乏风瓦斯蓄热氧化床阻力特性的数值模拟.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第35卷第6期煤 炭 学 报Vol . 35 No. 6 2010年6月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJune 2010 文章编号 0253 - 9993 2010 06 - 0946 - 05 乏风瓦斯蓄热氧化床阻力特性的数值模拟 刘永启,张振兴,高振强,刘瑞祥,郑 斌 山东理工大学 交通与车辆工程学院,山东 淄博 255049 摘 要基于自行开发的煤矿乏风热逆流氧化试验装置,采用多孔介质均质模型,建立了煤矿乏风 蓄热逆流氧化的控制方程组和化学反应方程,模拟研究了氧化床运行参数、 蜂窝陶瓷的结构参数和 物性参数对氧化床的流动阻力和出口温度的影响规律。计算结果表明在气流方向切换瞬间,氧化 床的压强损失瞬时增大,经过1～2 s后趋于稳定;随着进入氧化床的乏风气体表观速度的增加,压 强损失和出口温度都增加;乏风甲烷浓度对压强损失影响较小;提高蜂窝陶瓷的孔隙率,可以有效 降低阻力损失,但是蓄热能力明显下降;提高比热容,有利于氧化装置稳定运行;随着当量直径的增 加,压强损失显著降低。 关键词煤矿乏风;热逆流氧化装置;压强损失;计算流体力学 中图分类号 X511 文献标志码A 收稿日期 2009-12-16 责任编辑许书阁 基金项目国家高技术研究发展计划863重点资助项目2009AA063202 ;山东省自然科学基金资助项目Y2006F63、ZR2009FQ023 ;淄博 市科技攻关项目20062502 作者简介刘永启1965 , 男,山东枣庄人,教授,博士。Tel 0533 - 2782616, E - mail liuyq1631com Numerical si mulation on resistance of the regenerative oxidation bed for ventilation a ir methane L IU Yong2qi, ZHANG Zhen2xing, GAO Zhen2qiang,L IU Rui2xiang, ZHENGBin School of Traffic and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China AbstractThe control equations and chemical reaction equation about coalmine ventilation airmethane ther mal oxida2 tion were proposed for a self2developed thermal reverse2flow reactor . The effects of flow resistance and outlet tempera2 ture were studied under operating parameters of the oxidation bed, structuralparameters and physical parametersof ho2 neycomb ceramic by using homogeneousporousmediamodel . The results show that the oxidation bed resistance instan2 taneously increaseswhile s witching the direction of airflow, gradually stabilizes after 1～2 s . W ith the increase of venti2 lation airmethane superficie velocity, pressure loss and outlet temperature of the oxidation bed increase. The methane concentration has less effect on pressure loss . W ith the increase of porosity of ceramic honeycomb, pressure loss de2 creases obviously, but regenerative capacity decreases obviously . W ith the increase of specific heat, operation stability of ther mal reverse2flow reactor increases . W ith the increase of equivalent diameter, pressure loss decreases significant2 ly . Key wordsventilation airmethane VAM ; thermal reverse2flow reactor; pressure loss; computational fluid dynamics 煤矿瓦斯的主要成分为甲烷,是一种温室气体, 以100 a计甲烷的温室效应是CO2的21倍,对大气臭 氧层的破坏能力为CO2的7倍 [1 ]。