双流化反应器间气体漏失的数值模拟.doc

中国颗粒学会流态化专业委员会第七届全国流态化会议 2013年9月双流化床反应器间气体泄漏规律的数值模拟关彦军1，常剑1，张锴1*，王宝东2，孙琦21.华北电力大学热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京102206；2.北京清洁低碳能源研究所，北京 102209摘要：采用计算流体动力学（CFD）方法，在Fluent数值模拟平台上建立了描述双流化床化学链燃烧反应器气固两相流动模型，考察了双流化床化学链燃烧反应器内不同单元之间气体泄漏产生的原因和影响因素。化学链燃烧系统压力平衡的分析表明反应器间的气体泄漏主要发生在溢流装置和还原反应器之间；增大溢流装置表观气速，气体泄漏增大；而增大氧化反应器或还原反应器表观气速时，气体泄漏会随之减小；化学链燃烧系统内颗粒总藏量增加时，气体泄漏会减小；颗粒粒径减小后反应器之间气体泄漏降低。关键词： 双流化床 化学链燃烧 气体泄漏 数值模拟中图分类号：O643.38文献标识码：A1引言传统化石燃料转化和利用过程中所排放CO2引发的全球气候变暖已引起国际社会的广泛关注，CO2减排随之成为当前学术界的研究热点之一。从环境学和热力学的角度分析，燃烧过程是CO2的生成源，也是热力系统中工质做功能量损失最大的过程。因此，解决能源利用与环境污染问题的最大潜力在燃烧过程1。化学链燃烧（Chemical Looping Combustion，简称CLC）技术不仅能够实现CO2的内分离而便于将其捕获，而且能量利用效率明显高于传统的直接接触燃烧方式，具有能源与环境兼顾的双重优势2,3。化学链燃烧的基本原理是借助载氧剂的作用，将燃料与空气直接接触燃烧的传统模式分解为2个独立的过程，即载氧剂与空气的燃烧过程和携带氧的载氧剂与燃料的还原反应4,5。燃烧过程中，燃料与空气无需直接接触，而由载氧剂将空气中的氧传递到燃料中，其中载氧剂由金属氧化物与载体组成；载体主要是用来承载金属氧化物，而金属氧化物是真正参与反应传递氧的物质。如图1所示，金属氧化物（MeO）首先与还原性气体燃料（如CH4、H2等）发生反应生成CO2和H2O，MeO被还原成金属Me；然后，Me被送至空气中与氧气反应，实现载氧剂的再生。这样，在还原反应过程中，产物只有CO2和H2O，避免了空气中N2的稀释作用，生成产物可以通过冷凝水蒸汽的方法直接对CO2进行回收利用，而不需要额外的能耗和常规的分离装置，从而提高了系统的效率6,7。图1 化学链燃烧原理示意图Fig. 1 Schematic process diagram of chemical looping combustion流化床反应器运行过程中，处理量大且固体颗粒和气体之间接触充分，能够为氧化反应和还原反应提供足够的载氧剂，因此很快成为化学链燃烧反应器设计开发过程中的首选方案。近年来，基于小型实验研究及催化裂化工艺和循环流化床锅炉的设计经验，研究者们设计了多种可应用于化学链燃烧的双流化床反应器8-12。该类型反应器由一个氧化反应器和一个还原反应器组成，优点主要是气体和载氧剂在氧化反应器中能够良好的混合接触，氧化反应器的气流能为载氧剂在两个反应器中的循环提供足够的推动力。但由于两个反应器是串行连接，而化学链燃烧过程严格要求氧化反应和还原反应分开进行，因此有效防止或减少反应器之间的气体泄漏是系统正常运行的基本要求。如果氧化反应器内的空气向还原反应器泄漏，将会导致还原反应器内二氧化碳被氮气稀释，从而难以达到二氧化碳内分离的目的。本文采用数值模拟的方法研究了双流化床化学链燃烧反应器系统压力分布，分析了反应器之间产生气体泄漏的原因，并考察了操作气速、颗粒粒径和藏量对气体泄漏的影响。