鐘漢斌，藍(lán)興英，高金森（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 70065；中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京049）

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反應(yīng)路徑和顆粒吸熱對氣化爐數(shù)值模擬的影響

鐘漢斌1，藍(lán)興英2，高金森2
（1西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

摘要：氣化工藝是實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)原油、非常規(guī)石油資源和煤炭高效清潔加工的有效途徑，數(shù)值模擬是揭示氣化爐內(nèi)復(fù)雜流動反應(yīng)行為的重要手段。為了考察揮發(fā)分反應(yīng)路徑和顆粒反應(yīng)熱吸收率對預(yù)測結(jié)果的影響，以奧里乳化油氣流床氣化過程為例采用歐拉-拉格朗日方法對氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究，均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)過程分別通過有限速率/渦耗散反應(yīng)模型和顆粒表面化學(xué)反應(yīng)模型描述。結(jié)果表明，揮發(fā)分反應(yīng)路徑主要影響氣化爐內(nèi)氣化反應(yīng)的過程，如靠近噴嘴處的溫度和組分分布，但對最終氣化爐出口處的溫度和組分分布影響相對較小。而由于原料中較低的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及較少的焦炭燃燒反應(yīng)熱，顆粒反應(yīng)熱吸收率對預(yù)測結(jié)果影響很小。

關(guān)鍵詞：氣化；數(shù)值模擬；反應(yīng)歷程；吸熱；奧里乳化油

第一作者：鐘漢斌（1986—），男，博士，講師，研究方向?yàn)橹刭|(zhì)油加工、多相流反應(yīng)工程及計算流體力學(xué)。E-mail hanbinzhong@ 126.com。

聯(lián)系人：藍(lán)興英，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榍鍧嵱推飞a(chǎn)、重質(zhì)油加工、多相反應(yīng)工程。E-mail lanxy@cup.edu.cn。

隨著常規(guī)石油資源的日益減少及逐步劣質(zhì)化，如何實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)原油和非常規(guī)石油資源的高效清潔加工成為我國煉油工業(yè)面臨的重大問題。已廣泛用于煤炭潔凈利用的氣化工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)對劣質(zhì)原油（如劣質(zhì)原油經(jīng)溶劑脫瀝青得到的脫油瀝青、經(jīng)焦化處理后的石油焦）和非常規(guī)石油資源（如委內(nèi)瑞拉生產(chǎn)的奧里乳化油）的高效清潔加工，并且可為日益增多的加氫處理裝置提供足夠的氫源或經(jīng)費(fèi)托合成制備高質(zhì)量油品，因此逐步獲得石油加工工業(yè)的重視[1-2]。

受現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，實(shí)驗(yàn)方法難以全面揭示氣化爐內(nèi)的復(fù)雜流動反應(yīng)行為，近年來數(shù)值模擬研究已逐漸成為對氣化爐進(jìn)行深入研究的重要手段。氣化原料如石油或煤炭在氣化爐內(nèi)首先需進(jìn)行熱解反應(yīng)，生成氣相揮發(fā)分產(chǎn)物和焦炭顆粒，再分別進(jìn)行后續(xù)的均相和非均相反應(yīng)。在當(dāng)前的研究工作當(dāng)中通常有3種方法來描述揮發(fā)分的反應(yīng)路徑：路徑1認(rèn)為生成的揮發(fā)分瞬時分解生成小分子產(chǎn)物，再進(jìn)行不完全燃燒和氣化反應(yīng)[3]；路徑2認(rèn)為揮發(fā)分直接發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)[4]；路徑3認(rèn)為揮發(fā)分直接發(fā)生完全燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)[5]。當(dāng)焦炭顆粒發(fā)生非均相反應(yīng)時，所產(chǎn)生的反應(yīng)熱將部分或全部被焦炭顆粒所吸收。通常認(rèn)為當(dāng)C不完全燃燒生成CO，非均相反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱全部傳遞給顆粒，因此顆粒對反應(yīng)熱吸收率為100%，而當(dāng)C完全燃燒生成CO2時，顆粒反應(yīng)熱吸收率為30%[6]。雖然目前已有大量關(guān)于石油和煤等原料氣化過程的數(shù)值模擬研究[7-11]，但是至今不同揮發(fā)分反應(yīng)路徑以及顆粒反應(yīng)熱吸收率對氣化爐模擬結(jié)果的影響仍未有相關(guān)研究報道。