近年来 ,我国通 过煤矿乏风排放甲烷为150多亿m 3 标准。如果将 此乏风瓦斯利用起来,约折合2 300万t标准煤,可以 减排2亿t当量CO2。煤矿乏风瓦斯浓度非常低,难 利用传统燃烧器直接进行燃烧。MEGTEC [2 ]、 山东理 工大学 [3 ]等先后开发了热逆流反应技术 ,用于氧化 煤矿乏风瓦斯,并回收其中的热量; CANMET开发了 煤矿乏风瓦斯催化逆流反应技术 [4 - 7 ] ,但是未见其商 业应用的报道。 蓄热氧化床是煤矿乏风瓦斯氧化装置的关键部 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期刘永启等乏风瓦斯蓄热氧化床阻力特性的数值模拟 件之一,过去的研究开发主要集中在提高氧化床工作 稳定性和甲烷氧化效率方面,对其流动阻力的研究较 少。而氧化床流动阻力是氧化装置的主要能耗之一, 其大小影响到乏风氧化装置进风的速度、 流量和风机 功率的选择 [8 ]。张小成[9 ]建立了蜂窝体蓄热室流动 与换热过程的三维非稳态数学模型,运用计算流体力 学CFD软件对陶瓷蜂窝体的工作过程进行了数值 模拟,得到压强与蜂窝体长度与烟气入口速度的关 系;高阳 [10 ]用实验的方法对高温空气燃烧技术的蓄 热体进行研究,得到流量、 换向时间、 炉膛温度、 蓄热 室高度和蓄热体规格对阻力损失的影响;夏积恩 [11 ] 对逆流式催化燃烧反应器在冷态条件下的流动与阻 力特性进行了试验研究,研究了反应器在不同填料高 度、 床层表观流速和换向周期下阻力损失特性和动态 响应规律。先期的文献主要集中在对蓄热体或催化 燃烧反应器进行实验模拟研究,对于无催化化学反应 的蜂窝陶瓷研究的报道比较少。本文利用Fluent软 件,采用多孔介质均质模型,模拟研究了氧化床运行 参数、 蜂窝陶瓷的结构参数和物性参数对氧化床的流 动阻力和出口温度的影响规律。 1 数学模型的建立 111 计算模型 本文模拟计算的对象是自行开发的、 处理能力为 800 m 3 /h煤矿乏风热逆流氧化试验装置,其蓄热氧 化床是由许多个蜂窝陶瓷组成的一个600 mm 600 mm2 100 mm立式结构固体床,气流在氧化床 内上下流动。由于氧化床内的气流通道分布均匀,气 流通道当量直径远小于氧化床的尺度,所以可以把蓄 热氧化床看作均匀多孔介质,采用当量连续法进行模 拟 [12 ]。 112 控制方程组 甲烷蓄热氧化反应的模拟涉及到热传导、 对流、 辐射和化学反应诸方面,如果对其详细模拟,则运算 量较大。假设 1选用甲烷和空气的混合物作为反应物,气体 看作理想气体,遵循理想气体状态方程,混合气的平 均分子量、 定压比热、 导热系数和动力黏度等均由各 组分按理想气体混合法则求得; 2在氧化床入口处及任一截面上,气流分布均 匀,且流速不随时间变化; 3在气流通道内,气体速度低,雷诺数较小,流 动可视为层流; 4氧化床外壁面是绝热的; 5蜂窝陶瓷的气流通道内表面为光滑表面,蜂 窝陶瓷的表面积及质量分布是均匀的,各物性参数恒 定不变。 本文控制方程为质量守恒方程、 动量守恒方程、 能量守恒方程和组分质量守恒方程。 混合气质量守恒方程为 5 ρ f 5t （ ρ f v 0 式中,ρf为流体的密度, kg/m 3 ;v为流体的速度,m /s。 在流速较低的多孔介质中,雷诺数较小,惯性力 可以忽略不记。多孔介质模型的Darcy定律可作为 动量守恒方程,即 ｐ＝－μ αv 式中, p为单位长度上的压强, Pa/s;μ为流体的黏 性系数, Pas;α为多孔介质的渗透性,m 2。 能量守恒方程为 5 5t [φ ρfhf 1-φρshs] ρfvhf （ ｋ eff Ｔ ）＋φdp dt 式中,下标f、s分别表示流体和固体;hf为流体的比 焓, J /kg;keff为介质的有效热传导系数,W / mK ; φ为蜂窝陶瓷的孔隙率。 多孔区域的有效热传导率keff是由流体的热传导 率和固体的热传导率的体积平均值计算得到,即 keffφkf 1-φ k s 组分质量守恒方程为 5 5t ρYi （ ρ ｖ Ｙi - Ji Ri 式中,Yi为组分i的质量分数;Ji为物质i的扩散通 量, kmol/ m 3 s ;Ri为化学反应的净产生速率,mol/ m 3 s 。 113 化学反应方程 选择甲烷氧化燃烧单步反应作为计算模型。煤 矿乏风瓦斯浓度比较小,考虑过量空气系数m的化 学计量式为 CH4 2m O 2 3176N2→CO2 2H2O 2 m- 1O2 2m 3 176N2 选用层流有限速率模型,使用Arrhenius公式计 算化学源项,忽略湍流脉动的影响。