间歇式煤气化技术的数值研究

论文摘要

本文根据某公司间歇式煤气化炉生产工况,从设备结构、操作工艺等方面进行研究。运用计算机技术,通过对煤气化工艺设备进行数值模拟,将实际的工艺过程在计算机上虚拟实现,获得可视化的生产工况。通过分析模型内部各物理量的分布规律来调整模型的设计参数,主要进行了以下工作：1)根据化学反应动力学原理对炉膛内各种反应进行了模拟,阐明了影响煤气化炉制气效率的主要因素是炉膛蓄热量的波动。对于间隙式煤气化炉的热态模拟研究表明：制气效率与炉膛内的蓄热量有着密切的联系,炉膛无法提供持续的热量导致制气效率不高。2)运用Fluent软件中的多空介质模型对煤气化炉炉膛进行冷态模拟,将结果与生产数据进行比较,证明多空介质模型模拟间歇式煤气化炉的可行性。研究表明,炉膛内填充介质空隙率的变化会对气化剂的分配产生影响。气化剂的分配有趋中现象,最大布风区域随填充介质的空隙率不同而发生变化,这是引起煤气化炉工况波动的主要原因之一3)本文提出采用数值模拟方法研究间歇式煤气化炉。通过对不同结构的煤气化炉在不同工况下的数值模拟,可以直观地和精确地看出煤气化炉内的温度场、速度场和各组分分布状况,为煤气化炉的设计与优化提供强大技术支持,这是实验所无法实现的。针对现有炉箅的不足进行了新型炉箅的开发,参照国内外最新研究技术,对炉箅的优化改进做了定性研究。改变炉箅各种参数进行模拟,对结果中有效气体CO和H2含量进行对比,确定了炉箅四个优化方向分别为：增加炉膛绝热壁、采用直边炉箅、增加每层炉炉箅倾斜角度、调整炉箅布风间隙。研究表明综合运用这四种措施可以使制气效率提高38.1%。4)通过对炉箅净化下行气的研究,阐明了炉箅净化的机理。每层炉箅的内外折边在炉箅流道内产生三个减速区,这是颗粒沉降的主要区域,且炉箅内折边阻挡了沉降下来的颗粒被气流吹到炉箅内。通过这一研究,确定了每层炉箅的最优化倾斜角度为20°。应用三区域布风理论重新调整了炉箅的布风间隙,实现了几何结构对进口气化剂的分布优化,同时改善炉膛内的流场,温度场,从而有效提高间歇式造气工艺的效率。对改进型炉箅和原炉箅进行了对比性试验生产,采用改进型炉箅可以缩短蓄热时间,增大炉膛蓄热量,降低炉壁热损和气体带出热损；通过实际生产证明改进型炉箅使产品气体中有效气体含量增加了2.9%,明显提高了蒸汽利用率,达到节约能源、提高产品竞争力的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 我国的能源现状
• 1.1.2 我国开展煤气化技术的必要性
• 1.1.3 本论文研究的目的和意义
• 1.2 煤气化技术综述
• 1.2.1 煤气化技术原理
• 1.2.2 煤气化工艺类型
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 本论文的研究内容和方法
• 2 间歇式煤气化技术介绍
• 2.1 引言
• 2.2 煤种及特性
• 2.3 间歇式煤气化技术的机理研究
• 2.4 反应动力学
• 2.4.1 动力学模型
• 2.4.2 吹风阶段的模拟结果
• 2.4.3 制气阶段的模拟结果
• 2.5 关键设备的研究
• 2.6 工艺指标
• 2.7 结论
• 3 间歇式煤气化炉膛冷态数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 多空介质模型
• 3.2.3 数学模型
• 3.2.4 边界条件及参数设置
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 空隙率变化对压力场的影响
• 3.3.2 空隙率变化对气化剂总的进口流量的影响
• 3.3.3 空隙率变化对每层气化剂进口流量的影响
• 3.4 本章小结
• 4 间歇式煤气化炉膛热态数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 多空介质传热传质方程
• 4.2.4 边界条件及参数设定
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 模拟结果云图分析
• 4.3.2 炉箅变参数模拟结果对比
• 4.4 本章小结
• 5 炉箅的优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 炉箅倾斜角度的研究
• 5.2.1 几何模型
• 5.2.2 数学模型
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 炉箅各层布风面积的研究
• 5.3.1 气化剂分配原理
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 结果对比
• 5.4 炉箅最优化改进方案
• 5.4.1 最终参数确定
• 5.4.2 生产验证
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 个人简历及在校期间学术成果
• 致谢