因此，本文將以奧里乳化油氣流床氣化過程為例，采用數(shù)值模擬方法揭示氣流床氣化過程的流動反應(yīng)特性，著重研究不同揮發(fā)分反應(yīng)路徑和顆粒反應(yīng)熱吸收率對模擬結(jié)果的影響規(guī)律，為氣流床氣化爐的準(zhǔn)確預(yù)測奠定理論基礎(chǔ)。

1 模擬對象

本文模擬的工況為ASHIZAWA等[2]進(jìn)行的奧里乳化油氣化中試實(shí)驗(yàn)，奧里乳化油為質(zhì)量分?jǐn)?shù)約70%的超重原油與質(zhì)量分?jǐn)?shù)約30%水組成的乳化油。奧里乳化油的氣化在內(nèi)徑300mm、高3000mm的氣流床反應(yīng)器中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。奧里乳化油和氧氣從氣流床頂部的噴嘴噴入，在高溫的爐體內(nèi)進(jìn)行燃燒和氣化等反應(yīng)，最終在底部獲得粗合成氣，相應(yīng)的操作工況如表1所示。

2 數(shù)值模型和計算方法

在氣流床氣化爐中，奧里乳化油經(jīng)噴嘴霧化后形成細(xì)微顆粒在氣化爐中經(jīng)歷復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，所發(fā)生的物理和化學(xué)變化過程主要包括奧里乳化油霧化、水蒸發(fā)和沸騰、超重原油熱解、非均相化學(xué)反應(yīng)和均相化學(xué)反應(yīng)等過程。由于氣流床中顆粒相體積分?jǐn)?shù)極低，因此氣相看作連續(xù)相，而顆?？醋麟x散相。采用Realizable k-ε湍流模型考慮爐內(nèi)的湍流作用，輻射傳熱模型由P-1模型描述。主要數(shù)值模型如式(1)、式(2)所示，詳細(xì)可參考相應(yīng)文獻(xiàn)[8]。

表1 操作工況

顆粒相采用基于拉格朗日方法的顆粒軌道模型進(jìn)行描述，如式(3)。

式中，mp為顆粒質(zhì)量，kg；dp為顆粒粒徑，m；CD為單顆粒曳力系數(shù)。

奧里乳化油進(jìn)入氣化爐時由噴嘴霧化成奧里乳化油液滴，經(jīng)噴嘴霧化后的粒徑分布服從Rosin-Rammler分布，如式(4)。

其中，Yd為粒徑大于dp的液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；dav和n分別為液滴的平均粒徑和非均勻性指數(shù)。WATANABE等[12]通過實(shí)驗(yàn)測得dav=30μm，n=1.2。

經(jīng)霧化后形成的液滴受熱升溫至蒸發(fā)溫度時會發(fā)生蒸發(fā)過程，直至溫度繼續(xù)升高至沸點(diǎn)。水的蒸發(fā)速率受到氣體中水蒸氣的分壓和顆粒表面水蒸氣的飽和蒸汽壓的控制，如式(5)。

式中，Psat為液滴溫度Tp下的飽和蒸汽壓，Xw為氣體中水的摩爾分?jǐn)?shù)，kc為質(zhì)量傳遞系數(shù)。

當(dāng)液滴溫度達(dá)到沸點(diǎn)時，沸騰過程可以通過式(6)來描述。

式中，cg為氣體的熱容，λg為氣體的熱導(dǎo)率。

超重原油的熱解過程可以認(rèn)為是由超重原油脫揮發(fā)分生成焦炭和揮發(fā)分以及揮發(fā)分瞬時分解兩個連續(xù)步驟組成。借鑒Gong等[13]對瀝青熱解速率的描述方法，采用兩段一級熱解模型表示，如式(7)。

其中x是生成揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x∞是揮發(fā)分的最終產(chǎn)率。當(dāng)T<698K，k0=430min?1，E= 28.0kJ/mol；當(dāng)T≥698K，k0=5.0×108min?1，E=120.0kJ/mol。