2模型建立2.1数学模型和求解方法基于欧拉双流体模型，建立了描述化学链燃烧反应器内流动过程的质量和动量守恒基本微分方程组：气相连续性方程t(gg)+xjggugj=0（1）颗粒相连续性方程t(pp)+xjppupj=0（2）气相动量方程(ggugj)t+(ggugiugj)xj=-gPxj-ugi-upi+g,ijxj+gggi（3）颗粒相动量方程(ppupj)t+(ppupiupj)xj=-pPxj-upi-ugi+p,ijxj+ppgi（4）式中，为气相与颗粒相的相间动量交换系数，由式（5）和（6）给出Ergun=1501-g2gdp2+741-ggug-updp g 0.8（5）Wen-Yu=34(1-g)ggug-updpCDg-2.65 g 0.8（6）其中，当Rep1000时：CD=24Rep1+0.15Rep0.687（7）当Rep1000时，CD0.44，Rep=ggug-updpg（8）本构方程：气相剪切应力g,ij=gugjxi+ugixj（9）颗粒相剪切应力p,ij=pupjxi+upixj+p-23pupkxkij-Ppij（10）其中，固相“压力”和“黏度”项采用颗粒动理学理论进行处理颗粒相压力Pp=pp+2p(1+e)p2g0（11）=13upup（12）径向分布函数g0=1-pp,max13-1（13）颗粒体相黏度p=43ppdpg0(1+e)（14）颗粒相剪切黏度p=10pds96(1+e)g01+45(1+e)g0p2+45ppdpg0(1+e)（15）式中，e为颗粒碰撞恢复系数：e=0为完全非弹性碰撞；e=1为弹性碰撞，无能量耗散；0e1时，颗粒以非弹性碰撞形式耗散能量。数值模拟在Fluent 6.3.26平台上完成，求解器选择分离式求解器。对控制方程进行离散时，为提高计算精度，空隙率方程选择QUICK格式，动量方程采用二阶迎风格式。对压力-速度耦合，采用Phase Coupled SIMPLE (PC-CIMPLE)算法。为了保证计算迭代过程中的稳定性和收敛性，求解计算过程中将空隙率方程的松弛因子从默认值0.2减小到0.1，k和的松弛因子相应减小为0.4，压力和动量分别减小到0.15和0.35，其它采用默认值。2.2模拟对象及边界条件如图2所示，模拟对象主要由4部分组成：氧化反应器、还原反应器、溢流装置和旋风分离器。流化气体从氧化反应器底部引入后，携带由溢流装置而来的颗粒向上流动，经过上部的外置旋风分离器，颗粒被分离后返回还原反应器。装置相关尺寸参数见表1。模拟过程中，颗粒相为石英砂（p=2600 kg/m3，dp=150m），气相为空气（p=1.19 kg/m3，g=1.8110-6 Pa s）。针对双流化床化学链燃烧反应器的特点，采用结构化网格体系对主体反应器进行划分，而旋风分离器直筒段内排气口下方的区域采用非结构化网格体系，网格总数为482465。 图2 双流化床化学链燃烧反应器结构与三维计算网格划分Fig. 2 Layout and three-dimensional computational domain of chemical looping combustion reactor表1装置相关尺寸参数Table 1 Parameters of the set-up项目尺寸 (m)氧化反应器直径0.19氧化反应器高度1.9还原反应器直径0.19还原反应器高度0.5溢流装置直径0.14溢流装置高度0.15立管直径0.04还原反应器中立管与分布器的距离0.025溢流装置中立管与分布器的距离0.027计算过程中，涉及到三类边界条件：入口、出口和壁面，分别定义为：（1）氧化反应器、溢流装置和还原反应器的入口均定义为速度边界条件，气体垂直入口均匀进入，水平方向分量及固体速度矢量为0；（2）还原反应器和旋风分离器的出口设为压力出口边界；（3）壁面处气相按无滑移边界处理；颗粒相采用Johnson和Jackson部分滑移边界条件13。2.3 模拟工况循环流化床化学链燃烧反应器之间的气体泄漏主要与操作气速、颗粒粒径和藏量有关，本文考察了这三个影响因素对气体泄漏的影响，模拟工况如表2所示。表2 模拟工况表Table 2 Simulation condition工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7ug,a (m/s)51.15操作气速ug,f (m/s)20.20.350.120.12ug,p-s (m/s)0.0870.0870.0870.0870.0870.0650.097藏量Ig (kg)9、15粒径dp (m)135、150、1803结果与讨论3.1压降分布图3为系统瞬时压力分布随时间的变化。