500td油页岩干馏系统的半焦燃烧输送数值模拟.pdf

第3 3 卷第 5 期 2 0 1 3年 1 O月 东北电力大学学报 J o u r n a l Of No r t h e a s t D ia n li Un iv e r s it y Vo 1 3 3 No 5 0e t 2 0 1 3 文章编 号： 1 0 0 5 2 9 9 2 ( 2 0 1 3) 0 50 0 0 1 0 5 5 0 0 t d油 页岩干馏 系统 的半焦燃烧 输送数值模拟 秦 宏 ， 马佳波 ， 刘洪鹏 ， 张立栋 ， 贾春 霞， 王 擎 ( 东北 电力大学 能源 与动力工程学 院， 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ) 摘 要i 油页岩半焦喷动床作为以固体热载体为主的油页岩干馏工艺中的重要设备 ， 有着经济有 效的燃烧方式。针对 5 0 0 t d油页岩干馏系统内的半焦喷动床燃烧输送装置 ， 应用计算流体力学软件， 采用非预混燃烧模型， 对油页岩半焦喷动床内部的传热及燃烧进行数值模拟。建立了油页岩半焦热解 和燃烧的模型， 得到了油页岩半焦喷动床内部的温度、 氧气、 二氧化碳的分布。结果表明： 在喷动床内形 成喷射区、 环隙区、 喷泉区的分布明显。在顶部的喷泉区燃烧剧烈， 温度变化均匀， 氧气摩尔分数较低， 二氧化摩尔分数较高。 关键词： 数值模拟； 燃烧模型； 喷动床 ； 油页岩； 半焦 中图分类号 ： T K 2 2 3 文献标识码 ： A 油页岩是有发展前途的替代能源之一 ， 主要有燃烧发 电与干馏炼油两大用途 J ， 是加工炼制液体 燃料的重要原料 ， 而且从 中可以提取许多化工产品， 甚至是某些产品不可替代的来源。油页岩干馏炼油 存在 的附带问题是炼油后产生的半焦如何处理 。半焦是油页岩干馏后 的一种副产物 ， 这种物质同油页 岩一样 ， 也是 由多种有机成分组成的混合物。然而现在对半焦的利用率不高 ， 大多作为废弃物堆放。油 页岩半焦对环境的危害比页岩灰更严重 ， 油页岩半焦对环境的影 响比油页岩灰更具危害性 ， 并且越 来越高的储存费用也会在不久的将来引起炼油的经济性问题_ 3 因此， 对于半焦基本特性的研究以及 对其高效利用对于油页岩工业来说， 其重要性是显而易见的。目 前世界上广泛应用成熟的干馏技术主 要有两大类： 一是处理块状的气体热载体干馏工艺。二是处理小颗粒的固体热载体干馏工艺。固体热 载体干馏技术在爱沙尼亚等国家已投入运行 ， 单炉 日处理量高达 3 0 0 0 t d ； 而国内干馏技术依然 以气体 热载体方式的抚顺干馏炉为主 ， 主要干馏能力在 1 0 0 2 0 0 t d J ， 尚未开发小颗粒页岩的固体热载体干 馏工艺。油页岩固体热载体干馏工艺中是将油页岩干馏后剩余的半焦进行燃烧， 并以气力输送方式回 送到干馏炉 中， 利用高温灰渣为油页岩的干馏提供所需热量。半焦的升温输送过程是整个干馏工艺的 重要环节 ， 直接关 系到干馏工艺的成败。固体热载体干馏技术常采用喷动床燃烧输送技术 ， 喷动床具有 床 内流型重复性强 、 流型变化少 、 操作压力低 、 对粗颗粒接触率高的优点 ， 适合作为固体热载体的升 温输送来满足油页岩干馏工艺的要求。因此 ， 半焦燃烧升温输送装置是油页岩干馏 的关键技术。本文 拟对 5 0 0 t d油页岩干馏系统的半焦喷动床燃烧输送装置的内部 的燃烧特性进行理论研究 ， 为国内开发 固体热载体干馏技术中的油页岩半焦喷动床燃烧输送这一重要环节的工业化提供一定的技术支持。 1 数学模型 针对半焦颗粒的着火机理和燃烧特性建立油页岩半焦燃烧模型 ， 模型基于以下几点假设 ： ( 1 )燃烧反应中半焦颗粒直径变化均匀且始终保持球体形状 ； 收稿 日期 ： 2 0 1 30 71 0 作者简介 ： 秦宏 ( 1 9 7 0一) ， 吉林省舒兰市人 ， 东北 电力大学能源与动力工程学院教授 ， 博士 ， 主要研究方向 ： 新能源的开发与利用 2 东北电力大学学报 第 3 3卷 ( 2 )燃烧反应 中会挥发分 向半焦颗粒外部扩散的速率和挥发分燃烧速率均为无限大 ； ( 3 )挥发分在颗粒 内部的分布基本上是均匀的。 