浅谈循环流化床气化数学模型研究

陆　杨

(中国医药集团联合工程有限公司，广东　广州　510000)



浅谈循环流化床气化数学模型研究

陆杨

(中国医药集团联合工程有限公司，广东广州510000)

对循环流化床气化进行数值模拟研究可为气化炉设计、制造、运行提供指导。本文从热力学平衡模型和动力学模型两个方面综述了循环流化床气化数学模型。结果表明热力学平衡模型与实际气化过程相差甚远；双流体模型假设过于理想化，偏离实际；颗粒轨道模型计算量非常大，耗时很长；多维模型发展还不完善，需引入大量的经验公式；小室模型是模拟循环流化床气化较理想的模型。

循环流化床；气化；热力学平衡模型；动力学模型；小室模型

煤气化是指将煤或煤焦转化为气体燃料的过程。煤气化产物是医药厂房动力中心燃气锅炉的气源。此外，煤气化可为化工、石化行业化学品生产提供原料来源，为城市热力站提供燃料。在国家大力提倡节能环保的今天，煤气化是洁净、高效利用煤炭的最重要途径之一，是发展现代煤化工、热电化学品多联供系统技术、IGCC技术等高新能源利用技术的先导性技术和核心技术。综观全世界煤气化技术，循环流化床气化生产能力大，碳转化率高，煤种适应性广，可处理粉煤，能解决煤炭开采中粉煤率日益增加的问题，因而成为非常有前景的气化技术。

快速有效地确定气化剂配比，最佳运行参数，获得气化炉内温度及气体组分分布，对不同规模的循环流化床气化炉的设计及运行具有重要的指导意义。试验研究结果可信度高，但需耗费大量的人力、物力和时间成本，且很难获得气化炉内的温度场及组分浓度场的详细分布规律。此外，对于大型工业化生产装置，试验研究很难进行。对于复杂的循环流化床煤气化系统而言，通过模拟计算和分析，可以降低试验成本，实现低风险、高效率地研究、评估气化炉的气化性能，了解操作参数变化对煤气指标的影响规律，从而合理、有效地预测气化炉出口的煤气指标，为气化炉的设计、制造和运行提供指导。

循环流化床气化数值模拟研究即基于基本定律，结合流体动力学、化学动力学、传热传质等方面的理论模型，建立描述循环流化床气化过程的数学模型，借助计算机实现仿真计算。在循环流化床气化数值模拟方面，国内外学者提出许多数学模型，根据各模型中是否考虑流体动力学和化学动力学，可将模型分为热力学平衡模型和动力学模型。

1　热力学平衡模型

热力学平衡模型是基于碳转化率、氧气消耗率达100%，假定各反应达到平衡的基础上建立各组分的质量、能量平衡方程。求解这些方程可以在给定氧煤比、蒸汽煤比、操作压力情况下，预测煤气平衡组成和温度，不能预测操作参数对气化炉运行性能的影响[1-4]。通常情况下，实际加入的碳未能完全转化，模拟效果会受到影响。Li[5]用碳转化率作为唯一的动力学参数来修正平衡模型，模拟误差有所降低，但甲烷浓度模拟仍与实际偏差较大。张荣光[6]采用碳转化率和甲烷产率两个动力学参数对平衡模型进行修正，进行了循环流化床煤气化的模拟研究，模拟结果和试验结果比较吻合。

2　动力学模型

动力学模型又叫反应器模型，是应用质量平衡、能量平衡定律，在与气化炉的流体力学、化学反应动力学有机结合的基础上建立起来的。根据不同气化炉内的气固流动特征及化学反应，建立对应的流体力学模型、化学动力学模型、质量平衡和能量平衡，通过求解这些方程，可以得到气化炉出口的煤气指标，以及气化炉内的温度分布、浓度分布等情况，也可考察原料种类、操作参数对气化结果的影响。该类模型能真实反映气化炉内的过程，对气化炉的设计、运行及性能提高具有非常大的指导意义。但模型相对复杂，计算量大，尽管如此，很多学者仍致力于该模型的研究[7-10]。

根据模型中使用的流体力学模型的差异，可将动力学模型分为双流体模型、颗粒轨道模型、多维模型、小室模型。

2.1双流体模型

双流体模型模拟循环流化床气化是基于合适的边界条件，把固体颗粒和流体看成是时空上共存且相互作用、相互渗透的两种连续介质，各自服从自己的控制微分方程。建立相应的质量、动量、能量方程即可求得气固两相流场、浓度场、温度场等参数。这类模型在循环流化床气化的应用比较少，李巍[11]基于气相k-ε模型，颗粒相动力学模型的欧拉-欧拉双流体模型，对循环流化床气化炉内流动特性进行了冷态数值模拟，得到了床体颗粒浓度分布、速度分布及进回料管的颗粒扩散距离。

