移动床内气化反应特性的模拟

2021-06-25孔全磊刘军祥于庆波段文军

材料与冶金学报 2021年2期

孔全磊，刘军祥,于庆波,段文军

(东北大学冶金学院，沈阳 110819)

钢铁企业是我国的耗能大户，炼铁工序能耗约占钢铁企业总能耗的60%.高炉渣是高炉炼铁的主要副产物，高炉渣铁比约为300 kg/t.高炉熔渣排出温度在1 773 K左右，每吨高炉熔渣大约有1.8 GJ的热量，相当于57 kg标准煤的热值[1].目前高炉渣的余热回收方式主要分为物理法和化学法.对于化学法回收高炉渣余热，Li等[2]提出以高炉渣为热源进行煤气化的新型热回收系统，该回收系统由熔融气化炉、粒化装置、二次气化炉和余热锅炉组成.二次气化炉是以高炉渣颗粒为热源的移动床气化系统，该气化系统本质上是一个复杂的稠密气固反应两相流系统.

现阶段对稠密气固反应两相流的数值模拟方法主要有两种：一是双流体法(TFM)，二是计算流体力学与离散单元法相结合法(CFD-DEM).TFM是将固相看成连续相来进行处理，固相和气相是能共同存在且能相互渗透的连续介质，在欧拉框架下对固相进行求解[3].Yan等[4]采用TFM对双流化床气化进行了模拟研究，并根据实验数据对出口气体组分进行了很好的预测.CFD-DEM是基于欧拉-拉格朗日框架下的一种方法，在拉格朗日框架下对固相进行求解.与TFM相比，CFD-DEM能准确获取颗粒的物理信息，已经发展为一种常用的处理颗粒流的方法.Liu等[5]采用CFD-DEM研究了流化床反应器的焦炭燃烧，但是其床体内初始颗粒较少，反应过程中不添加颗粒.Ku等[6]采用CFD-DEM模拟流化床气化，并和实验进行了对比.本文采用CFD-DEM对以高炉渣颗粒作为热源的移动床气化系统进行数值模拟研究,为工程应用提供参考.

1 模型的建立

1.1 几何模型

本文采用漏斗形移动床研究颗粒流动换热及气化规律，图1为所用的几何模型.1是高炉渣颗粒入口，直径为40 mm.2和3是气化剂和煤粉入口，直径为20 mm.4是底部出口，直径为13 mm.入口1的端面与入口2中心线的距离为30 mm.1和4之间的垂直距离为355 mm.底部漏斗高度为55 mm.

图1 移动床几何模型Fig.1 Geometric model of moving bed

1.2 数学模型

1.2.1 流体相控制方程

对流体相的求解采用连续介质模型，稠密气固两相流动中的气相服从体积平均N-S方程.由于颗粒的存在对流体的运动产生较大的影响，因此需在传统的控制方程中引入空隙率(εg)来准确地表达计算网格内流体所占的体积.

公式(1)为流体质量守恒方程,如下所示:

(1)

式中，εg是气体体积分数，%；ρg是气体密度，kg/m3；vgi是气体在方向i的速度，m/s；Rgn是气体消耗或产生的速率,kg/(m3·s)；Ng是气体种类的总数.

公式(2)为流体动量守恒方程，如下所示：

(2)

式中，g是重力加速度，m/s2；Pg是气体压力，N；Igmi是气相和固相之间的动量交换，kg/(m2·s2)；M是固相种类的数目.稠密气固两相流中,绝大多数研究者将气相的流动状态假定为层流[7-8].

公式(3)为流体物种守恒方程，如下所示：

(3)

式中，Xgn是气体组分n的质量分数；Dgn是气体扩散系数.

公式(4)为流体能量守恒方程，如下所示：

(4)

式中，cg是气体比热容，J/(kg·K)；Tg是温度，K；κg是导热系数，w/(m·K)；Qgs是气固之间的对流换热,W；ΔHrg是化学反应热,W；γrg是气体辐射传热系数,W/K4；Trg是气体辐射温度，K.

1.2.2 颗粒相控制方程

在稠密气固两相流中，颗粒的运动遵循拉格朗日框架下的牛顿第二定律.公式(5)和(6)分别为颗粒的平动方程和转动方程，如下所示：

(5)

(6)

式中，mp是颗粒质量，kg；vp是颗粒平动速度，m/s；wp是颗粒角速度；Ip是转动惯量，kg·m2；Tp是颗粒扭矩，N·m；Fc是碰撞接触力(颗粒碰撞模型分为硬球模型和软球模型[9]，本文采用软球模型中的LSD模型)，N；Fd是气体对颗粒的作用力(在MFIX中气体对颗粒的作用力包含曳力和压力梯度力，本文曳力模型采用Gidaspow[10]结合Ergun方程和Wen and Yu关联式提出的曳力模型),N.

