基于CFD模拟的SJ低温干馏方炉流场分布及煤焦油形成动力学研究

On the basis of completed project “Study on Semi-coking Wastewater Treatment and Macro-Kinetics” of Youth Science Foundation, this project is aimed at providing the basic data of SJ low-temperature carbonization furnace, established physical model of internal heat low-temperature carbonization process according to the operation conditions, then the numerical simulation study on flow furnace gas, gas burner, gas-solid heat transfer and coal decomposition were assumed in CFD software by standard k-ε model, finite-rate / eddy-dissipation model, P-1 radiation model and porous medium model respectively, and the formation mechanism of coal tar has been studied by radical reaction model. At last, on the basis of material balance and energy balance, the structural parameters of coal and associated reactive were substituted as the kinetic parameters into UDFs (User Defined Functions), and molecular dynamics model of coal pyrolysis in complex field (temperature and pressure) conditions was established to simulate kinetics process of bond-breaking reaction, condensation reaction, hydrogen evolution reaction, addition and substitution reaction, hydroxyl reaction and carboxyl reaction. The chemical reaction kinetics and the physical chemical mechanism of the low-temperature carbonization process under the complex external fields were studied from the combination of theory and experiment, which will meet the needs of the special production for the Energy and Chemical Industry Base in Northern Shaanxi.

在已结题青年科学基金"兰炭废水处理及宏观动力学研究"基础上，本课题针对SJ低温干馏炉热解基础数据缺失的现状，依据工况建立内热式低温干馏过程的物理模型，选用CFD软件中的标准k-ε模型、计算有限速率/涡耗散模型、P-1辐射模型和多孔介质模型对炉内的气相流动、气体燃烧、气固传热、煤分解过程分别进行数值模拟研究，采用自由基反应模型研究煤焦油的形成机理，并在干馏炉物料衡算、能量衡算基础上，将煤结构参数及与之相关的反应性作为动力学参数代入UDFs(用户自定义函数)，建立复杂外场（温度、压力）条件下煤热解的分子动力学模型，模拟键断裂反应、缩合反应、析氢反应、加成取代反应、羟基反应、羧基反应等反应动力学过程，从理论和实验相结合的角度，系统研究复杂外场条件下低温干馏过程中的化学反应动力学、物理化学机理，它对于满足陕北能源化工基地特殊的生产需求有着极其重要的作用。

本课题以5万吨SJ型兰炭干馏炉为研究对象，在对干馏炉进行物料衡算和热量衡算基础上，利用ANSYS前处理软件icem，按照SJ型低温干馏方炉的实际尺寸进行三维建模及网格划分，采用标准k-ε模型模拟炉内气体的流动，采用有限速率/涡耗散模型模拟炉内混合气的燃烧，采用P1辐射模型模拟炉内传热过程，选用多孔介质模型近似代替炉腔内煤层，建立SJ方炉的数学模型，研究不同粒径入炉煤的温度场、压力场，并与实际工业生产中工况进行对比。同时以神府煤为热解原料煤，探索了直接催化热解、间接催化热解以及协同作用，优化了热解煤气和焦油组分分布的条件，阐明了煤催化热解形成煤焦油的机理，建立了煤直接催化热解动力学模型。结果表明：当入炉煤粒径由大变小时，炉内温度降低、压力增大、干馏区体积百分率下降速度逐步加快，但不同粒径下流场的分布趋势相似，炉内最高温度近似呈线性下降，最高压力近似呈指数增长；相同粒径下随着炉腔内煤层高度逐步增加，同一高度处的温差逐步缩小，其数值模拟结果与工业实践相比温度误差低于6.25%，压力误差低于12.8%。部分溶解的Fe2(SO4)3催化剂比完全溶解的Fe2(SO4)3对焦油产率尤其是脂肪烃和酚类物质的含量的提高效果明显，其主要原因是因为Fe2(SO4)3在半溶解状态下暴露出一定的活性位点，促进了催化剂的活性。Ni3Co5Z（3%Ni-1%Co-ZSM）催化剂对煤热解气体中H2和CH4的含量变化最为明显，原因与Ni催化剂有利于甲基侧链的裂解与加氢，使煤中的脂肪侧链更易受热裂解和Co催化剂促进了煤中长链烃的裂解以及聚合反应、环化反应和芳构化反应有关。Fe2(SO4)3与Ni3Co1Z催化剂协同，抑制了热解煤气的产生，也对煤焦油中各组分相对含量产生重要影响。用Coats-Redfern积分法拟合计算了煤直接催化热解动力学参数，数据拟合基本符合一级动力学，且高温段的活化能高于低温段的活化能，随着Fe2(SO4)3催化剂比例的不断增加，各区域的活化能呈现先减小后增大的趋势，证实了煤在高温条件下反应转化率高和催化剂对神府煤有明显的催化作用，该工作对进一步研究SJ干馏提供了重要的理论依据。