重质油气化炉之数值模拟与设计.pdf

國 立 成 功 大 學 航 空 太 空 工 程 研 究 所 碩 士 論 文 重質油氣化爐之數值模擬與設計重質油氣化爐之數值模擬與設計 Numerical Simulation and Design of Heavy Oil Gasifier Chamber 研 究 生沈倉輝 指導教授邱輝煌 中 華 民 國 九 十 三 年 六 月 w w w . b z f x w . c o m 碩士論文授權書 國科會科學技術資料中心版本 92.2.17 本授權書所授權之論文為本人在 國立成功 大學 航空太空工程 系所 熱燃 組 九十二 學年度第 二 學期取得 碩士 學位之論文。 論文名稱 重質油氣化爐之數值模擬與設計 □同意 □不同意 （政府機關重製上網） 本人具有著作財產權之論文全文資料，授予行政院國家科學委員會科學技 術資料申請中心、國家圖書館及本人畢業學校圖書館，得不限地域、時問 與次數以微縮、光碟或數位化等各種方式重製後散布發行或上載網路。 本論文為本人向經濟部智慧財產局申請專利（未申請者本條款請不予理 會）的附件之一，申請文號為 ，註明文號者請將全文資料延後半 年再公開。 □同意 □不同意 （圖書館影印） 本人具有著作財產權之論文全文資料，授予教育部指定送繳之圖書館及本 人畢業學校圖書館 ，為學術研究之目的以各種方法重製，或為上述目的 再授權他人以各種方法重製，不限地域與時間，惟每人以一份為限。 上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行 權利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述同意與不同 意之欄位若未鉤選，本人同意視同授權。 指導教授姓名 邱輝煌 研究生簽名 學號 P46911145 親筆正楷 務必填寫 日期民國 93 年 6 月 7 日 1.本授權書於民國 85 年 4 月 10 日送請內政部著作權委員會 （現為經濟部智慧財產局） 修正定稿，89.11.21 部份修正。 2.本案依據教育部國家圖書館 85.4.19 台85圖編字第 712 號函辦理。 w w w . b z f x w . c o m 簽署人須知 1.依著作權法的規定，任何單位以網路、光碟與微縮等方式整合國內學術 資料，均須先得到著作財產權人授權，請分別在兩種利用方式的同意欄 內鉤選並填妥各項資料。我國博碩士論文八十二學年度以前摘要資料庫 及八十四學年度以後全文資料微片目錄資料庫已上載於行政院國家科 學委員會科學技術資料中心網站 www.stic.gov.tw，或至教育部國家圖書 館網站 www.ncl.edu.tw 之博碩士論文書目摘要資料庫查詢。 2.所謂非專屬授權是指被授權人所取得的權利並非獨占性的使用權，授權 人尚可將相同的權利重複授權給他人使用；反之即為專屬授權，如果您 已簽署專屬授權書予其他法人或自然人，請勿簽署本授權書，著作人日 後不可以主張終止本授權書，但您仍可授權其他法人或自然人上述的行 為。 3.全國博碩士論文全文資料整合計畫的宏觀效益 在個人方面，您的論文將可永久保存微縮技術在理論上可保存八百 年，實證已逾百年，也因為您的授權，使得後進得以透過電腦網路與 光碟多管道檢索，您的論文將因而被充分利用。在國家總體利益方面， 紙本容易因影印前造成裝訂上的傷害，圖書館申孤本的公開陳列與外借 也有破損之虞，唯有賴政府全面性的整合，借助科技設備才能一舉完成 保存與利用的全方位效益，回憶您過去尋找資料之不便經驗，學弟與學 妹確實須要您的論文與授權書。 w w w . b z f x w . c o m i 中文摘要 論文題目重質油氣化爐之數值模擬與設計論文題目重質油氣化爐之數值模擬與設計 研究生沈倉輝研究生沈倉輝 指導教授邱輝煌指導教授邱輝煌 重質油氣化複合循環發電系統（IGCC）在改善熱效率、減少溫室氣 體排放、以及燃料的多選擇性上之實際使用一直被人們寄予厚望。於是 本論文研究主題為探討乳化重油ORIMULSION，其在噴流床式氣化爐中 之氣化特性。初步先假設進口燃料為ORIMULSION高溫熱解Pyrolysis 後之主要物質CH4、H2O、CO、CO2、H2及C。目的在觀察及比較在經 過整體氣化反應後，爐內溫度分佈及出口合成氣（Syngas）組成。在假 設碳為氣態以及固定燃料供給量下，我們分別使用不同供氧量，紊流模 式，壁面溫度及操作壓力為操作條件。研究發現，若增加氧化劑，會導 致H2及CO產量減少，CO2增加，且對H2O影響不大。而使用DSM紊流模 式下，H2O產量會有明顯的增加，且會計算出較慢的紊流混合速率。同 時增加壁面溫度對合成氣產量影響不顯著。而操作壓力在1.8MPa下就可 以達到預計的效果。 w w w . b z f x w . c o m ii English Abstract Subject Numerical Simulation and Design of Heavy Oil Gasifier Chamber Student Tsang-Huei Shen Adviser Huei-Huang Chiu The practical use of Integrated extra heavy oil Gasification Combined Cycle IGCC power generation is expected from the viewpoints of the improvement of thermal efficiency, the decrease in emission of greenhouse gases, the fuel diversification, and the cost decrease, etc. The theme of studying in this thesis lies in probing into the emulsified heavy oil named ORIMULSION gasification characteristic in the entrained-flow gasifier. Tentatively, suppose the fuel imported as ORIMULSION composition after pyrolysis CH4、H2O、CO、CO2、H2 and C. The purpose lies in observing and comparing the distribution of temperature in the chamber and the composition of syngas exported after the global gasification reactions finish. Furthermore, suppose gaseous carbon and