微波輔助煤炭脫硫的多物理場耦合計算研究

李 昊,田文艷,劉 鑫,李澤民

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,太原 030024;2.中國移動通信集團(tuán) 山西有限公司太原分公司,太原 030009)

脫除煤中硫?qū)μ岣呙禾抠Y源利用率和環(huán)境保護(hù)具有重大意義[1]。微波脫硫技術(shù)的興起是利用微波加熱具有選擇性、高效性的優(yōu)勢,對有機(jī)化學(xué)反應(yīng)具有獨(dú)特的促進(jìn)強(qiáng)化效果,能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率和縮短反應(yīng)時間[2]。

劉松等[3]通過硝酸處理無機(jī)硫,利用微波聯(lián)合冰醋酸——雙氧水脫除煤中有機(jī)硫,并分析冰醋酸和過氧化氫配比、反應(yīng)時間對脫硫效果的影響。魏蕊娣等[4]在微波脫硫過程中考察了反應(yīng)體系溫度、浸提劑種類對微波脫硫效果的影響,并得出微波脫硫的最佳條件。唐龍飛等[5]通過量子化學(xué)方法對煤中各形態(tài)硫的脫除機(jī)理進(jìn)行研究,并研究各形態(tài)硫?qū)ξ⒉ǖ捻憫?yīng)規(guī)律。但上述通過實(shí)驗(yàn)研究煤樣脫硫存在實(shí)驗(yàn)周期長,且在實(shí)驗(yàn)過程中可能由于溫度分布不均勻?qū)е聼狳c(diǎn)產(chǎn)生,甚至嚴(yán)重時可能發(fā)生爆炸等安全隱患問題。因此,需要通過仿真計算[6]提前預(yù)測微波脫硫過程中電場、溫度場分布和最佳工藝條件。

本文選取山西省新陽煤礦高硫煤作為研究對象,通過多物理場耦合計算方法對微波脫硫?qū)嶒?yàn)過程進(jìn)行研究。在建立合理的煤樣模型基礎(chǔ)上,通過實(shí)現(xiàn)微波脫硫涉及的多個物理場之間的耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對煤的微波脫硫過程的研究,得到微波脫硫的最佳工藝條件,并分析電場分布的均勻性,討論溫度分布的均勻性,解決熱點(diǎn)問題。

1 計算模型

微波脫硫幾何模型如圖1所示,腔體尺寸為315 mm×325 mm×202 mm.波導(dǎo)在yoz面上,波導(dǎo)口的大小設(shè)置為80 mm×22 mm.燒杯的大小設(shè)置為直徑88 mm、高度為90 mm.玻璃托盤的大小為設(shè)置為半徑122.5 mm,厚度10 mm.玻璃攪拌槳采用錨式攪拌槳,尺寸設(shè)置為60 mm×50 mm×5 mm.位置是放置于燒杯中央位置,距離燒杯底部10 mm.

圖1 微波脫硫幾何模型圖

2 多物理場耦合計算

計算中需要對微波脫硫過程中涉及到的多物理場之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析。

2.1 電磁場方程

反應(yīng)腔體內(nèi)電磁場方程組如下所示:

(1)

(2)

?×H=0

(3)

?×E=0

(4)

式中:E為電場強(qiáng)度,H為磁場強(qiáng)度,B為介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,ε0為真空中的介電常數(shù),εeff為復(fù)相對介電系數(shù)。

微波加熱過程中單位體積的功耗Pd(r,t)為:

(5)

式中:D為電位移矢量,J為電流密度,E為電場強(qiáng)度。

2.2 熱傳導(dǎo)場方程

流體的熱傳導(dǎo)方程為:

(6)

式中:ρm為等效密度,Cp為等效比熱容,Kt為等效熱傳導(dǎo)系數(shù)。

2.3 流體場方程

流體場的設(shè)置需要考慮流體是否具有壓縮性,本文的煤樣微波脫硫體系隨著反應(yīng)的進(jìn)行,密度和動力學(xué)粘度會隨著溫度和組分的不同而變化,因此將微波脫硫體系作可壓縮流體處理。同時通過雷諾數(shù)Re確定流體的運(yùn)動狀態(tài),攪拌釜中的雷諾數(shù)Re[7]為:

(7)

式中:ρ為液體的密度,N為攪拌槳的轉(zhuǎn)速,r為腔體的半徑,μ為液體的動力學(xué)粘度。

當(dāng)Re≤2 300時,層流計算模型能夠較好的反映流體場的實(shí)際情況,當(dāng)Re>4 000時,湍流計算模型能夠較好的反映流體場的實(shí)際情況,當(dāng)2 300

當(dāng)攪拌速率N=30 rpm時,Re=2 189,選擇層流計算模型能夠反映實(shí)際情況,當(dāng)攪拌速率N=40 rpm時,Re=2 627,根據(jù)求解精度和計算難度的判斷,選擇層流計算模型。層流模型應(yīng)該滿足連續(xù)性方程和斯托克斯方程:

