气流床气化炉及其辐射废锅内的多相流动、传热与熔渣行为研究

论文摘要

为了废锅流程气流床气化系统的优化设计,提高其工业运行可靠性和稳定性,本文以气流床气化技术为背景,采用数值模拟与实验相结合的方法,对气流床气化炉及其辐射废锅内的多相流动、传热过程与熔渣行为进行了系统深入的研究。1.采用数值模拟的方法对撞击流气流床气化炉内气-粒两相流场进行了研究,揭示了炉内气相流场和颗粒撞击流场特征,考察了熔融液滴间的碰撞聚并作用和颗粒Stokes数对气相流场的影响。气化炉底部渣口被气流携带的颗粒分数约为8%。基于气化炉内流场特征,运用马尔科夫链数学理论建立了适用于气化炉内颗粒停留时间分布预测的随机模型。随机模型预测得到的冷态颗粒停留时间分布与实验值基本吻合,模拟得到某工业气化炉内颗粒平均停留时间约为6.2s。2.利用数值模拟方法对四种气化炉与辐射废锅接口设计方案进行了对比研究,考察了结构参数和操作参数对接口运行状况的影响。气化炉出口物流在接口直段的流速明显提高,保证了物料顺利进入辐射废锅；接口直段外壁的冷却水管对接口耐火砖和托砖架具有一定降温作用；物料从气化炉通过接口直段的总温降约为31.5℃。3.搭建了辐射废锅大型冷模装置,利用恒温热线风速仪和皮托管对辐射废锅内的气相冷态流场进行测量。利用马尔文激光粒度分析仪对辐射废锅出口、底部渣池以及附壁颗粒的粒径进行了采样分析。运用Realizableκ-ε湍流模型计算得到的气相流场结果与实验值吻合较好；大部分颗粒直接被辐射废锅渣池捕集,少量细小颗粒被气流携带进入辐射废锅环隙或从出口逃逸；颗粒粒径越大、密度越高,颗粒的跟随性越差,出口颗粒的停留时间越长。4.建立了适用于辐射废锅内多相流动、传热与熔渣行为模拟的数学模型,并通过对工业辐射废锅实例进行模拟,验证了模型计算的可靠性。研究表明：双筒体辐射废锅内筒顶部存在一入口射流,射流周边存在回流区；当在辐射废锅内筒布置鳍片水冷壁后,顶部入口射流的射流张角缩小,而且射流长度变短；布置鳍片水冷壁后,在内筒下半段中心出现一中心回流区；内筒物料温度随着鳍片水冷壁面积的增加而降低,而且主要传热过程在内筒完成；辐射废锅水冷壁上的积灰厚度对总体传热效率有较大影响。5.通过对几种典型气流床气化合成气冷却工艺的对比研究得出：合成气在激冷室内的冷却过程主要在下降管内完成,降温过程伴随着大量的激冷水蒸发；合成气自下而上流动时,可采用低温合成气激冷工艺,该种含低温合成气激冷的冷却器必须确保冷却器换热面积和激冷气量,以使出口合成气温度降到足够低,避免后续工艺设备的积灰结渣情况发生；全辐射废锅采用双面水冷壁结构设计,出口颗粒夹带的临界分离粒径约为400μm；当在辐射废锅内筒中间设置低温合成气激冷时,在激冷气入口截面下方存在一中心回流区,高温合成气遇低温气流被迅速激冷,辐射废锅外筒可采用耐火砖等绝热材料设计,可有效缩减辐射废锅尺寸。6.通过对熔渣碰壁过程的阶段性分解,引入了“最大反弹能”的概念,建立了液态排渣炉内的熔渣碰壁沉积过程预测的机理模型。考察了熔渣温度、碰撞角度、碰撞速度熔渣颗粒粒径以及壁面温度等对碰撞结果的影响。发现熔渣温度、颗粒粒径、撞击角度和撞击速度对碰撞结果有较大影响,而壁面温度的影响相对较小。7.建立了气流床气化炉内熔渣贴壁流动预测的数值模型。通过与文献中的模型对比得出,本文建立的模型预测精度有了较大的提高。对水煤浆气化炉和干煤粉气化炉内的熔渣流动特性的研究表明：干煤粉气化炉内的熔渣流动分层较为明显,炉内渣层厚度约为6mm,而且其操作温度必须高于灰渣流动温度150℃以上才能实现稳定的液态排渣；水煤浆气化炉炉壁采用耐火砖砌筑,由于隔热效果较好,稳定运行时熔渣流动不会出现相变分层；根据传热平衡计算,得到了水煤浆气化炉内出现固态渣层的临界温度计算公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 气流床气化炉内气固两相流动特性的国内外研究现状
