CJChE文章荐读 | 双流化床循环流化床系统的质能平衡分析

文章信息

An analysis approach of mass and energy balance in a dual-reactor circulating fluidized bed system

Yangjun Wei (韦泱均), Leming Cheng (程乐鸣), Liyao Li (李立垚)

Volume 40, December 2021, Pages 18-26

https:///10.1016/j.cjche.2020.10.043

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Chinese Journal of Chemical Engineering

研究背景

化学链燃烧/气化是载氧体在双反应器之间氧化还原的过程，因此，化学链技术亦是一种双反应器技术。双反应器之间的质量、能量运输平衡是保证系统连续稳定运行的关键。

基于课题组发展的大型循环流化床综合计算模型，本研究开发了双流化床系统的综合气固流动与反应模型，考虑了双流化床中的蒸发、脱挥、焦炭燃烧、焦炭气化和气体均相反应。利用该模型对1MW循环流化床-鼓泡床（CFB-BFB）系统的质量和能量平衡进行了分析，计算并讨论了压力分布、气固浓度、温度、组分分布、质量流量、焓和能量传递的三维模拟结果。该模型可用于预测双流化床系统的设计、运行和维护。

成果展示

本文提出了一种新的双流化床系统质量和能量平衡分析方法。以1MW CFB-BFB系统为模拟对象，模拟双床系统的气固流体、温度场和化学反应产物的三维全回路结果，其与试验结果吻合良好，验证了该方法的有效性。质量和能量平衡分析表明，两个流化床之间的能量和质量率密切相关。该模型可用于预测双流化床系统的设计、运行和维护。

图文导读

1. 模拟对象

模拟对象为1 MW 循环流化床-鼓泡床（CFB-BFB）的试验台（图1）。它由一个燃烧炉①、一个旋风分离器②、一个气化炉④和两个回路密封③和⑤组成。CFB是燃烧炉，BFB是气化炉。其尺寸参数如表1所示。燃烧炉包括底部和稀释部分，其总高度为11200 mm。气化炉包括底部、中部和上部，总高度为7200 mm。①和④之间有两条传质路径，即路径(a)燃烧炉到气化炉和路径(b)气化炉到燃烧炉。

图1  1MW循环流化床锅炉系统的结构

表1  1MW双环流化床系统的几何参数

创建了包含359 946个单元和247 197个节点的三维混合网格。大多数计算区域为六面体网格，气化炉底部为四面体网格。

2. 计算模型

基于本课题组Xu等人搭建的大型循环流化床（CFB）系统三维综合燃烧模型，本研究开发了双流化床系统的综合流体动力学和反应模型。该模型气固流动计算基于欧拉-欧拉模型和EMMS曳力模型，考虑了双流化床中的蒸发、脱挥、焦炭燃烧、焦炭气化和气体均相反应，获得气固相流速、组分分布、温度变化、焓流、反应速率等热态结果，通过分析获得两个流化床之间以及单个流化床内的质量和能量流以及其质量能量平衡结果。

图2  CFB-BFB系统的传质和能量传递分析方法

3. 结果与讨论

(1) 模型验证

为了验证模型的有效性，计算选用的工况与实际运行保持一致。表2给出了运行/计算条件。固体燃料采用淮南烟煤。表3列出了该煤的工业分析和元素分析。床料的特性如表4所示。

表2  1MW循环流化床锅炉系统的运行/计算条件

表3  运行/计算煤种的元素分析和工业分析

表4  床料性质

图3为CFB-BFB系统的瞬时固体浓度分布结果。两个流化床都存在底部的密相区和上部稀相区。气化炉底部的固体浓度高于燃烧炉，而其稀相区的固体浓度较低。图4给出了计算结果和实验数据之间沿流化床高度的压力结果比较。可以看出，压力结果吻合一致，为进一步的化学反应模拟提供了良好的基础。

图3  瞬时固体浓度结果

图4  燃烧炉和气化炉内压力分布的比较

图5和图6分别是是燃烧炉和气化炉的模拟和实验得到的温度分布对比结果。燃烧炉底部（y=1450mm）、中部（y=2000mm）和上部（y=4000mm）的温度范围为800~950℃。计算结果与实验数据吻合较好。

