Barracuda介绍及煤化工应用

1. 应用背景
我国既是能源生产大国，也是能源消耗大国。在能源消耗中，煤的贡献率约占70%，是我国主要的动力能源和化工原料。以煤为主的能源消费结构在我国国民经济发展过程中占重要地位。但是，能源为主的消费结构同时也给我国的生态环境造成了巨大压力，我国大气污染物SO2的87%、CO的71%和粉尘烟雾的67%来自于煤的燃烧，发展清洁煤技术，特别是高效、清洁的燃烧技术，在我国能源供应发展中占有特别重要的地位，也是实现可持续发展的战略任务。 目前，煤的加工利用方式主要有煤燃烧、煤气化、煤液化等多种方式。不同的加工利用方式分别满足于不同的使用需求，如煤燃烧发电、煤制合成气、煤制烯烃等用途。对于这些使用需求说，需要采用相应的工艺流程与工艺设备来完成。科学合理的工艺流程和技术先进的工艺设备不仅能提高煤的深加工利用价值与煤制产品的生成率，而且还能显著降低煤加工过程中对周围生态环境产生的破坏与影响。流态化技术由于具有传热和传质速率高，反应速度快的特点，被广泛用于能源工程领域，特别是煤化工等加工过程中。早期对流态化技术的研究与发展，主要以经验计算和试验测试为主。但随着计算机技术与数值模拟方法的飞速发展，人们越来越不满足于经验与试验的方法，而是试图从描述过程的各种微分方程出发，模拟真实流态化工程中的各种传热、传质以及化学反应机理与规律，以此为基础分析预测流态化装置的总体特性，为工程设计和优化等提供理论依据与指导建议。 数值模拟作为研究流态化装置的有力工具，不仅可以缩短开发周期，节约研究费用，还可以获得由于实验条件或测试技术限制在实验中无法得到的宏观与微观信息。Barracuda正是一款专门用于模拟颗粒-流体流动及化学反应的著名商业数值模拟软件。
2. Barracuda简介
Barracuda工程软件包是由美国的CPFD Software,LLC公司开发的专门用于模拟颗粒-流体流动及化学反应的商用软件包，它致力于工业尺度流态化装置的模拟。目前，众多的政府研究机构和世界财富500强企业已选用它来做工厂设计和工艺过程优化。使用Barracuda，我们客户就有了一个可靠的工程设计，我们的自信源自Barracuda的科学依据。
就像真正的梭鱼，Barracuda软件计算快速而功能强大。它是如此的独特，以至于无法找到第二个类似的工程软件!Barracuda在模拟复杂流体/颗粒/热/化学反应现象方面功能强大；它的计算速度快，能够在设计期限内得到一个有意义的准定常特性，允许你迅速地在不同设计之间做出权衡。

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图1 Barracuda GUI主界面
2.1独有的网格生成技术
Barracuda工程软件包包含一个自动化的网格生成器，它可以便利的生成求解器可以高效求解的高质量网格。在网格划分时，用户只需根据模拟对象的几何结构，定义一组封闭的轮廓面，点击一下按钮，即可快速完成网格的自动生成。对于复杂的结构，还允许用户进行网格局部加密。网格自动生成技术大大简化建模前处理工作，使得分析人员能够投入更多的时间来完成模型的求解计算与结果分析。