2.2颗粒轨道模型

颗粒轨道模型是在拉格朗日坐标系中建立颗粒群运动方程、质量、能量守恒方程，求解颗粒运动轨迹及沿轨迹的颗粒参数变化。根据轨迹求解方式，可将该模型分为确定性轨道模型和随机轨道模型。该模型考虑了颗粒的团聚和破碎，成分及温度变化，目前在循环流化床燃烧领域运用较多。

M A Hastaoglu[12]运用颗粒轨道模型模拟了木屑循环流化床气化过程。其认为气体与木屑呈平推流，加入床体内的砂子当成颗粒团处理，木屑是单独的圆柱体颗粒，木屑颗粒的尺寸和密度是随碳转化率变化，颗粒尺寸变化导致颗粒作加速运动。模型中没有考虑颗粒的湍流影响。

2.3多维模型

该模型是将气化炉分成若干多维空间，分别计算每个空间内的流动、化学反应、热质交换。此类模型因缺乏合适的动量及能量平衡模型公式仍处于研究初期。Petersen[13]提出了一个循环流化床水煤浆气化三维数学模型。模型揭示了床内轴向速度分布及颗粒浓度分布，考查了加料位置对煤气化的影响。结果表明由于挥发份的快速分解及水煤浆中高的挥发份含量使得加料点的径向气体混合不完全，增加床宽可以改善上述问题。

2.4小室模型

小室模型又叫区段模型(district model)。小室就是利用微元思想，沿循环流化床气化炉气固流动主要方向将床体划分成许多小单元。基于每个单元中参数均一化假设，结合单元内化学反应、流体动力学及相邻单元间的物质、能量交换，建立出单元内各组分的质量、能量平衡，从而迭代计算出气化炉内流场、温度场、组分浓度场等。图1为小室物质平衡示意图。

图1　小室质量平衡示意图

目前用小室模型模拟循环流化床燃烧过程的文献已有很多[14-19]，但模拟循环流化床气化过程还较少。房倚天[20]模拟了循环流化床中试装置中的煤气化反应，考虑了循环床中环/核流动特征。其基本假设为:①气化只发生在提升管内，提升管沿高度分为80个圆柱形小室，每个小室沿半径又分为4个环形小室，在每个小室内，气体及固体流动为柱塞流。②反应不影响固体颗粒浓度的分布，燃料和循环固体全部进入提升管底部。③整个反应器温度均匀。④不考虑固体颗粒粒径的减少。模型预测了CO浓度分布、碳转化率随操作参数(煤种、表观气速、固体循环流率、反应温度)的变化规律，结果显示与实验结果较吻合。阴秀丽[21]结合原料宽筛分特性，建立了生物质循环流化床气化炉的数学模型，利用模型对循环流化床木粉气化炉的运行参数进行模拟计算。进行的基本假设为:①一维稳态，可压缩气体，压力均匀。②空隙率由平均流化速度关联。③固相速率为流化速度与固体颗粒终端速度之差。模型模拟了温度沿床高的变化及不同当量比下的煤气指标，与实验结果符合良好。Jose Corella[22]利用自己实验的化学动力学数据，进行适当的简化假设，建立了生物质循环流化床气化炉半经验模型，该模型可以预测轴向气体组分分布和温度分布，可为生物质循环流化床气化炉设计及运行提供指导。

3　结　论

热力学平衡模型以反应热力学为基础，对于碳转化率高、反应接近平衡的工况预测较好。但该模型只考虑物料的质量和能量平衡，不考虑气化过程的传热传质及化学反应速率，假定各气化反应均达到平衡，碳完全转化，这与实际的气化过程相差甚远。尽管应用碳转化率和甲烷产率两个动力学参数对平衡模型进行修正，能减少模拟结果与试验结果的误差，但并不能代表循环流化床中煤气化的实际过程。因此，在模拟循环流化床气化方面，该模型的使用受到一定限制，对过程控制及气化炉设计参考价值较少。

双流体模型假设过于理想化，偏离实际也过于简单；颗粒轨道模型考虑了颗粒运动及颗粒间的碰撞，但颗粒的运动基于固体浓度分布状态已计算出的情况下，相对片面，不符合实际过程，且流化床内颗粒数往往非常多，导致此类方法计算量非常大，耗时很长；多维模型虽能很好反应流化床内流动及化学反应状态，但目前各空间内模型发展还不完善，需引入大量的经验公式；小室模型发展比较成熟，能很好地描述循环流化床内温度及组分浓度分布情况，同时能考虑稀相区环/核流动结构及物质、能量交换，较准确地描述了床内流动状况和反应，在模拟循环流化床气化方面是比较理想的模型。

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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

陆杨(1989-)，男，助理工程师，主要从事流化床燃烧及气化方面的研究。

TQ545

A

1001-9677(2016)04-0012-03