(8)

(9)

式中:u為流體微團(tuán)的速度張量,g為重力加速度,F為體應(yīng)力張量,I為單位張量。

2.4 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程

反應(yīng)體系涉及的脫硫反應(yīng)方程如下所示:

(10)

(11)

式中:SD為含硫化合物、SR為可溶性硫,k1為冰醋酸與過氧化氫反應(yīng)速率常數(shù),k2為含硫化合物與過氧乙酸反應(yīng)速率常數(shù)。

反應(yīng)動力學(xué)方程和Arrhenius方程如下所示:

(12)

(13)

式中:cSD為含硫化合物的濃度、cCH3COOOH為過氧乙酸濃度、k為反應(yīng)速率常數(shù),A為正向指前因子、Ef為反應(yīng)的活化能,R為氣體常數(shù)值為8.314 J/(mol/K).關(guān)于反應(yīng)動力學(xué)計算的具體數(shù)值見表1所示。

表1 動力學(xué)參數(shù)數(shù)值[8-9]

2.5 煤樣模型的構(gòu)建

本文選擇山西省新陽煤礦高硫煤作為研究對象,在分析和擬合新陽煤樣XPS譜圖后,得到了表2的關(guān)于煤中硫的參數(shù)。

表2 煤樣的XPS參數(shù)表

由表2可以看出,煤中硫可以分為四類:無機(jī)硫、噻吩類硫、砜類硫和硫醇硫醚類硫。

為了構(gòu)建煤樣模型,還需要煤樣中各元素的含量,如表3所示。

表3 煤樣的元素分析數(shù)值

在構(gòu)建煤樣模型時,選取無機(jī)硫、噻吩類硫、砜類硫和硫醇硫醚類硫作為煤樣含硫模型化合物,模型中煤樣質(zhì)量設(shè)定為12 g,各種組分按照比例進(jìn)行設(shè)置,各組分的相關(guān)參數(shù)在3.6節(jié)給出,由此通過對煤中組分和參數(shù)的定義來構(gòu)建微波脫硫的煤樣模型。

2.6 物性參數(shù)

多物理場耦合計算的準(zhǔn)確性要求對反應(yīng)體系各組分的物性參數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá),主要參數(shù)是各組分的介電系數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)。

2.6.1 介電系數(shù)

2.45 GHz的介電系數(shù)見表4.

表4 2.45 GHz的介電系數(shù)[10-11]

2.6.2 熱力學(xué)參數(shù)

該模型中,各組分的熱力學(xué)參數(shù)均隨反應(yīng)體系的溫度變化而更新,參數(shù)見表5.

表5 各組分熱力學(xué)參數(shù)[12-13]

2.7 初始條件和邊界條件

電磁場的設(shè)置:

模式為TE10波,頻率為2.45 GHz的電磁波;反應(yīng)腔體和波導(dǎo)設(shè)置為完美電導(dǎo)體。

溫度場的設(shè)置:

初始溫度為室溫,設(shè)置為25 ℃;反應(yīng)體系上表面與空氣接觸面和燒杯壁與空氣接觸面設(shè)置為自然對流;燒杯底部與玻璃托盤接觸面設(shè)置為固體傳熱。

流體場的設(shè)置:

流體場中流體的法向速度設(shè)置為0;旋轉(zhuǎn)臂邊界設(shè)置為攪拌槳的表面。

2.8 計算流程

多物理場耦合計算流程如圖2所示。首先初始化各物理場參量,求解一次電磁場方程,進(jìn)而得到各個物理場的變化情況,更新相關(guān)參數(shù)后重新開始計算。

圖2 多物理場耦合計算流程

3 結(jié)果分析

在實(shí)現(xiàn)了多物理場耦合計算之后,本文選擇分析微波輻照功率、氧化劑配比、輻照溫度和輻照時間對脫硫率的影響,并分析攪拌速率對溫度分布的影響。

脫硫率η的計算公式如下所示:

(14)

式中:S1為脫硫前煤中硫的含量,S2為微波脫硫后煤中硫的含量。

3.1 微波輻照功率對脫硫率的影響

在冰醋酸與過氧化氫配比1∶1、反應(yīng)溫度80 ℃,輻照時間15 min、攪拌速率30 rpm的條件下。研究了不同微波輻照功率P對煤樣脫硫率η的影響,計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 微波輻照功率對脫硫率的影響

由圖3可知,微波功率越大,脫硫率也就越高。微波功率從300 W增加到700 W時,脫硫率的增長趨勢明顯,700 W到1 000 W脫硫率的增長趨勢趨于平緩?？紤]到微波輻照功率越大,物質(zhì)升溫過快,易造成局部熱點(diǎn)問題。因此選擇微波功率700 W.

