500t／d油页岩干馏系统的半焦燃烧输送数值模拟

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1、第33卷第5期东北电力大学学报Vo1．33．No．52013年1O月JournalOfNortheastDianliUniversity0et．．2013文章编号：1005—2992(2013)05—0001—05500t／d油页岩干馏系统的半焦燃烧输送数值模拟秦宏，马佳波，刘洪鹏，张立栋，贾春霞，王擎(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要i油页岩半焦喷动床作为以固体热载体为主的油页岩干馏工艺中的重要设备，有着经济有效的燃烧方式。针对500t／d油页岩干馏系统内的半焦喷动床燃烧输送装置，应用计算流体力学软件，采用非预混燃烧模型，

2、对油页岩半焦喷动床内部的传热及燃烧进行数值模拟。建立了油页岩半焦热解和燃烧的模型，得到了油页岩半焦喷动床内部的温度、氧气、二氧化碳的分布。结果表明：在喷动床内形成喷射区、环隙区、喷泉区的分布明显。在顶部的喷泉区燃烧剧烈，温度变化均匀，氧气摩尔分数较低，二氧化摩尔分数较高。关键词：数值模拟；燃烧模型；喷动床；油页岩；半焦中图分类号：TK223文献标识码：A油页岩是有发展前途的替代能源之一，主要有燃烧发电与干馏炼油两大用途¨J，是加工炼制液体燃料的重要原料，而且从中可以提取许多化工产品，甚至是某些产品不可替代的来源。油页岩干馏炼油存在的附带问题是炼油后产

3、生的半焦如何处理。半焦是油页岩干馏后的一种副产物，这种物质同油页岩一样，也是由多种有机成分组成的混合物。然而现在对半焦的利用率不高，大多作为废弃物堆放。油页岩半焦对环境的危害比页岩灰更严重，油页岩半焦对环境的影响比油页岩灰更具危害性，并且越来越高的储存费用也会在不久的将来引起炼油的经济性问题_3因此，对于半焦基本特性的研究以及对其高效利用对于油页岩工业来说，其重要性是显而易见的。目前世界上广泛应用成熟的干馏技术主要有两大类：一是处理块状的气体热载体干馏工艺。二是处理小颗粒的固体热载体干馏工艺。固体热载体干馏技术在爱沙尼亚等国家已投入运行，单炉日处理量

4、高达3000t／d；而国内干馏技术依然以气体热载体方式的抚顺干馏炉为主，主要干馏能力在100～200t／dJ，尚未开发小颗粒页岩的固体热载体干馏工艺。油页岩固体热载体干馏工艺中是将油页岩干馏后剩余的半焦进行燃烧，并以气力输送方式回送到干馏炉中，利用高温灰渣为油页岩的干馏提供所需热量。半焦的升温输送过程是整个干馏工艺的重要环节，直接关系到干馏工艺的成败。固体热载体干馏技术常采用喷动床燃烧输送技术，喷动床具有床内流型重复性强、流型变化少、操作压力低、对粗颗粒接触率高的优点，适合作为固体热载体的升温输送来满足油页岩干馏工艺的要求。因此，半焦燃烧升温输送装置

5、是油页岩干馏的关键技术。本文拟对500t／d油页岩干馏系统的半焦喷动床燃烧输送装置的内部的燃烧特性进行理论研究，为国内开发固体热载体干馏技术中的油页岩半焦喷动床燃烧输送这一重要环节的工业化提供一定的技术支持。1数学模型针对半焦颗粒的着火机理和燃烧特性建立油页岩半焦燃烧模型，模型基于以下几点假设：(1)燃烧反应中半焦颗粒直径变化均匀且始终保持球体形状；收稿日期：2013—07—10作者简介：秦宏(1970一)，吉林省舒兰市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：新能源的开发与利用2东北电力大学学报第33卷(2)燃烧反应中会挥发分向半

6、焦颗粒外部扩散的速率和挥发分燃烧速率均为无限大；(3)挥发分在颗粒内部的分布基本上是均匀的。根据上述几个假设条件，数学模型建立如下所示：(1)半焦颗粒相能量守恒方程的表达形式如下：P·Cp=div(k·gradT)+q，(1)根据半焦颗粒的自身特性可以得到如下式所示的固相能量方程：P·’Cp鲁=A(Ar+手等)一Q，(2式中，为半焦颗粒内半径为r处的温度，K；A为半焦颗粒的导热系数，kW／m·K；式中的下标：和p分别代表半焦中的挥发分和半焦颗粒相。半焦颗粒的挥发分的释放量从内部卜r+dr，在t—t+dt时间的热解所需要的热量由下式描述：Q=△·’，(

7、3)式中：△为热解所需要的热量，kJ／kg。(2)由Arrenhenis定律可以得到在任意时刻半焦颗粒的挥发分释放量表达式为：dmv=Aexp(一)(m)，(4)式中：m为整个热解过程中所释放的挥发分总质量，kg。(3)任何时刻半焦颗粒密度的变化如下所示：一一rs、dt一7『d3dt’(4)气相能量方程表达形式如下式所示：警=Q+Q一Q⋯(6)式中：Q为固相转变为气相携带的热量。(5)挥发分燃烧释放热如下式所示：Q，(7)式中：为挥发分的发热量，kJ／kg。(6)半焦颗粒相转变为气相携带的热量的如下式所示：Q=·Cg·(一)，(8)式中：为半焦颗粒平

8、均温度，K。(7)半焦颗粒相与气相间的对流换热量的表达式如下：Q。。=仃d(—)，(9)式中：为半焦颗粒表面