fixed fuel supply, respectively we use different oxygen supply , turbulence model , wall temperature and operation pressure as operation conditions. The result of study shows When increasing the oxidant supply, it will cause the reduction of H2 and CO and increase of CO2 in the exit, and it also have a little effect on H2O. If DSM turbulence model is enabled being used for calculating, then H2O will increase in a large amount obviously and calculate out slower turbulence mixing speed. The way to increase wall temperature does not have obvious influence on syngas exported at the same time. And operation pressure can get the ideal result of estimating at 1.8MPa. w w w . b z f x w . c o m iii 致謝 由衷感謝恩師 邱輝煌教授兩年來的悉心指導，本論文始得以完成 。邱老師嚴謹的治學之道及學術上的輝煌成就讓人望其項背，耳濡目染 之中使學生受益匪淺。同時亦要感謝口試委員李聰盛博士及趙怡欽教授 對於本論文的逐字斧正以及口試時提出的諄諄建言，學生深感欽佩。 還要特別感謝亦師亦友的蔡欣倫博士之提攜，對於論文研究、課業 及待人處事態度上不遺餘力的指教，此恩情永銘於心；還有研究室博士 班金田學長不時的打氣加油，讓我能繼續堅持下去；同窗好友裕峰及碩 毅的陪伴，猶記考試及報告前夕的天亮說晚安以在球場揮汗廝殺的回憶 ；學弟昱昇、宗憲、煌文、健昱的貼心及幫忙；其他師門的好友耀德 、宥銓、柏超、盈衛、振頡、旻賢、家豪、日哲等人，你們共同編織的 回憶永存心中。還要感謝機械所彭煥森同學對於 CFX 上的指教；平行 計算中心杜黎蓉小姐電腦資源的大力幫忙，以及國家高速網路與計算中 心李隆正博士與澳洲雪梨大學 Fletcher 教授的來函指教等一併致謝。 最後要感謝父母親及弟弟在我求學過程中無悔的支持。我若有一絲 絲榮耀及成就，也是屬於你們的。 w w w . b z f x w . c o m iv 目 錄 中文摘要 .................................................... i English Abstract ........................................... ii 致謝 ...................................................... iii 目 錄 ..................................................... iv 表目錄 .................................................... vii 圖目錄 ................................................... viii 符號說明 .................................................. xii 第一章、序論第一章、序論 1-1 前言1 1-2 文獻回顧3 1-2-1 氣化歷史介紹3 1-2-2 氣化原理與氣化爐4 1-2-3 氣化之數值模擬文獻5 1-3 本文概述8 第二章、數學及物理模式第二章、數學及物理模式 2-1 問題假設 9 2-2 物理模式（統御方程式）9 2-2-1 傳輸方程式9 w w w . b z f x w . c o m v 2-2-2 動量傳輸 11 2-2-3 熱傳 11 2-2-4 質傳 11 2-3 紊流模式12 2-3-1 雷諾平均方程式12 2-3-2 k-ε 紊流模式15 2-3-3 DSM 紊流模式16 2-4 化學反應模式17 2-4-1 使用燃料假設18 2-4-2 高溫裂解過程18 2-4-3 焦炭氣化反應過程19 2-4-4 氣相氣化反應過程21 第三章、數值方法第三章、數值方法 3-1 CFX 程式功能與內容概述 24 3-2 邊界契合座標系統25 3-3 非交錯性格點25 3-4 多重區塊格點結構26 3-5 CFX 格點品質判別 26 3-6 SIMPLEC 數值運算法則 27 3-7 收斂標準27 3-8 噴流床式氣化爐格點建構28 w w w . b z f x w . c o m vi 第四章、結果與討論第四章、結果與討論 4-1 噴流床式氣化爐入口設計29 4-2 冷流場測試29 4-3 操作條件30 4-4 氣相氣化反應計算結果31 4-4-1 不同供氧量比較31 4-4-2 不同紊流模式比較32 4-4-3 不同壁溫比較32 4-4-4 不同操作壓力比較33 4-5 結論33 第五章、未來工作與建議第五章、未來工作與建議35 參考文獻參考文獻36 附表附表41 附圖附圖45 自述自述 著作權聲明著作權聲明 w w w . b z f x w . c o m vii 表目錄 表 1-1 能源的形式 ........................................... 41 表 1-2 燃燒與氣化產物之分別 ................................. 41 表 2-1 三種燃料成分分析表 ................................... 42 表 2-2 焦炭氣化反應速率參數值 ............................... 43 表 2-3 氣相氣化反應速率參數值 ............................... 43 表 4-1 不同氧化劑流量、壁溫、操作壓力及紊流模式之操作條件列表 44 表 4-2 不同操作條件下模擬分析所得出口合成氣重量組成分率...... 44 w w w . b z f x w . c o m viii 圖目錄 圖 1-1 IGCC 發電過程........................................45 圖 1-2 石油焦在 IGCC 與流化床式氣化爐污染物生成比較............45 圖 1-3 氣化原料之選擇與合成氣應用............................ 