根据上述几个假设条件 ， 数学模型建立如下所示 ： ( 1 )半焦颗粒相能量守恒方程的表达形式如下 ： P C p =d iv ( k g r a d T )+q ， ( 1 ) 根据半焦颗粒的 自身特性可 以得到如下式所示的固相能量方程 ： P C p鲁= A ( A r + 等 ) 一 Q ， + 手 ， ( 2 式 中， 为半焦颗粒内半径为 r 处的温度 ， K； A为半焦颗粒的导热系数 ， k W m K； 式 中的下标 ： 和p分 别代表半焦 中的挥发分和半焦颗粒相。 半焦颗粒的挥发分的释放量从 内部 卜 r+d r ， 在 t t +d t 时间的热解所需要的热量 由下式描述 ： Q = ， ( 3 ) = ， ( 3 ) 式中： 为热解所需要 的热量 ， k J k g 。 ( 2 )由 A r r e n h e n is 定律可以得到在任意时刻半焦颗粒的挥发分释放量表达式为： d mv =Ae x p( 一 ) ( m ) ， (4 ) 式 中： m 为整个热解过程中所释放的挥发分总质量 ， k g 。 ( 3 )任何时刻半焦颗粒密度的变化如下所示 ： 一 一 r s、 d t 一 7 d3 d t ( 4 ) 气相能量方程表达形式如下式所示 ： 警= Q + Q 一 Q ( 6 ) 式中： Q 为固相转变为气相携带 的热量。 ( 5 )挥发分燃烧释放热如下式所示 ： Q ， ( 7 ) 式中： 为挥发分的发热量 ， k J k g 。 ( 6 )半焦颗粒相转变为气相携带的热量的如下式所示 ： Q = C g( 一 )， ( 8 ) 式 中： 为半焦颗粒平均温度 ， K。 ( 7 ) 半焦颗粒相与气相 间的对流换热量的表达式如下 ： Q 。 。 = 仃 d ( )， ( 9 ) 式 中： 为半焦颗粒表面温度 ， K 。 式 中由 Nu=a d p A =2 得 ： ： 丁 ANu ： 2 丁 A ， ( 1 o )O t ： _ _， “ P “ P ( 8 )边界条件 r= 譬 ， 一 A Ta r = ( ) + ( 一 ) ， f 1 1 1 r ： 0 0 1r： 0 ， 第5期 秦宏等： 5 0 0 t d油页岩干馏 系统的半焦燃烧输送数值模 拟 3 式中： s为半焦黑度， 和 分别代表初始和半焦周围的环境温度： =r 0 + 。 t ， 为升温速率， Krain。 ( 9 )初始条件 t= 0， = Tr= = ro 利用( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 和( 4 ) 列方程组 ， 并且利用( 1 1 ) 和 t =0 ， = = =7 o ， 进行计算得到如1 7 1, 、 、 和 P 等参数 。 2 物理模型和数值计算方法 2 1 几何模型 对喷动床进行了二维简化， 喷动燃烧段床高H o=6 6 5 n l、 人口直径d 。=0 7 m、 床径 D =2 3 8 m、 底部锥角 =6 0 。 、 半焦颗粒 d i =5 m m， 网格采用结构化网格。 2 2 数值计算方法、 初始条件 本文采用非预混燃烧模型， 挥发分的气相湍流燃烧用混合分数法 叫来模拟， 用标准k s 紊流模型 模拟气相湍流输运 ， 用P一1 辐射模型计算辐射传热 ， 对气相流场采用非交错 网格 的S I MP L E差分方法求 解 ， 对固体颗粒湍流扩散的求解则采用随机颗粒轨道模型。 颗粒的挥发分析 出及焦炭的氧化过程是颗粒 反应的模拟重点， 颗粒挥发分析出过程的模拟采用 K o b a y a s h i模型 ； 焦炭燃烧过程模拟则采用动力学 扩散控制 ， 反应速率模型 。 表 1 目标 区域 油页岩半焦 的工业分析及元素分析 3 计算结果与分析 模拟工况为经过热平衡计算的工况 ： 风速 3 0 m s ， 给料 1 3 l , g s ， 氧气摩尔分数 1 9 。人 口气体温度 7 0 0 K， 用高温热空气给固体颗粒加热点火。结果显示 ： 出口温度 1 2 2 8 K， 参加反应半焦 1 5 2 k g s ， 热载 体具备干馏显热 7 2 9 8 k J s ， 基本符合工艺要求。 3 1 喷动床内燃烧数值模拟结果 图 1喷动床内温度变化沿轴 向分布、 图 2喷动床 内温度分布云图。