均相化學(xué)反應(yīng)包括氣相組分的燃燒、氣化及一氧化碳變換反應(yīng)等。為了考慮湍流對反應(yīng)的影響，因此采用有限速率/渦耗散反應(yīng)模型對爐內(nèi)的均相化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行描述，如式(8)～式(10)。

式中，Ri,finite和Ri,eddy分別為化學(xué)反應(yīng)速率和湍流混合速率，kmol/(m3·s)；vi′,r是反應(yīng)物i在反應(yīng)r中的化學(xué)計量系數(shù)；vi′′,r為產(chǎn)物i在反應(yīng)r中的化學(xué)計量系數(shù)；YP是產(chǎn)物P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；YR為反應(yīng)物R的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A和B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為4.0和0.5。均相化學(xué)反應(yīng)速率如表2所示[14-16]。

根據(jù)奧里乳化油的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)（見表3）可以確定其揮發(fā)分的分子式為C7H13（為簡便起見，忽略S、O和N元素）[12]。本文考察3種不同揮發(fā)分反應(yīng)路徑對模擬結(jié)果的影響，如表4所示，其中假定分解反應(yīng)和燃燒反應(yīng)的速率均由Ri,eddy所控制，而氣化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)則假定與CH4的一致。

非均相化學(xué)反應(yīng)包括焦炭的燃燒及氣化反應(yīng)等。采用顆粒表面化學(xué)反應(yīng)模型對焦炭的燃燒及氣化反應(yīng)進(jìn)行描述，如式(11)～式(14)。

表2 均相化學(xué)反應(yīng)速率

式中，Ap為顆粒表面積，m2；Ys為顆粒表面物質(zhì)s的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D0,r為擴(kuò)散速率系數(shù)；Ar為指前因子；E為反應(yīng)活化能，J/kmol。假設(shè)顆粒在非均相化學(xué)反應(yīng)過程中粒徑保持不變。非均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)如表5所示[17]。

表3 奧里乳化油性質(zhì)

表4 揮發(fā)分反應(yīng)路徑

表5 非均相反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)

顆粒發(fā)生非均相化學(xué)反應(yīng)時的熱量平衡由公式(15)控制。

式中，Hreac為非均相反應(yīng)的反應(yīng)熱；εp為顆粒發(fā)射率；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)；θR為輻射溫度；fh為顆粒對非均相反應(yīng)熱的吸收率。

對氣流床氣化爐裝置進(jìn)行簡化的二維軸對稱數(shù)值模擬，網(wǎng)格尺寸為1.5mm（寬）×10mm（高）。所有數(shù)值模型在Fluent 6.3.26軟件平臺上運(yùn)行求解。氣相采用質(zhì)量流量入口條件，追蹤200個奧里乳化油液滴，出口采用壓力出口邊界條件。壁面為無滑移條件，并由文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)指定壁面處的熱通量[2]。采用SIMPLE半隱式算法求解壓力-速度耦合方程組。對于對流項和組分項采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力項采用標(biāo)準(zhǔn)差分格式，湍流動能和耗散率項采用一階迎風(fēng)差分格式。

3 結(jié)果與討論

3.1 揮發(fā)分反應(yīng)路徑的影響

不同揮發(fā)分反應(yīng)路徑對氣化爐軸線上氣相溫度和組分分布的影響分別如圖2和圖3所示。揮發(fā)分反應(yīng)路徑對靠近噴嘴處的溫度和組分分布影響顯著，而氣化爐后半段的溫度和組分分布受揮發(fā)分反應(yīng)路徑的影響相對要弱的多。這說明揮發(fā)分反應(yīng)路徑主要影響氣化反應(yīng)的過程，但是對最終氣化反應(yīng)的結(jié)果影響較小。在靠近噴嘴處，達(dá)到最高溫度的距離為反應(yīng)路徑1>反應(yīng)路徑2>反應(yīng)路徑3。這是由于揮發(fā)分反應(yīng)路徑1中揮發(fā)分首先需分解生成小分子產(chǎn)物，再進(jìn)一步發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)，因此相比其他揮發(fā)分反應(yīng)路徑在距離噴嘴最遠(yuǎn)的區(qū)域形成最高溫度。由于揮發(fā)分反應(yīng)路徑1中揮發(fā)分不直接生成CO2，因此CO2摩爾分?jǐn)?shù)的最大值要比反應(yīng)路徑1和2的要較小[圖3(b)]。揮發(fā)分反應(yīng)路徑2中揮發(fā)分直接發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)生成CO，因此在離噴嘴較近的區(qū)域達(dá)到最高溫度。同時，由于揮發(fā)分反應(yīng)路徑2中兩種化學(xué)反應(yīng)均生成CO，因此在噴嘴附近處的CO摩爾分?jǐn)?shù)最高，如圖3(a)所示。而揮發(fā)分反應(yīng)路徑3中揮發(fā)分直接發(fā)生完全燃燒反應(yīng)生成CO2，放熱效應(yīng)比反應(yīng)路徑2要強(qiáng)，因此在距噴嘴最短距離內(nèi)達(dá)到最高溫度。相應(yīng)的揮發(fā)分反應(yīng)路徑3中組分CO2摩爾分?jǐn)?shù)的峰值也最靠近噴嘴，如圖3(b)所示。