由图可知，随着时间的推移，氧化反应器内压力先开始升高，升高到一定程度后开始降低，最后趋于稳定。这是因为，初始通入气体后，氧化反应器内的颗粒从自由堆积状态向流化状态过渡，此时还原反应器和溢流装置内的颗粒也在气体的作用下进入氧化反应器，氧化反应器内颗粒在气固曳力的作用下不断向上运动，反应器内的压力开始升高，当时间为8s时，氧化反应器内压力升高到一个极大值。随后，颗粒在气流的带动下发生折转运动进入旋风分离器，氧化反应器内的颗粒藏量开始减小，床层压力开始降低，从10s开始，进入与离开氧化反应器的颗粒量基本平衡，系统压力趋于稳定，双流化床化学链燃烧系统开始进入整体稳定循环状态。图3为系统中压力波动较大的氧化反应器下部（z=0.15m）的瞬时压力随时间变化情况。定量的监测数据显示计算时间达到10s时压力波动并未稳定，而是到达15s后才基本趋于稳定。因此，本文时均数据的处理选取15-20s的数据平均值。1s 3s 5s 8s 10s13s 15s 17s 19s 20s图3 双流化床化学链燃烧系统瞬时压力分布云图Fig. 3 Contours of pressure distribution in CLC system(a) r/R=0 (b) r/R=0.316(c) r/R=0.632 (d) r/R=0.990图4 氧化反应器内径向位置瞬时压力分布（z=0.15m）Fig. 4 Instantaneous pressure distribution in oxidation reactor（z=0.15m）双流化床化学链燃烧系统的压力平衡直接影响反应器之间的气体泄漏。由图5可知，旋风分离器的压力低于溢流装置和氧化反应器的压力，还原反应器底部的压力高于旋风分离器的压力，而低于溢流装置出口压力。由于还原反应器不仅与旋风分离器相连而且还通过溢流装置与氧化反应器底部相连接。因此，还原反应器与溢流装置和旋风分离器的压差越小越好。反之，如果还原反应器与旋风分离器或溢流装置的压差过大，它们之间的气体泄漏会随之变大。图5 双流化床化学链燃烧反应器床层压降分布Fig. 5 Pressure drop distribution of CLC system3.2气体泄漏化学链燃烧系统可能出现的气体泄漏主要为还原反应器与溢流装置之间的气体泄漏和旋风分离器向还原反应器的气体泄漏。由于旋风分离器料腿末端处于还原反应器底部密相区域，该区域压力明显大于旋风分离器出口压力，旋风分离器内的气体不能够向还原反应器内泄漏，仅仅是伴随颗粒向下运动而有很少量的气体流入还原反应器，因此旋风分离器向还原反应器的气体泄漏可以忽略不计。同理，由前述对压降的分析可知，还原反应器的出口压力小于溢流装置底部区域的压力，颗粒在负压差操作条件下流入溢流装置，因此还原反应器向溢流装置的气体泄漏也可以忽略不计。基于这两点分析与假设，定义溢流装置向还原反应器的气体泄漏p-f为溢流装置进入到还原反应器内的气体流量与溢流装置入口气体流量的比值。根据气体的质量守恒，p-f可由下式计算：p-f=Ff-out+Fc-out-Fc-in-Ff-inFps-in（16）式中，Ff-out还原反应器出口气体流量；Ff-in还原反应器入口气体流量；Fc-out旋风分离器出口气体流量；Fc-in旋风分离器入口气体流量；Fps-in溢流装置入口气体流量。3.2.1 操作气速的影响图6为还原反应器表观气速为0.12m/s，溢流装置表观气速为0.087m/s时，氧化反应器入口气速对气体泄漏的影响。由图可知，增大氧化反应器表观气速时，溢流装置和还原反应器之间的气体泄漏减小。其原因在于：当氧化反应器表观气速增大时，颗粒的循环速率增大，立管内颗粒堆积导致颗粒料封高度升高且颗粒的固含率变大（见图7），因此，气体向还原反应器的泄漏量减少。增加颗粒的藏量时，还原反应器和立管内的颗粒储量会增加，因此气体泄漏会随之减小。