移動床內氣化反應特性的模擬

孔全磊，劉軍祥,于慶波,段文軍

(東北大學 冶金學院，沈陽 110819)

鋼鐵企業是我國的耗能大戶，煉鐵工序能耗約占鋼鐵企業總能耗的60%.高爐渣是高爐煉鐵的主要副產物，高爐渣鐵比約為300 kg/t.高爐熔渣排出溫度在1 773 K左右，每噸高爐熔渣大約有1.8 GJ的熱量，相當于57 kg標準煤的熱值[1].目前高爐渣的余熱回收方式主要分為物理法和化學法.對于化學法回收高爐渣余熱，Li等[2]提出以高爐渣為熱源進行煤氣化的新型熱回收系統，該回收系統由熔融氣化爐、?；b置、二次氣化爐和余熱鍋爐組成.二次氣化爐是以高爐渣顆粒為熱源的移動床氣化系統，該氣化系統本質上是一個復雜的稠密氣固反應兩相流系統.

現階段對稠密氣固反應兩相流的數值模擬方法主要有兩種：一是雙流體法(TFM)，二是計算流體力學與離散單元法相結合法(CFD-DEM).TFM是將固相看成連續相來進行處理，固相和氣相是能共同存在且能相互滲透的連續介質，在歐拉框架下對固相進行求解[3].Yan等[4]采用TFM對雙流化床氣化進行了模擬研究，并根據實驗數據對出口氣體組分進行了很好的預測.CFD-DEM是基于歐拉-拉格朗日框架下的一種方法，在拉格朗日框架下對固相進行求解.與TFM相比，CFD-DEM能準確獲取顆粒的物理信息，已經發展為一種常用的處理顆粒流的方法.Liu等[5]采用CFD-DEM研究了流化床反應器的焦炭燃燒，但是其床體內初始顆粒較少，反應過程中不添加顆粒.Ku等[6]采用CFD-DEM模擬流化床氣化，并和實驗進行了對比.本文采用CFD-DEM對以高爐渣顆粒作為熱源的移動床氣化系統進行數值模擬研究,為工程應用提供參考.

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文采用漏斗形移動床研究顆粒流動換熱及氣化規律，圖1為所用的幾何模型.1是高爐渣顆粒入口，直徑為40 mm.2和3是氣化劑和煤粉入口，直徑為20 mm.4是底部出口，直徑為13 mm.入口1的端面與入口2中心線的距離為30 mm.1和4之間的垂直距離為355 mm.底部漏斗高度為55 mm.

圖1 移動床幾何模型Fig.1 Geometric model of moving bed

1.2 數學模型

1.2.1 流體相控制方程

對流體相的求解采用連續介質模型，稠密氣固兩相流動中的氣相服從體積平均N-S方程.由于顆粒的存在對流體的運動產生較大的影響，因此需在傳統的控制方程中引入空隙率(εg)來準確地表達計算網格內流體所占的體積.

公式(1)為流體質量守恒方程,如下所示:

(1)

式中，εg是氣體體積分數，%；ρg是氣體密度，kg/m3；vgi是氣體在方向i的速度，m/s；Rgn是氣體消耗或產生的速率,kg/(m3·s)；Ng是氣體種類的總數.

公式(2)為流體動量守恒方程，如下所示：

(2)

式中，g是重力加速度，m/s2；Pg是氣體壓力，N；Igmi是氣相和固相之間的動量交換，kg/(m2·s2)；M是固相種類的數目.稠密氣固兩相流中,絕大多數研究者將氣相的流動狀態假定為層流[7-8].

公式(3)為流體物種守恒方程，如下所示：

(3)

式中，Xgn是氣體組分n的質量分數；Dgn是氣體擴散系數.

公式(4)為流體能量守恒方程，如下所示：

(4)

式中，cg是氣體比熱容，J/(kg·K)；Tg是溫度，K；κg是導熱系數，w/(m·K)；Qgs是氣固之間的對流換熱,W；ΔHrg是化學反應熱,W；γrg是氣體輻射傳熱系數,W/K4；Trg是氣體輻射溫度，K.

1.2.2 顆粒相控制方程

在稠密氣固兩相流中，顆粒的運動遵循拉格朗日框架下的牛頓第二定律.公式(5)和(6)分別為顆粒的平動方程和轉動方程，如下所示：

(5)

(6)

式中，mp是顆粒質量，kg；vp是顆粒平動速度，m/s；wp是顆粒角速度；Ip是轉動慣量，kg·m2；Tp是顆粒扭矩，N·m；Fc是碰撞接觸力(顆粒碰撞模型分為硬球模型和軟球模型[9]，本文采用軟球模型中的LSD模型)，N；Fd是氣體對顆粒的作用力(在MFIX中氣體對顆粒的作用力包含曳力和壓力梯度力，本文曳力模型采用Gidaspow[10]結合Ergun方程和Wen and Yu關聯式提出的曳力模型),N.

公式(7)為顆粒的能量守恒方程，如下所示：

(7)

式中，mi是單個目標顆粒質量，kg；Tp,i是顆粒溫度，K；cp,i是顆粒比熱容；Qgp,i是顆粒-流體對流傳熱；Qpp,i是顆粒-顆粒導熱傳熱；Qpgp,i是顆粒-流體-顆粒導熱傳熱；Qrad,i是輻射傳熱；ΔHrs是化學反應熱.