• 1.2.1 气流床气化炉内颗粒停留时间分布研究
• 1.2.2 气化炉内气固两相流场的实验研究
• 1.2.3 气化炉内气相流场的数值模拟
• 1.2.4 气化炉内多相流的数值模拟
• 1.3 气流床气化炉内的熔渣行为研究
• 1.3.1 熔渣碰壁沉积特性的研究
• 1.3.2 熔渣贴壁流动与冷却相变规律的研究
• 1.4 废锅流程气流床气化炉的国内外研究现状
• 1.4.1 气化炉与辐射废锅接口的结构设计
• 1.4.2 气流床气化炉辐射废锅的结构设计
• 1.4.3 辐射废锅及辐射传热的数值模拟研究
• 1.4.4 废锅流程气流床气化炉的工程应用
• 1.5 废锅流程气流床气化技术国内外研究现状的综合评述
• 1.6 本课题的研究背景及意义
• 1.7 本文研究内容
• 1.8 本文创新点
• 第2章 撞击流气流床气化炉内的气粒两相流动与混合特性研究
• 2.1 撞击流气化炉内颗粒停留时间分布的随机模拟
• 2.1.1 颗粒的运动特性
• 2.1.2 气化炉内流场分析
• 2.1.3 马尔科夫链数学理论
• 2.1.4 状态向量与停留时间分布的关系
• 2.1.5 马尔科夫模型
• 2.1.6 模型验证与结果分析
• 2.1.7 入口速度对颗粒停留时间分布的影响
• 2.1.8 工业气化炉内物料停留时间分布预测
• 2.2 撞击流气化炉内气固两相流动与颗粒附壁沉积的数值模拟
• 2.2.1 物理模型分析
• 2.2.2 数学模型的建立与实现
• 2.2.3 网格与边界条件
• 2.2.4 模型验证
• 2.2.5 气相流场分析
• 2.2.6 颗粒流场分析
• 2.2.7 渣口气流颗粒夹带现象分析
• 2.2.8 Stokes数对颗粒扩散的影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 气流床气化炉与辐射废锅接口区域的多相流场与传热特性
• 3.1 气化炉与辐射废锅的接口结构设计
• 3.2 气化炉与辐射废锅接口的数值模拟
• 3.2.1 物理模型及简化处理
• 3.2.2 数学模型的建立
• 3.2.3 计算方法与模型边界
• 3.2.4 热模试验与模型检验
• 3.2.5 不同辐射模型对比
• 3.2.6 接口内气固两相流场
• 3.2.7 接口内整体温度场
• 3.3 操作参数与结构参数对接口传热特性的影响
• 3.3.1 结构参数的影响
• 3.3.2 操作参数的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 辐射废锅内气固两相流场的冷态实验与模拟研究
• 4.1 冷态模化技术原理
• 4.1.1 炉内模化的目的与自模化
• 4.1.2 冷态等温模化原理
• 4.1.3 试验参数的选取
• 4.2 气相流场的实验测试与数值模拟
• 4.2.1 气相流场实验测试方法与测试条件
• 4.2.2 气相流场测试结果分析
• 4.2.3 气相流场的数值模拟方法
• 4.2.4 气相流场测试结果与模拟结果对比
• 4.3 固相流场的实验测试与数值模拟
• 4.3.1 固相流场实验测试
• 4.3.2 颗粒平均停留时间的实验研究
• 4.3.3 气流的颗粒携带现象研究
• 4.3.4 固相流场的数值模拟