气化炉中发生了蒸发、脱挥、煤焦气化等反应，气化炉密相区（y=3000 mm，y=3600 mm）和稀相区（y=9600 mm）的模拟温度范围为650−750℃。气化炉内温度比实验值高100℃左右。这种偏差可能来自绝热壁假设。

图5  燃烧炉内温度分布的比较

图6  气化炉内温度分布的比较

表5为气化炉出口处气体体积分数的比较。在实验过程中，0.35%的O₂和少量的N₂主要来自气化炉的漏气。除此之外，H₂、C_xH_y、CO和CO₂的相对误差分别为12%、−5%、−7%和−17%，表明模拟结果与实验数据吻合良好。

表5  气化炉出口处的气体体积分数

气固流动和化学反应的模拟结果和实验结果吻合良好，证明了双流化床系统综合CFD模型的有效性，有利于后续的质量和能量分析。 

(2) 流化床之间的质量传输

两个流化床之间实现质量和能量平衡至关重要。图七显示了240 s内燃烧炉和气化炉之间物料传递的稳态结果。由燃烧炉至气化炉的路径(a)和由气化炉至燃烧炉的路径(b)中的平均质量流率为2160  kg·h⁻¹和1980 kg·h⁻¹，与系统设计值2000 kg·h⁻¹相近。两条路径中质量流率的细微差别在可接受的10%以内，这可能是由0.1s的采样间隔（时间步长：1×10⁻³ s）导致的。双流化床系统在1980−2160 kg·h⁻¹达到稳定循环状态。

图7  物料的质量流量和质量分数

(a) 图1的路径(a)；(b) 图1的路径(b)

(3) 流化床之间的能量传输

1MW CFB-BFB系统的质量和能量流分布情况如图八所示，包括显热和化学能以及床料和半焦在两个流化床之间传递。

在气化炉中，加热煤需要0.60 MW显热，从燃烧炉侧来的床料携带显热为0.62 MW，产生0.18MW半焦、0.33MW高纯燃气和0.122MW焦油。冷却床料的显热为0.51 MW，通过路径(b)流向燃烧炉的半焦的化学能为0.18 MW。

在路径(b)内0.054 MW的半焦发生气化，剩下0.126MW的半焦和0.31 MW 的煤（51 kg·h⁻¹）被送入燃烧炉内，发生燃烧放热反应。释放出的反应能量用于加热床料，并在炉内保持800−950℃的温度，床料获得显热为0.62 MW。燃烧炉的尾气的显热和化学能分别为0.29 MW和0.06 MW。燃烧炉固相出口剩余0.06 MW半焦，其中0.036 MW在路径(a)中被气化，因此，进入气化炉的固相为带有显热0.62 MW的床料和0.024 MW未燃烧半焦。每个流化床内的能量计算误差为4%。

图8  1MW CFB-BFB系统中的质量流和能量流

1） 流化床内的能量分布结果

图9给出了燃烧炉和气化炉中的能量分布。燃烧炉和气化炉中释放/吸收的反应能量分别为0.26和-0.01 MW。燃烧炉内释放的热量用于加热空气、床料和固体燃料，占比分别为53%、42%和4%。燃烧炉的高温床料随后通过路径（a）转移到气化炉中，用于加热流化气（40℃）、加热煤和提供吸热反应所需热量，相应比例分别为73%、18%和9%。结果表明，各流化床的能量释放和吸收是平衡的。

图9  1MW循环流化床锅炉系统的能量分布

(a) 燃烧炉；(b) 气化炉

通过上述质量和能量分析结果可知，该三维全循环双流化床CFD模型能够用于预测和优化双反应器系统的设计和运行。

作者及团队介绍

韦泱均，浙江大学能源工程学院博士研究生，导师程乐鸣教授。主要从事化学链双床运行与设计以及大型化的理论和技术研究。

程乐鸣，浙江大学教授、博导。国家发改委自主研发超临界 600MW 循环流化床锅炉专家组专家，全国燃烧节能净化标准化技术委员会（TC441）副主任委员，主要从事循环流化床理论与工程技术，清洁燃烧与近零排放研究。发表学术论文100余篇，合写专著3本，合译专著1本，获发明专利50余项。