公式(7)为颗粒的能量守恒方程，如下所示：

(7)

式中，mi是单个目标颗粒质量，kg；Tp,i是颗粒温度，K；cp,i是颗粒比热容；Qgp,i是颗粒-流体对流传热；Qpp,i是颗粒-颗粒导热传热；Qpgp,i是颗粒-流体-颗粒导热传热；Qrad,i是辐射传热；ΔHrs是化学反应热.

1.2.3 化学反应模型

稠密气固流中的化学反应可以分为气相侧的反应和颗粒侧的反应.气相侧的反应被称为均相反应，主要在网格层面求解；而颗粒侧的反应被称为异相反应，主要基于颗粒尺度进行求解，二者通过反应源项进行耦合[11].本文采用缩核模型将化学反应速率和颗粒粒径关联起来，假定颗粒密度(ρp)不发生变化，颗粒直径(dp)遵循以下公式：

(8)

气化的反应特性主要包含蒸发、热解和燃烧等.本文由焦炭代替煤粉，气化剂为CO2，所以移动床内仅发生异相反应R1(单位为kmol/s)，不涉及水分蒸发、热解和燃烧.R1的化学反应速率编写在UDF中，动力学参数来源于王帅[11]，详见表1.

表1 异相反应动力学参数Table 1 Heterogeneous reaction kinetic parameters

表中:Ap是焦炭颗粒表面积，m2；PCO2是相应的气体分压，Pa；rdiff,CO2和rkin,CO2分别是扩散和动力学速率；Tp和Tg是相应的颗粒和气体温度，K.

2 结果与讨论

在研究气化剂流速对颗粒流动和气化效果的影响规律时，模拟条件如下:高炉渣颗粒入口温度为1 473 K，直径为2 mm.焦炭由90%的固定炭和10%的灰分组成，直径为1 mm，单侧入口焦炭的质量流量为0.6 g/s.

2.1 气化剂流速对高炉渣速度、出口温度的影响

图2为单侧气化剂流速vg和高炉渣颗粒速度vp之间的关系曲线图.从图2中可以看出，随着vg的增大，vp也逐渐增大，二者之间呈线性相关.同vg=0相比，vg=1.4 m/s时vp增大到了0.15 m/s.这是因为在移动床出口直径保持不变的情况下，颗粒的速度仅受气化剂流速的影响.气化剂流速越大，移动床内顶部和底部的气体压差越大，对颗粒产生了加速作用，使颗粒的速度和气化剂流速之间呈线性相关.

图2 颗粒速度与气化剂流速的关系Fig.2 Relationship between particle velocity and gasification agent flow rate

图3为高炉渣颗粒温度和出口气体温度与vg之间的关系曲线图.从图3中可以看出：随着vg的增大，颗粒和出口气体温度逐渐增大.同vg=0.4 m/s相比，vg=1.4 m/s时高炉渣颗粒的平均温度增大了7 K，出口气体的平均温度增大了4 K.结合图2可知，这是因为vp与vg之间呈线性相关，影响了颗粒在移动床内的停留时间.流速越大，颗粒在移动床内的停留时间越短，导致颗粒温降减小.出口气体温度随着气化剂流速的增大而增加，主要是因为气化剂与高温颗粒的换热得到了强化，导致二者之间的换热量增加.

2.2 气化剂流速对气化效果的影响

图4是CO的质量分数分布云图，图5是不同气化剂流速下出口气体中CO质量分数和时间的关系曲线图.由图4和图5可以看出，随着气化剂流速的增大，移动床中心区域和出口的CO质量分数逐渐减小.这是因为焦炭在移动床内的停留时间随着气化剂流速的增大而减少，当流速较小时，气化剂与焦炭会有更长的反应时间，二者之间反应更充分.对于气固顺流式移动床，应当合理地控制气化剂流速，增加气化反应时间，使气化反应更加充分.

图3 颗粒和气体温度与气化剂流速的关系Fig.3 Relationship between particle and gas temperature and gasification agent flow rate

图4 CO的质量分数分布云图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 焦炭直径对气化效果的影响

在研究焦炭直径对气化效果的影响规律时，模拟条件如下:单侧入口中焦炭的质量流量为0.6 g/s，气化剂流速为1 m/s(0.6 g/s)，高炉渣颗粒的直径为3 mm，焦炭直径分别为1，0.75，0.5 mm.

图6是不同焦炭直径下CO的质量分数分布云图，出口的CO质量分数分别为93%，85%，78%.由图6中可以看出，当焦炭直径为1.0 mm时，CO主要集中在移动床壁面附近，随着焦炭直径的减小，移动床中心区域CO质量分数逐渐增大.这是因为焦炭颗粒在进入移动床后，直径较小的焦炭与高炉渣颗粒的混合程度较高，在反应器径向分布相对均匀；此外，焦炭直径越小，其在床内受热温升越快，进一步加快了化学反应速率.