• 4.3.5 颗粒在辐射废锅内的整体浓度分布
• 4.3.6 颗粒在辐射废锅内的运动轨迹
• 4.4 本章小结
• 第5章 辐射废锅内多相流动与复杂传热过程计算数学模型的建立
• 5.1 辐射废锅内传热流动过程解析
• 5.2 辐射废锅内流场计算模型的建立
• 5.2.1 连续相流场计算模型
• 5.2.2 离散相计算模型
• 5.2.3 气-粒两相间的相互作用
• 5.3 辐射废锅内传热过程计算模型的建立
• 5.3.1 总体传热分析
• 5.3.2 近壁对流传热与壁面边界条件
• 5.3.3 辐射传热求解方法
• 5.3.4 介质的辐射特性参数和其他物性参数
• 5.3.5 气-渣两相间的传热
• 5.4 模型的验证与应用
• 5.4.1 实例模型介绍与边界条件分析
• 5.4.2 网格划分与模型求解
• 5.4.3 模型检验
• 5.4.4 气相流场
• 5.4.5 辐射废锅内传热特性分析
• 5.4.6 离散相流场
• 5.4.7 辐射废锅内局部区域的灰渣行为
• 5.4.8 灰渣沉积层厚度对废锅内温度场的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 各种气流床气化炉合成气冷却器的数值模拟研究
• 6.1 几种典型的合成气冷却工艺分析
• 6.2 激冷室下降管内温度场的数值模拟与实验验证
• 6.2.1 数值模型与试验验证
• 6.2.2 工业规模下降管内温度分布
• 6.3 合成气激冷型冷却器内的温度场与流场模拟
• 6.3.1 网格划分与计算边界
• 6.3.2 冷却器内多相流场与温度场
• 6.4 双筒体水冷壁型辐射废锅内的多相流场和温度场
• 6.4.1 网格划分与模拟工况
• 6.4.2 入口结构对顶部射流流场的影响
• 6.4.3 冷态流场与热态流场的对比
• 6.4.4 水冷壁积灰厚度对废锅内温度分布的影响
• 6.4.5 辐射废锅内不同粒径颗粒的浓度分布
• 6.4.6 辐射废锅出口颗粒的粒径分布与温度分布
• 6.5 中间合成气激冷型辐射废锅内的多相流场和温度场
• 6.5.1 网格划分与计算边界
• 6.5.2 全辐射废锅与带合成气激冷辐射废锅的流场对比
• 6.5.3 冷却气入口个数对激冷截面流场和温度场的影响
• 6.5.4 不同设计结构的废锅内温度场对比
• 6.5.5 辐射废锅内颗粒流场和温度分布
• 6.5.6 激冷气入口温度对整体温度场的影响
• 6.5.7 水冷壁管内水饱和温度对废锅内温度场的影响
• 6.6 本章小结
• 第7章 液态排渣气化炉内的熔渣沉积、冷却相变和分层流动特性
• 7.1 液态排渣炉内熔渣液滴碰壁沉积过程的模型化研究
• 7.1.1 熔渣液滴碰壁过程与机理分析
• 7.1.2 碰壁沉积过程数学模型的建立
• 7.1.3 熔渣物性参数与模型参数的确定
• 7.1.4 熔渣颗粒温度的影响
• 7.1.5 炉内壁面温度的影响
• 7.1.6 熔渣颗粒碰撞角度的影响
• 7.1.7 熔渣颗粒撞击速度的影响
• 7.2 液态排渣气化炉内熔渣贴壁流动、冷却相变过程的数值模拟
• 7.2.1 物理过程分析
• 7.2.2 数学模型的建立
• 7.2.3 熔渣流动与传热物性参数的确定
• 7.2.4 实例模型边界与求解方法
• 7.2.5 干煤粉气化炉内的熔渣流动情况分析
• 7.2.6 水煤浆气化炉内的熔渣流动情况分析
• 7.2.7 水煤浆炉内熔渣附壁流动的壁面热平衡分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士在读期间发表论文