3.2 冰醋酸與過氧化氫配比對脫硫率的影響

在微波輻照功率700 W、輻照溫度80 ℃、輻照時間15 min、攪拌速率30 rpm條件下,研究了冰醋酸與過氧化氫不同配比V(HAC)∶V(H2O2)對煤樣脫硫率η的影響,計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 冰醋酸與過氧化氫的配比對脫硫率的影響

由圖4可知,在冰醋酸與過氧化氫配比為1∶1時,脫硫率最高。因此選擇冰醋酸與過氧化氫配比為1∶1.

3.3 輻照溫度對脫硫率的影響

在微波輻照功率700 W、冰醋酸與過氧化氫配比1∶1、輻照時間15 min、攪拌速率30 rpm條件下,研究了不同輻照溫度T對煤樣脫硫率η的影響,計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 輻照溫度對脫硫率的影響

由圖5可知,輻照溫度從60 ℃到80 ℃脫硫率的增長趨勢明顯,80 ℃到100 ℃脫硫率的增長趨勢趨于平緩。考慮到冰醋酸會隨著溫度升高而揮發(fā)速度加快,過氧化氫的分解速率也會隨著溫度的升高而增大,因此選擇最佳反應(yīng)溫度為80 ℃.

3.4 輻照時間對脫硫率的影響

在微波輻照功率700 W、冰醋酸與過氧化氫配比1∶1、輻照溫度80 ℃、攪拌速率30 rpm條件下,考察了輻照時間t對煤樣脫硫率η的影響,計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 微波輻照時間對脫硫率的影響

由圖6可知,在一定范圍內(nèi),煤樣脫硫率隨著微波輻照時間時間的增加而升高。在15 min后穩(wěn)定趨于穩(wěn)定,脫硫率在52%左右。因此選擇最佳反應(yīng)時間為15 min.

3.5 攪拌速率對溫度分布的影響

本文通過引入攪拌來改善微波加熱的不均勻性,而微波加熱的不均勻性主要體現(xiàn)在反應(yīng)的初始階段,因此選擇研究微波輻照5 min時間段內(nèi)不同攪拌速率對溫度分布的影響。

在微波輻照功率700 W、冰醋酸與過氧化氫配比1∶1、反應(yīng)體系溫度80 ℃,輻照時間5 min條件下,研究了不同攪拌速率N對反應(yīng)體系最大溫差ΔTmax影響,計算結(jié)果如表6所示。

表6 攪拌速率對最大溫差的影響

然后分析不同攪拌速率對溫度均勻性的影響。在攪拌速率為0 rpm、10 rpm、20 rpm、30 rpm、40 rpm時,微波作用3min時的最大溫差ΔTmax分別為14.055 ℃、8.918 ℃、3.672 ℃、2.655 ℃、1.853 ℃,可以看出,最大溫差隨著攪拌速率的增大而減小。在攪拌速率為30 rpm和40 rpm時的最大溫差僅相差Tt=3,N=30-Tt=3,N=40=0.802 ℃,對溫度均勻性的改善效果不明顯。因此選擇最佳攪拌速率為30 rpm.

因此,得到最佳微波脫硫工藝條件:微波輻照功率700 W、冰醋酸與過氧化氫配比1∶1、反應(yīng)體系溫度80.0 ℃、輻照時間15 min、攪拌速率30 rpm.

3.6 最佳工藝條件下電場和溫度場分布

對最佳工藝條件下燒杯內(nèi)電場和溫度場的分布進(jìn)行分析,電場分布如圖7所示,溫度場分布如圖8所示。

圖7 燒杯內(nèi)電場分布圖

圖8 燒杯內(nèi)溫度分布圖

由圖7可知,燒杯內(nèi)部的電場強(qiáng)度最大為9 680 V/m,最小為657 V/m,燒杯內(nèi)部電場分布較均勻,且滿足微波加熱條件。

由圖8可知,最大溫差僅為0.7 ℃,溫度場分布較均勻且沒有明顯的熱點(diǎn)產(chǎn)生,進(jìn)一步說明此條件為微波脫硫的最佳工藝。

4 結(jié)論

本文通過建立微波脫硫模型,實(shí)現(xiàn)對微波脫硫過程的多物理場耦合計算研究。并分析了微波輻照功率、氧化劑配比、反應(yīng)體系溫度、輻照時間對煤樣脫硫率的影響和攪拌速率對溫度分布均勻性的影響,得到微波脫硫最佳工藝條件為微波輻照功率700 W、冰醋酸與過氧化氫配比1∶1、反應(yīng)體系溫度80.0 ℃、輻照時間15 min、攪拌速率30 rpm.在此條件下煤樣脫硫率可達(dá)52%,且電場和溫度場分布較均勻,無明顯熱點(diǎn)產(chǎn)生。說明將多物理場耦合計算方法引入微波脫硫研究具有重要意義,此結(jié)果可以為煤炭微波脫硫研究提供一定的基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。