微波辅助煤炭脱硫的多物理场耦合计算研究

李 昊,田文艳,刘 鑫,李泽民

(1.太原科技大学 电子信息工程学院,太原 030024;2.中国移动通信集团 山西有限公司太原分公司,太原 030009)

脱除煤中硫对提高煤炭资源利用率和环境保护具有重大意义[1]。微波脱硫技术的兴起是利用微波加热具有选择性、高效性的优势,对有机化学反应具有独特的促进强化效果,能够加快化学反应速率和缩短反应时间[2]。

刘松等[3]通过硝酸处理无机硫,利用微波联合冰醋酸——双氧水脱除煤中有机硫,并分析冰醋酸和过氧化氢配比、反应时间对脱硫效果的影响。魏蕊娣等[4]在微波脱硫过程中考察了反应体系温度、浸提剂种类对微波脱硫效果的影响,并得出微波脱硫的最佳条件。唐龙飞等[5]通过量子化学方法对煤中各形态硫的脱除机理进行研究,并研究各形态硫对微波的响应规律。但上述通过实验研究煤样脱硫存在实验周期长,且在实验过程中可能由于温度分布不均匀导致热点产生,甚至严重时可能发生爆炸等安全隐患问题。因此,需要通过仿真计算[6]提前预测微波脱硫过程中电场、温度场分布和最佳工艺条件。

本文选取山西省新阳煤矿高硫煤作为研究对象,通过多物理场耦合计算方法对微波脱硫实验过程进行研究。在建立合理的煤样模型基础上,通过实现微波脱硫涉及的多个物理场之间的耦合关系,实现对煤的微波脱硫过程的研究,得到微波脱硫的最佳工艺条件,并分析电场分布的均匀性,讨论温度分布的均匀性,解决热点问题。

1 计算模型

微波脱硫几何模型如图1所示,腔体尺寸为315 mm×325 mm×202 mm.波导在yoz面上,波导口的大小设置为80 mm×22 mm.烧杯的大小设置为直径88 mm、高度为90 mm.玻璃托盘的大小为设置为半径122.5 mm,厚度10 mm.玻璃搅拌桨采用锚式搅拌桨,尺寸设置为60 mm×50 mm×5 mm.位置是放置于烧杯中央位置,距离烧杯底部10 mm.

图1 微波脱硫几何模型图

2 多物理场耦合计算

计算中需要对微波脱硫过程中涉及到的多物理场之间的耦合关系进行分析。

2.1 电磁场方程

反应腔体内电磁场方程组如下所示:

(1)

(2)

∇×H=0

(3)

∇×E=0

(4)

式中:E为电场强度,H为磁场强度,B为介质的磁感应强度,ε0为真空中的介电常数,εeff为复相对介电系数。

微波加热过程中单位体积的功耗Pd(r,t)为:

(5)

式中:D为电位移矢量,J为电流密度,E为电场强度。

2.2 热传导场方程

流体的热传导方程为:

(6)

式中:ρm为等效密度,Cp为等效比热容,Kt为等效热传导系数。

2.3 流体场方程

流体场的设置需要考虑流体是否具有压缩性,本文的煤样微波脱硫体系随着反应的进行,密度和动力学粘度会随着温度和组分的不同而变化,因此将微波脱硫体系作可压缩流体处理。同时通过雷诺数Re确定流体的运动状态,搅拌釜中的雷诺数Re[7]为:

(7)

式中:ρ为液体的密度,N为搅拌桨的转速,r为腔体的半径,μ为液体的动力学粘度。

当Re≤2 300时,层流计算模型能够较好的反映流体场的实际情况,当Re>4 000时,湍流计算模型能够较好的反映流体场的实际情况,当2 300

当搅拌速率N=30 rpm时,Re=2 189,选择层流计算模型能够反映实际情况,当搅拌速率N=40 rpm时,Re=2 627,根据求解精度和计算难度的判断,选择层流计算模型。层流模型应该满足连续性方程和斯托克斯方程:

(8)

(9)

