流化床反应器中化学链燃烧的模拟

吴海泓，王利华，黄 晨

(广东省特种设备检测研究院惠州检测院，广东 惠州 516002)

二氧化碳排放已经成为了日益严重的温室效应的主要原因，分离回收二氧化碳从而减少排放量已成为可持续发展的主要内容之一［1］。化学链燃烧技术借助于载氧剂的作用，避免了燃料与空气的直接接触，减少了二氧化碳以及NOx的排放，近年来得到了国内外学者的广泛关注［2］。作为化学链系统中重要的构件，燃料反应器一直是研究的热点［3］。李俊等［4］以CuO作为载氧体通过模拟手段分析了甲烷进气速度对反应速率的影响。姜健等［5］考虑高颗粒浓度下摩擦应力的影响，对燃料反应器内化学链燃烧过程进行数值模拟。然而上述的燃料反应器均采用的是鼓泡流化床的形式，由于鼓泡床中气体主要以气泡的形式通过床料，会造成燃料与颗粒不能很好地接触，进而降低燃料的转化率，同时为了满足较高的转化率，鼓泡床需要较大的固储量。循环流化床因其较大的循环速率以及较好的气固接触可以避免鼓泡床燃料反应器的不足［6］。本文运用双流体模型，考虑颗粒聚团的影响，以甲烷作为气体燃料，氧化镍作为载氧体颗粒，对流化床反应器内化学链燃烧过程进行数值模拟。

1 计算模型

1.1 数学模型

1.1.1 连续性方程

1.1.2 动量守恒方程

其中，固相应力τs表示为

颗粒压力ps及粘度μs按颗粒动理学理论［7］确定。

1.1.3 颗粒拟温度方程

式中 Dgs和γs——单位体积能量耗散率和颗粒相脉动能耗散;

ks——颗粒相热传导系数。

表示为

1.1.4 气相组分守恒方程

其中，扩散通量Jg，i可根据Fick定律进行计算。

1.1.5 能量守恒方程

其中c、λ、φ表示比热容、热传导系数和换热系数。

1.1.6 气固相间作用力模型

在双流体模型中，两相之间通过动量交换项进行耦合，这里气固相间作用力模型采用Yang等［8］提出的EMMS模型进行计算，其曳力系数表示为

1.1.7 化学反应模型

假设燃料反应器内CH4与NiO发生的还原反应分两步进行，首先CH4与NiO反应生成CO和H2，之后中间产物H2、CO气体分别与NiO立即反应生成CO2、H2O和Ni，反应过程如下

在模拟中，对于化学反应模型的选取，使用缩核反应模型进行反应速率的计算［9］

1.2 边界条件

在壁面上对气相采用无滑移边界条件，将颗粒的法向速度定为 0。颗粒相则采用 Johnson and Jackson提出的部分滑移边界条件［10］。

2 计算结果与讨论

计算对象采用Kolbitsch等［11］双循环流化床的燃料反应器的结构尺寸。顶部为压力出口，壁面设置为恒温壁面。其中反应器高 3 m，直径为0.159 m，反应器底部为气体速度入口，表观速度为0.68 m/s，颗粒从侧壁以50 kg/m2·s的质量流率送入反应器中，压力出口设置在反应器顶部右侧，颗粒直径和密度分别选取为3446 kg/m3和0.2 mm。初始条件下，床内空隙率为1。

图1 颗粒浓度瞬时分布图

图1表示不同时刻下反应器中颗粒浓度瞬时分布。反应器中颗粒浓度呈现下浓上稀边壁浓中间稀的非均匀分布，壁面附近有明显的颗粒聚团存在，可以看到在气流的携带作用下颗粒在整个床层的运动过程，伴随着颗粒聚团在反应器中不断形成、长大以及破碎，颗粒浓度在反应器中呈现出一定程度的振荡。

图2 气体组分浓度及固相温度瞬时分布图

图2表示准稳态时气相组分浓度及固相温度在反应器中分布情况。进口处甲烷浓度最高，随着反应进行，沿反应器高度方向甲烷浓度逐渐减小，甲烷浓度中心区域较高，壁面区域接近于0，这说明壁面附近甲烷转化率较高，这是由于颗粒浓度在壁面处较高，造成燃料与载氧体颗粒反应程度较大。氢气作为中间产物，其分布趋势与甲烷基本一致，在生成的同时被载氧体颗粒大量消耗，二氧化碳作为生成物，与甲烷分布恰恰相反，出口处达到最高。由于颗粒浓度在反应器中的非均匀分布导致局部气体燃料反应不完全，因此增加停留时间以更好地使氧载体与气体燃料混合是十分必要的。载氧体与燃料的反应以吸热反应为主，床层下半部温度变化明显，局部区域温度有所下降。

图3 时均颗粒浓度和速度沿径向分布图

图3为不同高度处颗粒浓度与速度沿径向的时均分布。颗粒浓度整体上呈现出中心区域低，沿壁面逐渐增大，壁面浓度最大的非均匀分布趋势，随着高度的增加，浓度随之降低，由于颗粒从侧壁进入反应器，同时燃料反应器中操作速度相对较低，使底部颗粒浓度峰值出现在0.75 R附近。从速度分布图可以看到中心速度最大且为正值，表明颗粒向上运动，壁面处速度为负，颗粒向下运动，整个反应器内呈现出上浓下稀边壁浓中间稀的环核流动结构。

图4 气体组分质量分数沿轴向时均分布图

图4给出了气体组分质量分数沿轴向的分布。由图可见，反应器底部与中上部气体组分分布有着明显差异。在底部，各组分浓度有着一个明显的变化趋势，甲烷随着床高增加急剧下降，而产物二氧化碳与水蒸气相应的浓度增加，随着反应进行，甲烷被大量消耗，作为中间产物的氢气和一氧化碳变化趋势与甲烷一致，在反应器底部的回料口处，由于输送回料的气体的稀释使得各组分浓度在该处都呈现出降低的趋势。在反应器中上部，气体浓度变化不是很明显，接近于一个常数，这与颗粒浓度在床内呈现出的底部密相区与上部稀相区的分布趋势密切相关。由于出口设置在侧面，在反应器顶部各组分浓度有所降低。

3 结论

运用双流体模型，结合颗粒动理学，通过EMMS模型进一步考虑反应器内多尺度结构的影响，对流化床反应器内化学链燃烧流动和反应特性进行研究，获得了反应器内流场特性和气相组分分布规律，得到了反应器内颗粒聚团存在的环核流动结构。研究发现颗粒聚团的存在使得反应器内反应程度分布不均，降低了燃料的转换率，因此消除或者减弱这种非均匀结构有利于燃料转换率的提高。

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