图6 氧化反应器表观气速对气体泄漏的影响Fig. 6 Profile of gas leakage with the effect of ug,a ug,a=1.15 m/s ug,a=1.3 m/s ug,a=1.5 m/s(a) Ig=9kg ug,a=1.15 m/s ug,a=1.3 m/s ug,a=1.5 m/s (b) Ig=15kg图7 氧化反应器表观气速对固含率分布的影响云图Fig. 7 Contours of solid holdup distribution with different ug,a由图8可知，溢流装置向还原反应器的气体泄漏随着还原反应器表观气速的增大而减小。这是因为，增大还原反应器表观气速会使还原反应器内气固湍动加剧、床层膨胀，还原反应器通过立管进入到溢流装置的颗粒循环速率变大，立管内的颗粒藏量变大所致。当反应器内颗粒总藏量增加时，气体泄漏会减小。图8 还原反应器表观气速对气体泄漏的影响Fig. 8 Profile of gas leakage with the effect of ug,f图9为改变溢流装置表观气速时，溢流装置向还原反应器的气体泄漏。由图可知，随着溢流装置表观气速的增加，溢流装置向还原反应器的气体泄漏变大。因为当溢流装置表观气速增大时，溢流装置底部压力变大，导致溢流装置与还原反应器出口压差变大。与此同时，增大溢流装置表观气速时，溢流装置内床层膨胀，颗粒固含率降低，气体体积分数增大，气体更容易通过固体间的缝隙进入到还原反应器。因此，溢流装置向还原反应器的气体泄漏随着溢流装置表观气速的增大而增大。增大颗粒藏量时，气体泄漏会随之减小。图9溢流装置表观气速对气体泄漏的影响Fig. 9 Profile of gas leakage with the effect of ug,p-s3.2.2 颗粒粒径的影响图10为颗粒粒径分别为135m、150m和180m时，溢流装置向还原反应器的气体泄漏。由图可知，随着颗粒粒径的增大，溢流装置向还原反应器的气体泄漏变大。这是因为颗粒粒径越小，氧化反应器内颗粒与气体之间的曳力越大，气流对颗粒的携带作用越明显，颗粒越容易到达氧化反应器的顶部，即颗粒的循环速率越大。从而连接溢流装置与还原反应器的立管内颗粒料封高度越高，因此溢流装置与还原反应器之间的气体泄漏减小。且在实际应用中，气体与颗粒之间的接触面积随颗粒粒径的减小而增大，有利于提高燃料的转化率。图10 颗粒粒径对气体泄漏的影响Fig. 10 Profile of gas leakage with the effect of particle diameter4结论（1）双流化床化学链燃烧系统压力平衡直接影响反应器之间的气体泄漏。为防止气体泄漏，还原反应器的压力应介于旋风分离器和溢流装置出口的压力之间；（2）溢流装置与还原反应器之间的气体泄漏随着氧化反应器和还原反应器表观气速的增大而减小，但随着溢流装置表观气速的增大而增加；（3）化学链燃烧反应系统内颗粒总藏量增大时，溢流装置与还原反应器之间的气体泄漏随之减小；（4）颗粒粒径增大时，溢流装置与还原反应器之间的气体泄漏会随之而增大。22符号说明CD曳力系数u速度，m/sd颗粒直径，mug,a氧化反应器入口表观气速，m/se弹性碰撞回归系数ug,f还原反应器入口表观气速，m/sFc-in旋风分离器入口气体流量，kg/sug,p-s溢流装置入口表观气速，m/sFc-out旋风分离器出口气体流量，kg/sp-f气体泄漏率，%Ff-in还原反应器入口气体流量，kg/s气相与颗粒相的相间动量交换系数Ff-out还原反应器出口气体流量，kg/sp颗粒体积粘度Fps-in溢流装置入口气体流量，kg/s粘度，Pasg重力加速度，m/s2密度，kgm-3Re雷诺数参考文献：1 毛玉如, 陈文颖. 化学链燃烧技术研究进展.能源与环境, 2005, 2: 23-25.2 Knoche K F, Richter H J. 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