圖2 揮發(fā)分反應(yīng)路徑對氣相溫度分布的影響

圖3 揮發(fā)分反應(yīng)路徑對氣相組分分布的影響

3.2 顆粒反應(yīng)熱吸收率的影響

雖然非均相反應(yīng)包括C與O2、CO2和H2O之間的反應(yīng)，但是在本文研究的氣化過程中，通過對整個氣化爐內(nèi)各非均相反應(yīng)速率進(jìn)行積分可推斷出超過99%的C由C和O2的燃燒反應(yīng)所消耗[18]，因此可以粗略認(rèn)為非均相反應(yīng)的熱效應(yīng)完全由C的燃燒反應(yīng)所提供。通過調(diào)整公式(15)中fh的值模擬顆粒反應(yīng)熱吸收率分別為100%和30%的氣化工況，可以獲得顆粒反應(yīng)熱吸收率對溫度和氣相組分分布的影響規(guī)律，如圖4所示。從圖4中可以看出，顆粒反應(yīng)熱吸收率對氣化爐內(nèi)的溫度和組分分布影響很小，這可能是由以下兩個原因所導(dǎo)致的。首先是由于奧里乳化油中固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，僅為18%（干燥基）；其次是由于在該氣化爐中C燃燒反應(yīng)所提供熱量僅占所有燃燒反應(yīng)所提供熱量的8%[18]，顆粒反應(yīng)熱吸收率的變化對整體的熱平衡無明顯作用。

3.3 與氣化爐出口實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析

圖4 顆粒反應(yīng)熱吸收率對氣相溫度和組分分布的影響

不同工況下預(yù)測的氣化爐出口氣相溫度和組成數(shù)據(jù)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。當(dāng)顆粒反應(yīng)熱吸收率由100%降為30%時，預(yù)測的出口溫度升高12K，出口組分分布略有變化。而當(dāng)揮發(fā)分反應(yīng)路徑由路徑1改為路徑2和路徑3時，出口溫度分別升高37K和29K，且出口組分變化也更為明顯。因此揮發(fā)分反應(yīng)路徑和顆粒反應(yīng)熱吸收率對最終氣化反應(yīng)結(jié)果有一定程度的影響，而揮發(fā)分反應(yīng)路徑的影響較大。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，揮發(fā)分反應(yīng)路徑1且顆粒反應(yīng)熱100%吸收率時預(yù)測的溫度與實(shí)驗(yàn)值更為接近，然而揮發(fā)分反應(yīng)路徑2和路徑3所預(yù)測的組分分布卻與實(shí)驗(yàn)值更相吻合。這是由于氣流床存在著強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜流動反應(yīng)行為，各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型仍需進(jìn)一步改進(jìn)以獲得更為精確的模擬結(jié)果。