由图可以看到在顶部喷泉区及 其出口附近出现了温度最高区域， 这是由于送入了足够的半焦颗粒燃料， 在喷动气体的携带力的推动下 迅速到达喷动燃烧段顶部 ， 使得这一区域半焦颗粒浓度较高 ， 由于在这个 区域的床 内温度 比较高 ， 给刚 刚带到此区域 的半焦颗粒进行迅速的加热 ， 并且 由于喷动气体大量 的进入该喷动燃烧段区域 ， 给该区域 提供了半焦燃烧所需要充足的氧气 ， 半焦颗粒进行了大规模的燃烧 ， 进而使该区域 的温度 明显提高 ， 为 后续进入喷动床升温输送装置颗粒的充分燃烧提够了更为有利的条件， 这样就可以保证进入喷动床升 温输送装置的物料能够在喷动燃烧段周而复始的燃烧起来 ， 进而使该装置稳定高效 的运行起来。 图3喷动床内氧气沿轴向摩尔分数分布、 壁面环隙区以及出口处的喷泉去氧气摩尔分数在下降， 表 明这里燃烧逐渐加剧。图4喷动床内氧气摩尔分数云图。从氧气的分布情况中可以看到在喷动燃烧段 顶部及其出口附近出现了最低区域， 这由于送人了足够多的半焦颗粒， 在喷动气体的携带力的推动下迅 速到达顶部喷动燃烧段 ， 使得这一区域半焦颗粒浓度较高 ， 由于在这个 区域的床 内温度比较高给刚刚带 到此 区域 的半焦颗粒进行迅速的加热， 半焦在此区域进行 了剧烈 的燃烧 ， 消耗 了大量 的氧气 ， 因此在此 区域附近氧气质量分数是 比较低的。 4 东北 电力大学学报 第3 3卷 图 1 不同高度下 的温度分布 图 3 不同高度下的 0 2分数分布 8 6 4 主 2 0 _ 2 一d 8 6 4 墨2 0 2 -4 0 5 1 0 D In 图2温度分布云 图 图 4 0 ：分数分 布云 图 图 5喷动床内二氧化碳沿轴向摩尔分数分布 ， 图 6喷动床内二氧化碳摩尔分数云图。在顶部喷动 燃烧段及其出 口附近出现了二氧化碳分数最高区域 ， 这由于送人了足够多的半焦颗粒 ， 在喷动气体的携 带力的推动下迅速到达顶部喷动燃烧段 ， 使得这一区域半焦颗粒浓度较高 ， 使得这一区域半焦颗粒浓度 较高 ， 大量气体的进入喷动燃烧段给半焦的充分燃烧而供应了足够的氧气 ， 又由于在这个区域的床内温 度比较高给刚刚带到此区域的半焦颗粒进行迅速的加热 ， 半焦在此区域进行了剧烈的燃烧 ， 消耗了大量 的氧气， 产生了大量的二氧化碳， 因此在这个区域附近二氧化碳分数是比较高的。二氧化碳浓度在助推 输送段变化不大 ， 说明在助推输送段半焦颗粒仅是一个气力输送的过程 ， 几乎没有燃烧。这是由于在助 推输送段气速很高 ， 半焦颗粒在这个助推输送段停 留时间很短， 来不及燃烧便已被气体携带到喷动燃 烧 段 。 图 5 不 同高度下的 C O 2分数分布 8 6 4 2 墨 0 D m 图 6 C O 2分数分布云图 、 兰皇暑 ( i吕0 g 出 一 0 窆 第 5期 秦宏等 ： 5 0 0 t d油 页岩干馏 系统的半 焦燃烧输送数值模拟 5 4 结 论 ( 1 ) 在不同高度的位置， 在喷动床内形成喷射区、 环隙区、 喷泉区， 各区分布明显。 ( 2 )在喷动床喷泉区 ， 温度较高 ， 氧气摩尔分数较低 ， 而二氧化碳摩尔分数较高。半焦颗粒分数在 喷泉区较大 ， 燃烧反应剧烈。颗粒在喷动床 内形成了稳定的环隙区、 喷射区和喷泉区。 ( 3 )喷动床内上下温差大 ， 喷泉区温度较高且温度变化均匀 ， 大部分半焦颗粒在在喷泉区剧烈燃 烧 ， 中间喷射区域从下部 向上部运动的颗粒及其接近壁面区或者壁面区域从上部 向下部运动的颗粒一 起构成了床内的整体循环运动， 实现了颗粒在喷动床内的返混与热量传递， 形成大尺度流化， 有益于实 现喷动床 内的颗粒混和均匀 。 