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图2网格生成器界面
2.2先进的数值求解技术
CPFD是基于Eulerian – Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度，Eulerian – Eulerian模型可以模拟密集颗粒流附近的颗粒间应力，但若考虑到颗粒的类型和尺度分布，连续方程将异常复杂，因为需要对每一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian – Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法，它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度和速度等。尽管如此，对于颗粒体积分数较高的情况，颗粒间的碰撞频率极高，采用真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。
CPFD技术借鉴了MP-PIC（multiphase particle-in-cell）方法，对颗粒相进行了双重处理方法，即颗粒既被视为是连续介质，也被视为是离散体。将颗粒应力梯度（在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算）处理成流体网格上的梯度，然后插值到离散颗粒体上；而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子，这种算子计算速度高，且可以保证全局及局部的守恒。这样，CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖——网格上颗粒法相应力计算所需要的；更重要的是，颗粒相和流体相隐式的耦合起来，能够对稀疏到密集的任何颗粒体积分数的颗粒-流体系统求解计算，为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。 ——用户任意定义颗粒尺度分布 ——不受限的颗粒和气态物质组分 ——质量、动量和能量的完全守恒，流体、颗粒动量紧耦合(完全隐式） ——颗粒应力张量；颗粒-颗粒碰撞；颗粒-壁面反弹
2.3Barracuda在流化模拟方面的三大优势
Barracuda对流化模拟的需求完全匹配。它所具有的以下三大优势，确立了它在流化装置模拟中的领先地位。
2.3.1准确模拟颗粒流动的基本机理
在最基本的层面，Barracuda可以正确地获得颗粒流动的机理。使用固定网格的欧拉方法模拟气相和液相，这与传统CFD方法一样；而将颗粒状固体用拉格朗日（无网格）方法模拟为大量离散体。Barracuda甚至可以捕获由颗粒尺度分布（PSD）引起的所有重要机理。 用户也可以指定任意的颗粒尺度分布，定义不限数量的组分，如煤和沙子。其它机理包括完全耦合的流体-颗粒曳力、真实的壁面冲击和反射、涉及颗粒固体的化学反应、由于气化而导致颗粒尺度缩小。
2.3.2经历流化实验数据的验证
为了验证Barracuda软件的精确性和准确性、捕获大型实验系统里的复杂流化特性，CPFD Software,LLC公司加入并成为颗粒固体研究公司（PSRI）的完全会员，可以分享PSRI的实验数据。PSRI也是Barracuda的用户，它使用Barracuda设计实验。利用公开文献数据作了大量验证性研究，同时也经历了用户专有数据的多次验证，Barracuda软件已被证明是目前最好的流化模拟工具，尤其适用于各种过程工程行业。

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图3流化实验数据验证
2.3.3快速计算——突破数值计算的瓶颈
为了帮助工厂做出准确、高效的设计和工艺过程优化决策，对流化装置的模拟必须具备以下四个条件：
（1） 完全三维模拟；
（2） 所模拟颗粒的尺度范围宽、数量大。颗粒的最小尺度可达2微米，最大尺度则取决于流体网格的大小。一般情况下，Barracuda模拟颗粒的尺度范围在5微米～10毫米之间，模拟的颗粒数量可达到1016， 颗粒的总质量可达数百吨；
（3） 计算速度必须满足设计反复迭代的需要，可以很快获得有意义的准稳态特性；一般情况下，对于实验室尺度的问题，计算可在数分钟至数小时内完成，对于工业尺度的大规模问题，一般计算时间为数小时至数天；
（4） 必须包含参数化和快速权衡不同设计的能力。确保可以得到最优化的设计。
Barracuda可以同时满足上述四个条件，这得益于CPFD Software,LLC公司专有的数值技术——CPFD（计算颗粒流体力学）。CPFD数值方法已经由公司的创始人之一——Dale 博士在计算物理杂志（Journal of Computational Physics）和其它行业认可的期刊上发表。
3. 煤化工应用案例
煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为其气、液、固体燃料以及化学品的过程。现代煤化工以发展清洁煤技术为基础，不断提高煤的综合利用价值和降低对生态环境的污染和破坏。流态化技术以其传热效率高、传质速率高、反应速度快的特点，被广泛应用于现代煤化工过程当中。流态化技术的研究与发展，对于发展清洁煤技术具有显著的促进作用。 Barracuda作为一款致力于工业尺度流态化装置的工程模拟软件，能够广泛应用到煤化工各个过程的设计开发过程中。它能够处理从稀相到稠相任何复杂程度的气固两相流，可以考虑气-气、固-固及气-固之间的各种化学反应。对于颗粒流动的模拟，能够给定任何浓度任何尺度，考虑颗粒碰撞、颗粒磨损、颗粒反弹等实际颗粒运动机理。因此，它已被众多的世界著名厂商选用应用到实际工程的设计开发当中。
Barracuda具体可应用到煤粉下料、气力输送、煤粉燃烧、煤气化等各个过程设备的设计、放大、优化和控制当中，实际应用案例如下：
3.1煤粉料仓下料
煤粉料仓下料作为煤化工的上游加工处理环节，其工作性能的好坏直接影响着煤化工后续过程各个环节的顺利进行与完成。不同结构尺寸的料仓、不同粒径分布的煤粉颗粒、不同流量的通气操作条件等诸多因素共同影响着煤粉料仓的下料速度及质量流量。因此，在料仓的设计开发过程中，往往需要对料仓结构与操作条件进行反复的优化设计与测试。