Arrhenius公式 为 k Are - E / RT 式中,Ar为前指数因子,Ar 2111910 11 m 3 / mol s ;E为活化能,E20217 MJ / kg mol 。 114 边界条件和初始条件 1质量进口TT0 300 K,YCH4YCH4, in,YO2 749 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2010年第35卷 YO2, in。 2压强出口出口压强为0。 3外壁面T 300 K,且在外壁面设置热流通 量为0。 4换向为瞬间完成,换向时把质量进口改为压 强出口,原先的压强出口改为质量进口边界条件。 本文在计算时忽视氧化床启动过程,把多孔介质 初始温度设置为氧化装置能够自行维持氧化的温度。 计算的气体流动方向切换时间为30 s,工作周期为 60 s。 2 计算结果与讨论 211 流向变换对氧化床动态压强分布的影响 在煤矿乏风气体以表观速度为1 m /s进入氧化 床蜂窝陶瓷孔径为3 mm,孔隙率为01 56 的情况 下,计算氧化床上、 下两端入口处的动态压强分布,如 图1所示。氧化床入口处的动态压强分布随着氧化 床气流方向改变,以矩形波的形式呈现周期性变化。 且在气流方向切换的瞬间,压强损失瞬时增大,并经 过1～2 s后趋于稳定,该变化趋势与文献[11 ]试验 结果相吻合。主要原因是在气流切换瞬间,氧化床中 流动的气体仍有惯性,导致压力瞬时增大,于是出现 切换后的压力突变。由于氧化床为上下对称结构,氧 化床上、 下两端入口处的动态压强相差不大,相位相 差180 。 图1 氧化床上、 下端面动态压强分布 Fig11 The dynamic pressure at upper and lower end of the oxidation bed 212 流体表观流速对氧化床阻力损失的影响 流体表观速度是指单位多孔介质截面上在单位 时间内通过气体的体积。图2为在煤矿乏风中的甲 烷体积分数为1工况下,气体通过氧化床的压强损 失和气流在换向后30 s时的出口温度随表观流速的 变化曲线。 从图2可以看出,随着表观速度的增加,压强损 失几乎成线性比例关系增加;而气体出口温度开始增 加缓慢,在表观速度大于016 m /s后,气体出口温度 增加较快。在多孔介质层流中,动量公式主要是Dar2 cy阻力,所以表现出压强损失与速度的这种比例关 系。随着表观流速的增加,流入多孔介质的甲烷质量 增加,甲烷氧化释放的热量相应增加;同时由于气流 速度增加,氧化后的热气体与氧化床进行热交换的时 间减少,一些热量来不及被氧化床充分吸收,因此气 体出口温度升高。对于结构和尺寸一定的氧化床来 说,流体表观速度高,表示氧化床处理煤矿乏风的量 大,处理效率高,但是其流动阻力和出口温度增大,增 加了风机能耗,并且降低了热量回收率。因此,应合 理选择流体表观速度。 图2 压强损失和出口温度随表观速度的变化 Fig12 The effect of superficial velocity on the pressure loss and outlet temperature 213 甲烷浓度对氧化床阻力损失的影响 图3给出了不同甲烷体积分数的煤矿乏风以 1 m /s表观速度进入氧化床后的压强损失和出口温度 变化曲线。可以看出,压强损失和出口温度都随着体 积分数的增加而增加,但增加幅度很小。甲烷体积分 数从014增加到114 ,压强损失仅增加了28 Pa, 出口温度也只增加112 K左右。所以煤矿乏风中的 甲烷体积分数对气体流动阻力和出口温度影响不 大。 214 孔隙率对氧化床阻力损失的影响 在煤矿乏风中的甲烷体积分数为1工况下,气 体以1 m /s的表观速度进入由不同孔隙率蜂窝陶瓷 组成的氧化床,其压强损失和出口温度的变化曲线如 图4所示。从图4中可以看出,压强损失随着孔隙率 的增大而显著降低,而出口温度却增加。孔隙率由 015增大到018,压强损失由3 620 Pa降低到180 Pa, 849 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期刘永启等乏风瓦斯蓄热氧化床阻力特性的数值模拟 图3 压强损失和出口温度随甲烷体积分数的变化 Fig13 The effect ofmethane concentration on the pressure loss and outlet temperature 降低了95;而出口温度则由339 K增加到367 K, 增加了28 K。多孔介质的孔隙率是多孔介质空隙所 占的份额。孔隙率增大,单位体积的固体介质减少, 氧化床的流通能力增强。密度与比热容的乘积代表 蓄热体的蓄热能力。孔隙率增大,蓄热体的密度减 小,蓄热能力降低,因此气体的出口温度增加。 图4 压强损失和出口温度随孔隙率的变化 Fig14 The effect of porosity on the pressure loss and outlet temperature 由上述结果可以看出,提高蜂窝陶瓷的孔隙率, 可以有效降低氧化床的阻力损失,但是氧化床的蓄热 能力也明显降低。