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1、第26卷第4期煤 炭 学 报Vol.26No.42001年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.2001 文章编号:0253-9993(2001)04-0432-05移动床中热气体渗流传热与煤热解过程的数值计算胡国新,田芩蔚,许 伟(上海交通大学动力与能源工程学院,上海 200030)摘 要:采用热气体对燃烧前的煤颗粒进行渗流加热预处理,通过理论分析和计算的方法研究移动床内热气体渗流加热对煤热解反应过程的影响,建立多孔介质渗流传热传质与煤热解反应相互作用的物理数学模型.研究不同情况下床内颗粒料层中气固温度和煤热解挥发
2、分析出浓度的分布规律.计算结果表明,移动床内煤的热解反应与渗流传热传质过程密切相关,增大入口渗流速度以及减少给料量,导致热渗透作用区域扩大,热作用区域内的煤层温度水平提高,热解反应区段向床高方向偏移.在热解反应区域,孔隙率对渗流传质和煤热解过程有很大的影响.研究结果对于移动床煤热解反应装置的设计与运行具有一定的参考作用.关键词:移动床反应器;煤预热解;渗流传热;多孔介质中图分类号:TQ051113;TQ534;TK124文献标识码:A 煤燃烧前热解脱硫脱硝是一种投资低廉、工艺简单的防止有害废气物排放的有效方法.据文献[1]报道,对煤粉在缺氧的条件
3、下进行深度热处理后燃烧,可明显地减少锅炉受热面上沉积物的形成以及烟气中[2]氮氧化物的含量.Yeh和Keener等对螺旋给煤机内输送的煤预先热解脱硫,进一步验证了这种方法可以减少煤燃烧产物中NOx和SOx含量.可惜实验装置是采用电加热方法,这在工业装置上难于推广应用.为此,笔者提出利用热气体对固体燃料煤预热处理后再送入炉内燃烧的工艺.煤在预处理装置中的热解规律是工业设计的理论基础,研究移动床中渗流传热及煤热解反应过程具有重要的实用价值和理论意义. 迄今为止,对多孔介质的传热传质现象已进行了大量的研究,并取得了许多重要结论.但到目前为止,对于移动床
4、料层中的渗流换热及其对煤热解和挥发分传质过程的影响规律却少有报道.本文采用局部非平衡假设,建立多孔介质渗流传热和煤热解及其挥发分析出的物理数学模型,并进行数值计算.研究不同情况下移动床内的气固温度以及煤热解挥发分析出浓度分布规律,探索热气体对移动床煤颗粒料层加热处理的效果,期望能够对移动床煤热解反应器的设计和运行起到一定的参考作用.1 物理数学模型 移动床料层中煤粒在热气体渗流加热下进行热解反应的现象是一个复杂过程,影响因素较多,笔者就实际的复杂过程将情况简化,抽象成理想模型.如图1所示,立式移动床内料层高度为L,床层横切面为圆柱型,半径为R,煤
5、粒自进料端口进入床内,逆x轴方向移动,并在床层底部排出物图1 移动床煤预热解反应器料,煤粒料层轴向下移速度为us.高温气体以入口速度us,in、入口温度Fig11SchematicrepresentationTf,in渗入床内填充物料中.ofthemovingpackedbed 模型基本思想和假设:①移动床处于稳定运行状态;②物料是各向同性的多孔介质;③根据文献[3],收稿日期:2001-02-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(59806009)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.All
6、rightsreserved.第4期胡国新等:移动床中热气体渗流传热与煤热解过程的数值计算4332煤粒中心与表面温度ΔT=md/24a,其中,m为温升速率;a为热扩散率;d为颗粒直径.对于本文移动床,温升速率小于10℃/s,计算得出ΔT<5℃,因而认为煤粒内不存在温差;④假设床壁绝热,认为温度只沿床高变化;⑤气体是理想可压缩的惰性气体,流动是单相、一维、稳态非达西流.由于渗流速度较低,忽略气体惯性作用;⑥流体和颗粒间不存在局部热平衡;⑦煤粒在渗流加热过程中发生热解,颗粒无孔隙,在同一床高横切面上煤粒均匀同步地处于同一热解状态;⑧质量扩散沿轴向x进行
7、,流体主流与颗粒热解挥发分的传质阻力主要发生在颗粒表面,在煤粒体内挥发分的传质时间忽略不计. 气体渗流连续性方程为5(ερfuf)=0.(1)5x 气体渗流动量方程为5(ρ2)2fεuf5(εp′)με=-(uf+us)+εgρfβ(Tf-Tf,in),(2)5x5xk式中,uf,us分别为气体轴向速度和颗粒移动速度;ρf为气体密度,气体假设为理想可压缩气体,ρf=p/(RTf);p为床内气体压力,Pa;R为填充床的半径,m;p′为床内气压与大气压力差,Pa;Tf,Tf,in分别为床内气体温度和进口气体温度;ε为颗粒料层孔隙率,对于颗粒填充床,
8、床层孔隙率在0130～0150;μ为2气体的动力黏性系数,kg/(m·s);g为重力加速度,m/s;β为容积膨胀系数,β=