表6 氣化爐出口氣相溫度和組分分布

4 結(jié) 論

本文以奧里乳化油氣流床氣化過程為例，考察了揮發(fā)分反應(yīng)路徑和顆粒反應(yīng)熱吸收率對氣化爐數(shù)值模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明，揮發(fā)分反應(yīng)路徑主要影響靠近噴嘴處的氣相溫度和組分分布。當(dāng)揮發(fā)分首先需要分解生成小分子產(chǎn)物，再發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)時，所預(yù)測的溫度和CO2摩爾分?jǐn)?shù)峰值要在離噴嘴較遠(yuǎn)處達(dá)到。當(dāng)揮發(fā)分直接發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)時，發(fā)生完全燃燒的路徑由于較強(qiáng)的放熱效應(yīng)在距噴嘴較近處達(dá)到最高溫度。由于原料中較低的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C燃燒反應(yīng)在整個體系的燃燒反應(yīng)熱中占較低的比例，顆粒反應(yīng)熱吸收率對預(yù)測結(jié)果影響很小。氣化爐出口氣相溫度和組分分布受揮發(fā)分反應(yīng)路徑和顆粒反應(yīng)熱吸收率的影響較小，與實(shí)驗(yàn)值較為吻合。因此，揮發(fā)分反應(yīng)路徑對氣化爐數(shù)值模擬研究的影響不容忽視，需進(jìn)一步深入研究，建立能夠反映實(shí)際情況的揮發(fā)分反應(yīng)路徑，以準(zhǔn)確揭示氣化爐內(nèi)特別是噴嘴附近的復(fù)雜流動反應(yīng)行為。

符 號 說 明

A ——指前因子或表面積，m2

C1,r——擴(kuò)散速率系數(shù)

CD——單顆粒曳力系數(shù)，kg/(m3?s)

c ——熱容，J/(kg?K)

D0,r——擴(kuò)散速率系數(shù)

dav——平均顆粒粒徑，μm

dp——顆粒粒徑，μm

E——活化能，J/kmol

G——重力加速度，m/s2

H——反應(yīng)熱，MJ/kmol

hw——水蒸發(fā)潛熱，MJ/kmol

K——湍流動能，m2/s2

k0——熱解速率常數(shù)，1/min

kc——質(zhì)量傳遞系數(shù)，m/s

Mw——相對分子質(zhì)量，kg/kmol

m——質(zhì)量，kg

n——反應(yīng)級數(shù)或非均勻性指數(shù)

P——壓力，Pa

R——通用氣體常數(shù)，J/(kmol?K)

Ri——反應(yīng)速率，kg/(m3?s)

Re——雷諾數(shù)

Sm——?dú)庀噙B續(xù)性方程源項

Sv——動量控制方程源項

T——溫度，K

t——時間，s

u——速度，m/s

v——化學(xué)計量系數(shù)

X——摩爾分?jǐn)?shù)

x——生成揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

x∞——揮發(fā)分的最終產(chǎn)率

Yd——粒徑大于dp的液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Y——質(zhì)量分?jǐn)?shù)

ε——湍流動能耗散率，m2/s3

εp——顆粒發(fā)射率

η——有效因子

θR——輻射溫度，K

λ——熱導(dǎo)率，W/(m?K)

μ——黏度，Pa?s

ρ——密度，kg/m3

σ——Stefan-Boltzmann常數(shù)，W/(m2?K4)

下標(biāo)

i，j，s——組分或坐標(biāo)方向

p——顆粒

sat——飽和

t——湍流

w——水

參 考 文 獻(xiàn)

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研究開發(fā)

Effects of reaction pathway and particle heat absorption on gasifier：a numerical study

ZHONG Hanbin1，LAN Xingying2，GAO Jinsen2
（1College of Chemistry and Chemical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an710065，Shaanxi，China；2State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

Abstract：The gasification technology is an efficient way to process inferior crude oil，unconventional oil and coal with lower emissions，and numerical simuation is an important method to reveal the complex flow and reaction behavior in the gasifier. In order to evaluate the influence of volatile reaction pathway and particle reaction heat absorption ratio，the Orimulsion gasification process in an entrained-flow gasifier was simulated with Eulerian-Lagrangian method. The homogenous reactions and heterogeneous reactions were described by the finite-rate/eddy-dissipation model and particle surface reaction model，respectively. The simulation results demonstrate that the reaction pathway of volatile mainly affects temperature and species distributions in the near-nozzle region，while those at the outlet of the gasifier change only slightly. However，the effect of particle heat absorption ratio is almost negligible due to the lower amount of fixed carbon in the Orimulsion and the small reaction heat of coke combustion.

Key words：gasification; numerical study; reaction pathway; heat absorption; orimulsion

基金項目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB215003)。

收稿日期：2015-07-02；修改稿日期：2015-07-27。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.006

中圖分類號：TQ 021.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0376–07