1 2 参考文献 刘伯谦 桦甸油页岩燃烧过程的热重分析 J 燃烧科学与技术， 1 9 9 8 ， 4 ( 1 ) ： 5 1 5 4 B r e n d o w K ， W o r ld E n e r g y C o u n ci l， G e n e v a G lo b a l o il s h a l e i s s u e s a n d p e r s p e ct i v e s J O i l s h a l e 2 0 0 2 ， 2 0 ( 1 ) ： 8 1 9 2 于敦喜， 徐明厚 煤焦破碎的模拟研究 J 中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 9 ) ： 9 0 9 3 G rin b e r g A， K e r e n M， P o d s h i v alo v V P r o d u ci n g e l e ct r ici t y f r o m I s r a e l i o i l s h a l e w i t h P F B C t e ch n o l o g y J O i l S h ale ， 2 0 O 0 ， 1 7 ( 4 ) ： 3 0 7- 3 1 2 Af r o H， P r i k k A， P i h u T e t a1 Ut i l i z a t i o n o f s e m i e o k e o f E s t o n ia n s h a l e o i l i n d u s t r y J O i l s h al e ， 2 0 0 2， 1 9 ( 2 )： 1 1 71 2 5 T rik k e l A， K u u s i k R， M a 】 _j u k o v a N D i s t rib u t i o n o f o r g a n i c a n d i n o r g a n ic i n g r e d i e n t s i n E s t o n ian o il s h ale s e m i co k e J O i l S h ale ， 2 0 0 4 ， 2 1( 3)： 2 2 72 3 6 金涌 ， 祝京旭 ， 汪展文 ， 等 流态化工程原理 M 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 1 ： 3 6 03 9 0 刘志逊， 高建 ， 赵寒冬， 等 国内油页岩干馏技术现状与发展趋势 J 煤炭加工与综合利用， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 5 4 8 F i e ld M A ， G i l l D W， P G W Ha w s k l e y l e t a1 C o m b u s t i o n o f P u l v e riz e d C o al M B C UR A， L e a the r h e a d ， 1 9 6 7， 4 2 ( 1 ) ： 2 1 3 5 Z h ang Y ， W e i X L S im u l a t i o n o f co al co m b u s t i o n b y A U S M t u r b u l e n ce ch e m i s t ry ch a r co m b u s t i o n m o d e l a n d a f u l l t w o flu i d m o d e l J F u e l， 2 0 0 5 ， 8 4( 1 4 ) ： 1 7 9 81 8 0 4 K o b a y a s h i， J B Ho w a r d C o a l d e v o la t i l iz a t i o n a t h i g h t e mp e r a t u r e s Ai n S y m p o s i u m ( I n t e r n a t i o n a1)o n C o mb u s t i o n C 1 9 7 7 ， 1 6 ( 2 5) ： 4l l 一4 2 5 A n a b t a w i， M Z ， B Z U y s a 1 F l o w ch a r a ct e r i s t ics i n a r e ct a n g u l ar s p o u t flu i d b e d J P o w d e r T e ch n o l o g y ， 1 9 9 2 ， 6 9 ( 3 ) ： 2 0 5 2 1 1 M M B a u m， P J S t r e e t P red 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