46 圖 1-4 固定床（左）與流化床（右）式氣化爐.................... 46 圖 1-5 Shell（左）與 Texaco（右）型噴流床式氣化爐............. 47 圖 1-6 FUTURE ENERGY（左）與 PLENFLO（右）型噴流床式氣化爐.... 47 圖 2-1 氣化爐中之反應模式.................................... 48 圖 2-2 Orimulsion 不穩定種類................................. 48 圖 2-3 Orimulsion 製作方式................................... 49 圖 2-4 裂解整體過程圖........................................ 49 圖 3-1 CFX4-4 整體流程架構圖................................. 50 圖 3-2 氣化爐實體照片........................................ 51 圖 3-3 CFX_BUILD 之模擬氣化爐幾何外型......................... 51 圖 3-4 氣化爐幾何尺寸........................................ 52 圖 3-5 模擬幾何之格點圖...................................... 53 圖 4-1 aKier 噴流床式氣化爐入口設計與b入口設計............ 54 圖 4-2 測試流場之a整體速度分佈圖b入口向量圖c出口煙線圖.. 55 圖 4-3 兩種紊流模式速度向量比較圖............................ 56 w w w . b z f x w . c o m ix 圖 4-4 Case1 速度分佈圖...................................... 57 圖 4-5 Case1 O2重量分率分佈圖................................ 57 圖 4-6 Case1 C 重量分率分佈圖................................ 58 圖 4-7 Case1 CH4重量分率分佈圖............................... 58 圖 4-8 Case1 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 59 圖 4-9 Case1 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 60 圖 4-10 Case1 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 61 圖 4-11 Case1 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 62 圖 4-12 Case1 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 63 圖 4-13 Case2 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 64 圖 4-14 Case2 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 65 圖 4-15 Case2 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 66 圖 4-16 Case2 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 67 圖 4-17 Case2 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 68 圖 4-18 Case3 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 69 圖 4-19 Case3 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 70 圖 4-20 Case3 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 71 圖 4-21 Case3 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 72 圖 4-22 Case3 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 73 w w w . b z f x w . c o m x 圖 4-23 Case1、Case2、Case3 沿中央軸線綜合比較圖.............. 74 圖 4-24 Case4 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 75 圖 4-25 Case4 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 76 圖 4-26 Case4 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 77 圖 4-27 Case4 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 78 圖 4-28 Case4 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 79 圖 4-29 Case3、Case4 沿中央軸線綜合比較圖..................... 