Моделирование реактора твердосорбентной сероочистки синтез-газа

Abstract

В настоящем исследовании мы рассматриваем систему сухой теплой очистки синтез-газа (WGC). Целью этой системы является удаление сероводорода из синтез-газа без его охлаждения. Внедрение WGC в комбинированный цикл комплексной газификации (IGCC) может значительно повысить тепловую эффективность и снизить капитальные затраты. У WGC есть проблемы с деградацией и истиранием сорбента, которые увеличиваются с повышением температуры синтез-газа. Цель данного исследования состояла в том, чтобы объединить знания о гидродинамике многофазных потоков и химическом механизме процесса WGC в одном совместном моделировании реактора с заглушкой WGC (стояк реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем) и предсказать эффекты деградации при нескольких основных режимах работы реактора. Для достижения поставленной цели мы решили список задач. Был сформулирован вычислительный метод. Модель состояла из стандартных инструментов ANSYS Fluent. Система уравнений сохранения, Навье-Стокса, турбулентности, энергии, массы и действия в частных производных была решена с использованием метода конечных объемов. Было два типа геометрии: холодный CFB и реактор. Холодный CFB (длина 0,1 м, ширина 0,3 м, высота 5 м) состоял из распределительной сетки, зоны смешивания и стояка. Он был дискретизирован в 3D-сетку со 150 тысячами шестигранных элементов. Реактор состоял из стояка. Стояк (диаметр 0,132 м и высота 15 м) был разделен на 2000 растянутых 2D прямоугольных элементов (100 элементов в радиальном направлении, 10 – в осевом). Химический механизм процесса состоял из трех реакций: основной – реакции сульфидизации оксида цинка в сероводороде и двух побочных реакций восстановления оксида цинка в водороде и монооксиде углерода. Скорости реакции были рассчитаны с использованием модели уменьшенного сжимающегося ядра. Кинетические константы были взяты из наших предыдущих исследований, где частотный фактор был зафиксирован за счет включения удельной поверхности сорбента и его пористой структуры. Для анализа качества прогнозов модели были проведены два типа верификационных расчетов. Первый тип расчетов был основан на экспериментальных данных из блока холодных испытаний (VTI experimental testing unit). Мы рассчитали распределение концентраций твердой фазы по высоте стояка, поля скоростей, распределения радиальных скоростей и восходящие и нисходящие потоки массы твердой фазы. Сетка была достаточно тонкой, чтобы обнаружить плотное кольцо твердой фазы вблизи стенок и действительно предсказать нисходящий поток твердой фазы. Второй тип моделирования был основан на экспериментальных данных испытательного блока Министерства энергетики США (DOE). В ходе совместного моделирования (гидродинамика + химия) мы определили объемную долю сероводорода на выходе, массовую долю выпаренного цинка на выходе, скорость конверсии и время пребывания газа и сорбента. Проверенная модель была масштабирована и реализована в промышленном моделировании реактора WGC. Реактор испытывался в трех основных режимах: а) 2,1 МПа 844 К б) 2,1 МПа 923 К в) 3 МПа 844 К. Результаты показали, что температура оказывает наибольшее влияние на сдвиг селективности в сторону побочных реакций, поэтому режимы с температурой 923 К имели наиболее опасные условия для сорбента. Во время первого и третьего режимов скорость основной реакции была достаточно высокой, чтобы быть доминирующей. Настоящее исследование содержит методы и рекомендации для совместного моделирования промышленных систем WGC.

In current study, we consider system of dry syngas clean up (WGC). The aim of this system is to remove hydrogen sulfide from syngas without its cooling. WGC implementation in integrated gasification combined cycle (IGCC) may significantly increase thermal efficiency, and to decrease capital costs. WGC has problems with sorbent degradation and attrition that increase with syngas temperature rise. The goal of this study was to combine knowledge about hydrodynamics of multiphase flows and chemical mechanism of WGC process in one coupled simulation of WGC plug flow reactor (riser of circulated fluidized bed reactor), and to predict degradation effects during several main regimes of reactor operation. To reach the goal we solved list of objectives. The computational method was formulated. The model consisted of standard ANSYS Fluent instruments. System of conservation, Navier-Stokes, turbulence, energy, mass action partial differential equations were solved with the use of finite volume method. There were two types of geometries: cold CFB and reactor. Cold CFB (length 0.1 m width 0.3 m height 5 m) consisted of distribution grid, mixing zone and riser. It was discretized into 3D mesh with 150 thousand of hexahedral elements. Reactor consisted from riser. Riser (diameter 0.132m and height 15 m) was divided into 2000 stretched 2D rectangle elements (100 elements in radial direction 10 – in axial). Process chemical mechanism consisted of three reactions: main – reaction of zinc oxide sulfidization in hydrogen sulfide and two side reactions of reduction of zinc oxide in hydrogen and carbon monoxide. Reaction rates were calculated with reduced shrinking core model. Kinetic constants were taken from our previous studies; where frequency factor was fixed due to include specific surface area of sorbent and its porous structure. Two types of verification calculations were conducted to analyze quality of model predictions. First type of calculations was based on experimental data from cold testing unit (VTI experimental testing unit). We calculated distribution of solid phase concentrations along the riser height, velocity fields, radial velocity distributions and upward and downward mass flows of solid phase. Mesh was fine enough to detect dense ring of solid phase near walls and truly predict downward solid phase flow. Second type of simulations was based on DOE (USA Department Of Energy) testing unit experimental data. During coupled (hydrodynamics + chemistry) simulations we determined volume fraction of hydrogen sulfide on outlet, mass fraction of evaporated zinc on outlet, conversion rate and residence times of gas and sorbent. Verified model was scaled up and implemented in industrial WGC reactor simulation. Reactor was tested in three main regimes: a) 2.1 MPa 844 K b) 2.1 MPa 923 K c) 3 MPa 844 K. Results showed that temperature has the most effect on selectivity shift in direction to side reactions, thus regimes with temperature 923 K had the most hazardous conditions for sorbent. During first and third regimes, main reaction rate was high enough to be dominant. Current study contains methods and recommendations for coupled simulations of industrial WGC systems.