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图4料仓几何结构及网格化

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图5料仓煤粉颗粒体积分数分布

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图6料仓空气压力分布 在本案例中，借助于Barracuda强大的颗粒流化模拟能力，分析人员模拟分析了不同结构尺寸料仓与不同操作条件对煤粉下料的影响，如料仓锥角、通气速度、通气高度等影响参数。对于各个计算结果，还可以分别定义输出煤粉颗粒的体积分数变化、料仓空气压力分布、料仓煤粉颗粒下料速度等所需结果参数。通过多个工况的模拟计算，分析人员成功对各种设计方案及操作条件进行了评估与分析。
3.2煤气化器
煤气化技术是一种能够将煤转化为电力或合成气（CO和H2混合气）的多功能、清洁的方法。与煤粉直接燃烧相比，气化技术对煤粉进行脱挥发分作用并与通入的空气、氧气或者蒸汽反应，将煤炭或者其它有机燃料分解成基本的化学成分（如H2、CO、CO2、H2O等）。气化过程通常是吸热过程，热量由内部换热器或者部分燃烧放热提供。气化器结构分为：固定床气化器（上吹式或下吹式），气流床气化炉和流化床气化炉。Barracuda可应用于各种结构气化器的研究分析中，本案例仿真对象为流化床气化炉。

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图7气化器几何结构及模拟结果

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图8反应速率与气体摩尔数
在流化床煤气化过程中，不同的气化参数如气化剂、水煤比、煤氧比等对气化温度、碳转化率、冷煤气效率以及最终煤气组成有很大影响。为了得到能够满足下游合成工艺要求的最优操作条件，得到不同气化剂和气化操作条件对流化床煤气化过程效率和煤气成分的影响规律。案例中利用Barraduda软件成功的进行了气化器的仿真分析，准确地预测了颗粒-流体流动特征，如热斑、沟流、节涌、冲蚀等现象，揭示了化学反应与固体浓度、反应温度、气体组分浓度之间的依赖关系。
3.3旋风分离器
旋风分离器作为循环流化床的重要分离机构，在煤化工等许多行业得到广泛的应用。其主要作用是将大量高温固体燃料从气体中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室的循环倍率和良好的流态化状态，达到理想的燃烧和脱硫效果。旋风分离器的分离性能直接影响整个循环流化床锅炉总体设计、系统布置及锅炉运行性能。旋风分离器内部为复杂的气固两相流流动，需要考虑气固两者之间的耦合作用、颗粒之间以及颗粒与壁面之间的碰撞作用。因此，旋风分离器的设计主要依靠以往经验和实验研究。近年来，随着数值模拟技术的不断发展，计算机模拟越来越多的应用到旋风分离器的设计开发与研究中来。

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图9旋风分离器几何结构及网格化

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图10煤粉与气体组分变化（a）

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图11煤粉与气体组分变化（b） Barracuda软件先进的数值求解技术，使得任意颗粒尺度分布与颗粒体积分数颗粒流体系统的模拟变得切实可行。在本案例中，利用Barracuda成功的模拟分析了旋风分离器的气固流动特性，得出该分离器的分离效率与压降损失情况。此外，通过改变尺寸参数和调节操作条件优化提高了该旋风分离器的分离性能。
3.4循环流化床
循环流化床燃烧器具有NOx排放低、燃料选择灵活的优点，并且利用石灰石可以捕获其中98%的硫，这得益它对炉内流化床的利用。许多客户成功地应用Barracuda帮助理解复杂的炉子特性，如燃料-空气驻留时间、固体循环、床夹带速率及局部冲蚀。同样也可以优化循环流化床装置的大型旋流器，减轻回路密封的倒置特性。

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图12循环流化床几何结构与网格化

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图13循环流化床内部气压分布图

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图14空气与颗粒的质量流变化 Barracuda作为一款面向工业尺度流态化装置的模拟软件，计算快速并且功能强大，能够对复杂的流体/颗粒/传热/化学反应等进行准确模拟。本案例中的客户，通过使用Barracuda软件对循环流化床开展了多组工况的仿真计算，预测分析了流化床内复杂的气固流动特性，并以此为基础优化了循环流化床的运行操作条件，提高了该循环流化床的燃烧效率。