭氣化的速率要遠(yuǎn)低于氣相反應(yīng)速率，而CO2的濃度增加則會(huì)造成水-氣變換反應(yīng)的平衡左移。CO與H2主要存在于爐膛內(nèi)部的低溫區(qū)域，這是由于CO與H2主要是焦炭與水蒸氣及二氧化碳的氣化反應(yīng)，該反應(yīng)需要吸收大量的熱量。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所能釋放的最大能量來自碳的完全氧化，即燃燒過程，而碳氧化成一氧化碳釋放的能量?jī)H占完全氧化時(shí)的65%。CO2的生成反應(yīng)則會(huì)釋放大量的熱量，主要存在于高溫區(qū)域。

圖8為氣化爐中軸線上組分及溫度變化規(guī)律。由圖8可知，在噴嘴高度處的中軸線位置溫度較低，在其上下位置(<0.35 m)附近溫度急劇升高。受流場(chǎng)影響，氣化爐中心部分出現(xiàn)局部低溫區(qū)域，此外，由于水分受熱蒸發(fā)及揮發(fā)分氧化反應(yīng)進(jìn)行，該區(qū)域的CO2及H2O含量較高；另一方面，火焰經(jīng)碰撞向噴嘴高度位置上、下兩側(cè)擴(kuò)散，出現(xiàn)了兩個(gè)溫度峰值；隨著氧含量的迅速降低，還原反應(yīng)逐漸活躍，并隨著水氣變換反應(yīng)的進(jìn)行，CO與H2的含量沿著氣化爐噴嘴兩側(cè)高度方向逐漸趨于平衡。

圖8 氣化爐中軸線上組分及溫度變化規(guī)律

為驗(yàn)證煤粉摻混油泥氣化反應(yīng)的可靠性，采用基于吉布斯最小自由能的平衡模型與未反應(yīng)縮核顆粒反應(yīng)的CFD模型進(jìn)行對(duì)比分析，氣化爐出口合成氣組成和熱值如表4所示。從表4中可以看出，兩者對(duì)氣化產(chǎn)物及出口溫度的預(yù)測(cè)基本一致。由于CFD模型考慮到顆粒的沉積及顆粒粒徑的變化帶來的轉(zhuǎn)化率下降，導(dǎo)致CFD模型預(yù)測(cè)的有效合成氣的組分略低于平衡模型。在煤摻混20%油泥進(jìn)行氣化時(shí)，有效合成氣的成分以CO和H2為主，合成氣的熱值達(dá)到了9.96 MJ/Nm3，碳轉(zhuǎn)化率為96.85%。

表4 氣化爐出口合成氣組成和熱值

5 結(jié)語(yǔ)

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)四噴嘴氣化爐處理煤摻油泥氣化過程進(jìn)行了模擬，并與穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行了對(duì)比。氣化爐內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)以繞中軸線的高速旋流為主，高溫區(qū)域主要集中在噴嘴附近，最高火焰溫度達(dá)到2 719 K，爐溫呈“中間高、四周低”的分布規(guī)律。摻混氣化的合成氣以CO和H2為主，有效氣成分達(dá)到82.7%。通過數(shù)值模擬方法分析，煤摻混20%油泥的工況下，可以替代水蒸氣參與氣化過程，基本滿足氣化性能要求。