由于煤矿乏风中的甲烷体积分数 非常低,要求氧化床有很强的蓄热能力才能够达到维 持自运行的氧化温度,因此,在确定蜂窝陶瓷的孔隙 率时应根据氧化床各部位的功能及要求,综合考虑阻 力损失和蓄热能力等因素。在氧化床的入口处和出 口处,气体的温度较低,流通阻力相对较低,应选用孔 隙率小的蜂窝陶瓷,以提高其蓄热能力,保证高温氧 化区域的宽度,有利于氧化床的稳定运行。在氧化床 中部高温氧化区域,气体因温度升高而体积膨胀数 倍,应选用孔隙率高的蜂窝陶瓷,以有效降低氧化床 的流动阻力。 215 比热容对氧化床阻力损失的影响 保持煤矿乏风甲烷体积分数为1、 入口气体表 观速度为1 m /s、 氧化床蜂窝陶瓷孔径为3 mm、 孔隙 率为0156,压强损失和出口温度随比热容的变化曲 线如图5所示。结果表明,与其他参数相比,蜂窝陶 瓷的比热容对气体出口温度影响较大。比热容从 400 J / kg K 增加到1 400 J / kgK ,氧化床出口 的气体温度可以降低52 K,效果非常明显。压强损 失也随着比热容的增加而降低,但总共降低了48 Pa, 因此,比热容对压强损失影响不大。蜂窝陶瓷的蓄热 能力与比热容成正比,而比热容取决于蜂窝陶瓷的材 质和结构。因此,可以通过合理的选择蜂窝陶瓷的材 质和结构,增大蜂窝陶瓷的蓄热能力,提高氧化床的 运行稳定性。蜂窝陶瓷的蓄热能力增大,可以降低氧 化床内部的温度曲线移动速度,延长换向时间,减少 了换向次数和对蜂窝陶瓷的热冲击次数,提高了氧化 装置的使用寿命。 图5 压强损失和出口温度随比热容的变化 Fig15 The effect of speicific heat capacity on the pressure loss and outlet temperature 216 当量直径对氧化床阻力损失的影响 改变蜂窝陶瓷的当量直径,保持其他参数不变, 压强损失和出口温度变化曲线如图6所示。 图6 压强损失和出口温度随当量直径的变化 Fig16 The effect of equivalent diameter on the pressure loss and outlet temperature 从图6可以看出,随着当量直径的增加,压强损 失显著降低,而出口温度只有微小变化。这是由于在 孔隙率一定的情况下,由气体连续方程可知,进入多 孔介质单孔的物理速度是一样的。但由于孔的当量 直径不一样,由牛顿内摩擦定律可知,气体之间的内 摩擦力与当量直径成反比,所以压强损失随着当量直 径的增加而降低。由于其他参数不变,蜂窝陶瓷的蓄 949 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2010年第35卷 热能力是相同的,所以出口温度也就变化不大。 3 结 论 1在气流方向切换瞬间,氧化床的阻力损失瞬 时增大,并逐渐趋于稳定,其稳定时间一般为1～2 s。 2随着进入氧化床的乏风气体表观速度的增 加,压强损失几乎成线性比例关系增加;而气体出口 温度开始增加缓慢,在表观速度大于016 m /s后,气 体出口温度增加较快。乏风甲烷浓度对压强损失和 出口温度影响较小。 3蜂窝陶瓷结构参数和物性参数对氧化床的 性能影响较大。提高蜂窝陶瓷的孔隙率,可以有效降 低氧化床的阻力损失,但是氧化床的蓄热能力也明显 减少;增加比热容对压强损失影响不大,但可以显著 提高氧化装置运行稳定性;随着当量直径的增加,压 强损失显著降低。 参考文献 [1] Gosiewski K,Matros Y S,Warmuzinski K, et al . Homogeneous vs . catalytic combustion of lean methane2airmixtures in reverse2flow re2 actors[J ]. Chemical Engineering Science, 2008, 63 10 5 010 - 5 019. [2] 理查德 马特斯.逆流反应器矿井乏风瓦斯发电技术简介[J ]. 中国煤层气, 2004, 12 44 - 46. Richard Mattus . Introduction of the vocsidizer technology in power generation utilizingVAM[J ]. China CoalbedMethane, 2004, 12 44 - 46. [3] 郑 斌,刘永启,刘瑞祥,等.煤矿乏风的蓄热逆流氧化[ J ].煤 炭学报, 2009, 34 11 1 475 - 1 478. ZhengBin,Liu Yongqi, Liu Ruixiang, et al . Oxidation of coal mine ventilation airmethane in thermal reverse2flow reactor [ J ]. 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