式中:u为流体微团的速度张量,g为重力加速度,F为体应力张量,I为单位张量。

2.4 化学反应动力学方程

反应体系涉及的脱硫反应方程如下所示:

(10)

(11)

式中:SD为含硫化合物、SR为可溶性硫,k1为冰醋酸与过氧化氢反应速率常数,k2为含硫化合物与过氧乙酸反应速率常数。

反应动力学方程和Arrhenius方程如下所示:

(12)

(13)

式中:cSD为含硫化合物的浓度、cCH3COOOH为过氧乙酸浓度、k为反应速率常数,A为正向指前因子、Ef为反应的活化能,R为气体常数值为8.314 J/(mol/K).关于反应动力学计算的具体数值见表1所示。

表1 动力学参数数值[8-9]

2.5 煤样模型的构建

本文选择山西省新阳煤矿高硫煤作为研究对象,在分析和拟合新阳煤样XPS谱图后,得到了表2的关于煤中硫的参数。

表2 煤样的XPS参数表

由表2可以看出,煤中硫可以分为四类:无机硫、噻吩类硫、砜类硫和硫醇硫醚类硫。

为了构建煤样模型,还需要煤样中各元素的含量,如表3所示。

表3 煤样的元素分析数值

在构建煤样模型时,选取无机硫、噻吩类硫、砜类硫和硫醇硫醚类硫作为煤样含硫模型化合物,模型中煤样质量设定为12 g,各种组分按照比例进行设置,各组分的相关参数在3.6节给出,由此通过对煤中组分和参数的定义来构建微波脱硫的煤样模型。

2.6 物性参数

多物理场耦合计算的准确性要求对反应体系各组分的物性参数的准确表达,主要参数是各组分的介电系数和热力学参数。

2.6.1 介电系数

2.45 GHz的介电系数见表4.

表4 2.45 GHz的介电系数[10-11]

2.6.2 热力学参数

该模型中,各组分的热力学参数均随反应体系的温度变化而更新,参数见表5.

表5 各组分热力学参数[12-13]

2.7 初始条件和边界条件

电磁场的设置:

模式为TE10波,频率为2.45 GHz的电磁波;反应腔体和波导设置为完美电导体。

温度场的设置:

初始温度为室温,设置为25 ℃;反应体系上表面与空气接触面和烧杯壁与空气接触面设置为自然对流;烧杯底部与玻璃托盘接触面设置为固体传热。

流体场的设置:

流体场中流体的法向速度设置为0;旋转臂边界设置为搅拌桨的表面。

2.8 计算流程

多物理场耦合计算流程如图2所示。首先初始化各物理场参量,求解一次电磁场方程,进而得到各个物理场的变化情况,更新相关参数后重新开始计算。

图2 多物理场耦合计算流程

3 结果分析

在实现了多物理场耦合计算之后,本文选择分析微波辐照功率、氧化剂配比、辐照温度和辐照时间对脱硫率的影响,并分析搅拌速率对温度分布的影响。

脱硫率η的计算公式如下所示:

(14)

式中:S1为脱硫前煤中硫的含量,S2为微波脱硫后煤中硫的含量。

3.1 微波辐照功率对脱硫率的影响

在冰醋酸与过氧化氢配比1∶1、反应温度80 ℃,辐照时间15 min、搅拌速率30 rpm的条件下。研究了不同微波辐照功率P对煤样脱硫率η的影响,计算结果如图3所示。

图3 微波辐照功率对脱硫率的影响

由图3可知,微波功率越大,脱硫率也就越高。微波功率从300 W增加到700 W时,脱硫率的增长趋势明显,700 W到1 000 W脱硫率的增长趋势趋于平缓。考虑到微波辐照功率越大,物质升温过快,易造成局部热点问题。因此选择微波功率700 W.

3.2 冰醋酸与过氧化氢配比对脱硫率的影响

在微波辐照功率700 W、辐照温度80 ℃、辐照时间15 min、搅拌速率30 rpm条件下,研究了冰醋酸与过氧化氢不同配比V(HAC)∶V(H2O2)对煤样脱硫率η的影响,计算结果如图4所示。

图4 冰醋酸与过氧化氢的配比对脱硫率的影响

由图4可知,在冰醋酸与过氧化氢配比为1∶1时,脱硫率最高。因此选择冰醋酸与过氧化氢配比为1∶1.