1.2.3 化學反應模型

稠密氣固流中的化學反應可以分為氣相側的反應和顆粒側的反應.氣相側的反應被稱為均相反應，主要在網格層面求解；而顆粒側的反應被稱為異相反應，主要基于顆粒尺度進行求解，二者通過反應源項進行耦合[11].本文采用縮核模型將化學反應速率和顆粒粒徑關聯起來，假定顆粒密度(ρp)不發生變化，顆粒直徑(dp)遵循以下公式：

(8)

氣化的反應特性主要包含蒸發、熱解和燃燒等.本文由焦炭代替煤粉，氣化劑為CO2，所以移動床內僅發生異相反應R1(單位為kmol/s)，不涉及水分蒸發、熱解和燃燒.R1的化學反應速率編寫在UDF中，動力學參數來源于王帥[11]，詳見表1.

表1 異相反應動力學參數Table 1 Heterogeneous reaction kinetic parameters

表中:Ap是焦炭顆粒表面積，m2；PCO2是相應的氣體分壓，Pa；rdiff,CO2和rkin,CO2分別是擴散和動力學速率；Tp和Tg是相應的顆粒和氣體溫度，K.

2 結果與討論

在研究氣化劑流速對顆粒流動和氣化效果的影響規律時，模擬條件如下:高爐渣顆粒入口溫度為1 473 K，直徑為2 mm.焦炭由90%的固定炭和10%的灰分組成，直徑為1 mm，單側入口焦炭的質量流量為0.6 g/s.

2.1 氣化劑流速對高爐渣速度、出口溫度的影響

圖2為單側氣化劑流速vg和高爐渣顆粒速度vp之間的關系曲線圖.從圖2中可以看出，隨著vg的增大，vp也逐漸增大，二者之間呈線性相關.同vg=0相比，vg=1.4 m/s時vp增大到了0.15 m/s.這是因為在移動床出口直徑保持不變的情況下，顆粒的速度僅受氣化劑流速的影響.氣化劑流速越大，移動床內頂部和底部的氣體壓差越大，對顆粒產生了加速作用，使顆粒的速度和氣化劑流速之間呈線性相關.

圖2 顆粒速度與氣化劑流速的關系Fig.2 Relationship between particle velocity and gasification agent flow rate

圖3為高爐渣顆粒溫度和出口氣體溫度與vg之間的關系曲線圖.從圖3中可以看出：隨著vg的增大，顆粒和出口氣體溫度逐漸增大.同vg=0.4 m/s相比，vg=1.4 m/s時高爐渣顆粒的平均溫度增大了7 K，出口氣體的平均溫度增大了4 K.結合圖2可知，這是因為vp與vg之間呈線性相關，影響了顆粒在移動床內的停留時間.流速越大，顆粒在移動床內的停留時間越短，導致顆粒溫降減小.出口氣體溫度隨著氣化劑流速的增大而增加，主要是因為氣化劑與高溫顆粒的換熱得到了強化，導致二者之間的換熱量增加.

2.2 氣化劑流速對氣化效果的影響

圖4是CO的質量分數分布云圖，圖5是不同氣化劑流速下出口氣體中CO質量分數和時間的關系曲線圖.由圖4和圖5可以看出，隨著氣化劑流速的增大，移動床中心區域和出口的CO質量分數逐漸減小.這是因為焦炭在移動床內的停留時間隨著氣化劑流速的增大而減少，當流速較小時，氣化劑與焦炭會有更長的反應時間，二者之間反應更充分.對于氣固順流式移動床，應當合理地控制氣化劑流速，增加氣化反應時間，使氣化反應更加充分.

圖3 顆粒和氣體溫度與氣化劑流速的關系Fig.3 Relationship between particle and gas temperature and gasification agent flow rate

圖4 CO的質量分數分布云圖Fig.4 Contour map of CO mass score distribution(a)—vg=0.4 m/s; (b)—vg=1.0 m/s; (c)—vg=1.4 m/s.

2.3 焦炭直徑對氣化效果的影響

在研究焦炭直徑對氣化效果的影響規律時，模擬條件如下:單側入口中焦炭的質量流量為0.6 g/s，氣化劑流速為1 m/s(0.6 g/s)，高爐渣顆粒的直徑為3 mm，焦炭直徑分別為1，0.75，0.5 mm.

圖6是不同焦炭直徑下CO的質量分數分布云圖，出口的CO質量分數分別為93%，85%，78%.由圖6中可以看出，當焦炭直徑為1.0 mm時，CO主要集中在移動床壁面附近，隨著焦炭直徑的減小，移動床中心區域CO質量分數逐漸增大.這是因為焦炭顆粒在進入移動床后，直徑較小的焦炭與高爐渣顆粒的混合程度較高，在反應器徑向分布相對均勻；此外，焦炭直徑越小，其在床內受熱溫升越快，進一步加快了化學反應速率.

圖5 出口氣體中CO質量分數和時間的關系Fig.5 The relationship between export CO mass score and time

圖6 CO的質量分數分布云圖Fig.6 Contour map of CO mass score distribution(a)—d=0.5 mm; (b)—d=0.75 mm; (c)—d=1.0 mm.

3 結 論

(1)對于直徑2 mm的高爐渣顆粒，通入的氣化劑流速越大，高爐渣顆粒的速度也會相應增大，二者呈線性關系.

(2)較大的氣化劑流速會影響流體和顆粒間的換熱時間，惡化換熱效果.對于氣固順流式移動床應當合理地控制氣化劑流速.

(3)出口氣體中CO的質量分數隨著氣化劑流速的增加而降低，減小焦炭直徑有助于加快氣化反應的速率,出口氣體中CO的質量分數隨著焦炭直徑的減小而增大.