80 圖 4-30 Case5 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 81 圖 4-31 Case5 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 82 圖 4-32 Case5 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 83 圖 4-33 Case5 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 84 圖 4-34 Case5 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 85 圖 4-35 Case6 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 86 圖 4-36 Case6 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 87 圖 4-37 Case6 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 88 圖 4-38 Case6 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 89 圖 4-39 Case6 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 90 圖 4-40 Case3、Case5、Case6 沿中央軸線綜合比較圖.............. 91 圖 4-41 Case7 CO 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 92 w w w . b z f x w . c o m xi 圖 4-42 Case7 CO2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 93 圖 4-43 Case7 H2重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖.............. 94 圖 4-44 Case7 H2O 重量分率分佈圖與沿中央軸線曲線圖............. 95 圖 4-45 Case7 溫度分佈圖與沿中央軸線曲線圖.................... 96 圖 4-46 Case3、Case7 沿中央軸線綜合比較圖..................... 97 w w w . b z f x w . c o m xii 符號說明 Symbol Property A 前指數因子 Pre-exponential factor B 物體力 Body force c 濃度 Concentration d 直徑 Diameter E 活化能 Activation energy H 總焓 Total enthalpy h 靜焓 Static enthalpy k 紊流動能 Turbulent kinetic energy ki 速度常數 Velocity constant M 質量 Mass N 溫度指數 Temperature exponent n 次幂 power P 簡力項 Shear force term p 壓力 Pressure p 修正壓力 Modified pressure R 萬用氣體常數 Universal gas constant S 源項 Source term t 時間 Time T 溫度 Temperature TV 時間常數 Time constant U 內能 Internal energy w w w . b z f x w . c o m xiii ε 紊流消散率 Turbulent dissipation rate ρ 密度 Density σ 應力張量 Stress tensor 分子黏滯係數 Molecular viscosity coefficient eff 有效黏度 Effective viscosity T 紊流黏度 Turbulent viscosity ζ 體黏滯係數 Bulk viscosity coefficient λ 熱傳導係數 Thermal conductivity ψ 壓力張量修正因子 Pressure-strain correction Γ 分子擴散係數 Molecular diffusion coefficient Subscripts ch 化學反應 Chemical reaction fu 燃料 Fuel ox 氧化劑 Oxidant s 固相 Solid phase g 氣相 Gaseous phase ebu 渦流破裂模式 Eddy break up model w w w . b z f x w . c o m 1 第一章、序論第一章、序論 ※ ※ 1-1 前言前言 現代化文明的生活，需要消耗大量的能源。以美國為例，平均每人 每天消耗 800 萬千卡，大約是等於 3,000 人的身體生活的耗能量【1】 。 換句話說，若是在原始社會，平均每個美國人的生活，就有 2,999 位幫 傭。而此可見能源的需求以及有效開發管理之重要性【2-3】 。 自然形成能源的種類，大體可分為三大類太陽能、重力、和核能 ，其分類如表 1-1 所示【3】 。而目前工業國家使用的能源，除了利用核 分裂的核能外，主要是長時期形成的太陽能，如天然氣、煤碳和石油 。 天然氣為化石燃料中較為潔淨之能源，燃燒時無硫氧化物（SOx） 產生，且產生之氮氧化物量（NOx）為煤炭之 20％～40％、二氧化碳量 為煤炭之 60％ 【4-5】 。所以天然氣是各國改善空氣污染及減少二氧化 碳等會造成溫室效應的廢氣排放量等考量下，相當好的能源選項。加上 天然氣可協助各國達到能源多元化目標以減少對進口石油的依賴，且天 然氣的使用可以藉由複合循環發電來提高能源使用效率，故天然氣將是 全球成長最快的初級能源。但依美國能源資訊署（U.S. Energy Ination Administration）預估，全球天然氣蘊藏量僅還可供全世界使 用六十年左右。有鑑於天然氣並非用之不竭，於是煤炭及石油的需求及 開發利用即日顯重要。 而重油屬於石油分餾後的產物，相較於輕質石油及柴油，重油的成 分較複雜且在常溫下具有較高黏度，所以無法直接應用於噴射燃燒系統 或是內燃機設備上，若直接應用於燃燒發電設備上，將衍生眾多污染問 w w w . b z f x w . c o m 2 題。而在輕質石油及柴油日益缺乏的今天，積極尋找其他取代能源是當 務之急。於是近年來，各國對於重質油的利用與研究越趨重視【6-8】 。 重油的種類分很多種，蘊藏量最大的當屬Orinoco tar。專家估計， Orinoco tar的蘊藏量，在委內瑞拉約還有2,670億桶左右；這數量相當於 在中東地區原油蘊藏量的80％。若能妥善開發利用這些新能源用於民生 及工業發電等，對於能源告急的國家來說，會有莫大助益。目前使用重 油來發電的國家包括了，加拿大、丹麥、義大利、日本、立陶宛以及英 國。且日本今年將蓋好第五座以重油為燃料的發電廠，預計一年將消耗 390萬噸的重油，利用重油發電的需求性可見一斑。 近年有發展所謂的 IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle） 氣化複合循環發電系統，其流程如圖 1-1 所示【9】 。IGCC 發電過程的 核心步驟為使