气流床气化炉数值模拟中化学反应模型的对比

杨晋芳 于清航

（煤炭科学研究技术研究院有限公司节能工程技术研究分院，北京 100013）

1 化学反应模型的介绍

Fluent中的反应模型主要分为三种，一种为快速反应模型，包括涡耗散模型、预混燃烧模型、非预混燃烧平衡模型、部分预混模型；另外一种为有限速率模型，包括层流有限速度模型、涡耗散概念模型、概率密度输运燃烧模型和层流小火焰模型（稳态/非稳态）。最后为其它一些模型，包括离散相模型、污染物形成模型和表面反应。如果流动为层流，则可直接选择层流有限速率模型，如果流动为湍流，则需进一步考察[1]。

气化炉内流动属于湍流，对于燃料和氧化剂通过多股射流，以非预混的形式送入炉内，可以考虑选择有限速率/涡耗散模型、非预混模型、涡耗散概念模型和PDF组分输运模型。文中将有限速率/涡耗散模型与涡耗散概念模型进行对比。

2 模拟对象

本文数值模拟的对象为气化炉三维空间，模型及计算网格如图1所示。

图1 模型及计算网格

3 模拟结果与分析

3.1 速度场的对比

炉内存在流体力学各异的三个区，即射流区、回流区和管流区。在喷嘴附近为射流区。在射流喷出的周围空间内形成回流区。射流衰减到一定程度，则形成管流区，一直延伸到炉膛出口。图2中左图为使用涡耗散概念模型模拟的速度场，可以看出左图流场均匀，射流区内速度从上到下逐渐减小，射流的宽度也逐渐增大；回流区中速度在炉体中间最大；管流区中，由于受缩口的影响，速度有所增加。右图为有限速率/涡耗散模型模拟的速度场，速度场向右偏移，流场不对称，而且也看不出炉内的三区分布。

图2 轴向速度分布

图3 气化炉内气体温度分布

3.2 温度场的对比

气化炉的温度分布如图3所示。左图为使用涡耗散概念模型模拟的温度场，从图中可以看出，气化炉内存在明显的火焰结构。喷嘴出口附近存在一个高温区，射流区温度比回流区内温度高，高温区延伸至回流区底部。从上到下，炉体整体温度先升高后降低。右图为有限速率/涡耗散模型模拟的温度场，可以看出，整体温度场看不出明显的火焰结构，下部高温区向左偏移，出现不规则高温区。

3.3 出口气体对比

表1 中所示为两种模型模拟的气化炉内主要气体的体积分数与文献值[2]的对比。

表1 模拟值与文献值的比较

从表中可以看出，涡耗散概念模型模拟的结果与文献值相近，而有限速率/涡耗散模型模拟结果与文献值相差较大，模拟效果不理想。

4 结语

从速度场、温度场以及出口气体成分的对比来看，涡耗散概念模型在气流床气化炉的模拟上较有限速率/涡耗散模型更为可靠。

[1]李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战[M].人民邮电出版社，2011，138-140.

[2]张宗飞，汤连英，吕庆元，等.基于Aspen Plus的粉煤气化模拟[J].化肥设计，2008，46(3)：14-18.