3.3 辐照温度对脱硫率的影响

在微波辐照功率700 W、冰醋酸与过氧化氢配比1∶1、辐照时间15 min、搅拌速率30 rpm条件下,研究了不同辐照温度T对煤样脱硫率η的影响,计算结果如图5所示。

图5 辐照温度对脱硫率的影响

由图5可知,辐照温度从60 ℃到80 ℃脱硫率的增长趋势明显,80 ℃到100 ℃脱硫率的增长趋势趋于平缓。考虑到冰醋酸会随着温度升高而挥发速度加快,过氧化氢的分解速率也会随着温度的升高而增大,因此选择最佳反应温度为80 ℃.

3.4 辐照时间对脱硫率的影响

在微波辐照功率700 W、冰醋酸与过氧化氢配比1∶1、辐照温度80 ℃、搅拌速率30 rpm条件下,考察了辐照时间t对煤样脱硫率η的影响,计算结果如图6所示。

图6 微波辐照时间对脱硫率的影响

由图6可知,在一定范围内,煤样脱硫率随着微波辐照时间时间的增加而升高。在15 min后稳定趋于稳定,脱硫率在52%左右。因此选择最佳反应时间为15 min.

3.5 搅拌速率对温度分布的影响

本文通过引入搅拌来改善微波加热的不均匀性,而微波加热的不均匀性主要体现在反应的初始阶段,因此选择研究微波辐照5 min时间段内不同搅拌速率对温度分布的影响。

在微波辐照功率700 W、冰醋酸与过氧化氢配比1∶1、反应体系温度80 ℃,辐照时间5 min条件下,研究了不同搅拌速率N对反应体系最大温差ΔTmax影响,计算结果如表6所示。

表6 搅拌速率对最大温差的影响

然后分析不同搅拌速率对温度均匀性的影响。在搅拌速率为0 rpm、10 rpm、20 rpm、30 rpm、40 rpm时,微波作用3min时的最大温差ΔTmax分别为14.055 ℃、8.918 ℃、3.672 ℃、2.655 ℃、1.853 ℃,可以看出,最大温差随着搅拌速率的增大而减小。在搅拌速率为30 rpm和40 rpm时的最大温差仅相差Tt=3,N=30-Tt=3,N=40=0.802 ℃,对温度均匀性的改善效果不明显。因此选择最佳搅拌速率为30 rpm.

因此,得到最佳微波脱硫工艺条件:微波辐照功率700 W、冰醋酸与过氧化氢配比1∶1、反应体系温度80.0 ℃、辐照时间15 min、搅拌速率30 rpm.

3.6 最佳工艺条件下电场和温度场分布

对最佳工艺条件下烧杯内电场和温度场的分布进行分析,电场分布如图7所示,温度场分布如图8所示。

图7 烧杯内电场分布图

图8 烧杯内温度分布图

由图7可知,烧杯内部的电场强度最大为9 680 V/m,最小为657 V/m,烧杯内部电场分布较均匀,且满足微波加热条件。

由图8可知,最大温差仅为0.7 ℃,温度场分布较均匀且没有明显的热点产生,进一步说明此条件为微波脱硫的最佳工艺。

4 结论

本文通过建立微波脱硫模型,实现对微波脱硫过程的多物理场耦合计算研究。并分析了微波辐照功率、氧化剂配比、反应体系温度、辐照时间对煤样脱硫率的影响和搅拌速率对温度分布均匀性的影响,得到微波脱硫最佳工艺条件为微波辐照功率700 W、冰醋酸与过氧化氢配比1∶1、反应体系温度80.0 ℃、辐照时间15 min、搅拌速率30 rpm.在此条件下煤样脱硫率可达52%,且电场和温度场分布较均匀,无明显热点产生。说明将多物理场耦合计算方法引入微波脱硫研究具有重要意义,此结果可以为煤炭微波脱硫研究提供一定的基础和实践依据。