灰熔聚流化床气化炉内气固混合特性的研究

论文摘要

灰熔聚流化床气化炉内的气固混合特性不仅反映了床内气体和固体颗粒的轴向、径向运动及传递特性,而且也是认识床内传热、传质机理的关键,对于提高灰熔聚流化床气化炉效率,提高碳转化率有着重要意义。然而迄今为止,人们对床内的气固混合特性还缺乏较为系统的研究,导致其在大型工业化应用上仍然存在很多制约。本文基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,利用商用CFD软件FLUENT对某公司现运行的灰熔聚流化床气化炉内的气固混合特性进行了数值模拟。论文模拟了气化炉内颗粒粒径为2mm,静止床层高度分别为4.5m、3.6m、2.7m以及颗粒粒径为1mm,静止床层高度为3.6m的气固混合特性。主要以图解的方式展示了不同喷动气速、流化气速下炉内的颗粒体积浓度分布以及某些典型工况下的流场分布、压力分布。模拟得出了不同喷动气速、流化气速配比下炉内呈现的喷动、内部射流、鼓泡射流流化、腾涌射流流化以及柱塞流的流动结构。结果表明,在前三种流动结构下,炉内颗粒沿中心轴线向上运动且随上行高度的增加速度逐渐减小,在边壁附近向下运动且随下行深度的增加速度逐渐增加的内循环现象是颗粒混合的机制。其中,喷动结构下,气化剂在床内的停留时间较短；内部射流结构下,周边环形区颗粒体积浓度较高；鼓泡射流流化结构存在中心射流区、周边环形区,且周边环形区的气固混合相对较均匀,能使携带热量的煤颗粒横向和纵向的混合加强、运动加速并与环形区进行质量和能量交换,有利于气固反应的充分进行,提高煤气化的质量和效率。本文通过对不同喷动气速、流化气速下的模拟计算结果进行相互比较和分析,归纳总结出这两个参数的改变对炉内颗粒混合特性的影响：随着喷动气速的增加,炉内气固流动结构由内部射流向喷动或腾涌射流流化转变,床内压降减小,在减小过程中存在拐点；随着流化气速的增加,炉内气固流动结构由喷动经历了鼓泡射流流化逐渐向流化或腾涌射流流化转变,床内压降增加,但增加幅度越来越小。两者的增加均能提高颗粒轴向、径向速度,使床内平均空隙率增加。在以上结论的基础上找到不同静止床层高度、不同颗粒粒径情况下适合某公司灰熔聚气化炉冷态运行的最佳速度参数配比：颗粒粒径为2mm、流化气速分别为10m/s、15m/s、20m/s,静止床层高度为4.5m时,对应的最佳喷动气速分别为30m/s、30m/s、35m/s左右；静止床层高度为3.6m时,对应的最佳喷动气速分别为25m/s.30m/s、30m/s左右；静止床层高度为2.7m时,对应的最佳喷动气速分别为20m/s、25m/s、25m/s左右。结果表明：一定的流化气速,存在一定的最佳喷动气速,使炉内呈现鼓泡射流流化结构,这一结论不会随静止床层高度的变化而改变,但相应的最佳喷动气速随静止床层高度的降低而减小,气固混合质量随静止床层高度的降低而提高。当颗粒粒径为1mm,静止床层高度为3.6m,流化气速为10m／s时,最佳喷动气速为20m／s左右；当流化气速增加到15m／s时,随喷动气速的增大,床内的流动结构由流化床向腾涌射流流化转变,不存在适合灰熔聚流化床气化炉的鼓泡射流流化结构。但由于颗粒粒径较小,床内的流化效果较好,与大颗粒在一定气速配比下呈现的流化床的流化效果相比,气固混合更加均匀。以上结论可为预测实际装置性能,合理控制灰熔聚流化床气化炉的冷态运行参数,减小运行损失和指导灰熔聚流化床气化炉的热态运行提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景及意义
• 1.2 灰熔聚流化床粉煤气化技术概述
• 1.3 喷动流化床国内外研究现状及趋势
• 1.3.1 喷动流化床发展综述
• 1.3.2 喷动流化床的研究现状
• 1.3.2.1 试验研究方面
• 1.3.2.2 数值模拟方面
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第二章 灰熔聚流化床气化炉内气固两相流动的数学模型
• 2.1 离散相模型
• 2.2 双流体模型
• 2.2.1 模型介绍
• 2.2.2 模型方程
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 湍流模型的选取
• 2.3.2 模型方程
• 2.3.3 湍流流动近壁面处的处理方法
• 2.3.3.1 处理方法的选择
• 2.3.3.2 标准壁面函数
• 2.4 本章小结
• 第三章 数学模型的计算
• 3.1 计算流体力学（CFD）简介
• 3.2 商用FLUENT软件的概述
• 3.3 数值计算的步骤及内容
• 3.3.1 几何模型的建立
• 3.3.2 计算区域的划分
• 3.3.3 控制方程的离散
• 3.3.3.1 离散化方法
• 3.3.3.2 离散方程的建立
• 3.3.3.3 离散格式的选择
• 3.3.4 计算方法的选择
• 3.3.4.1 求解器的选择
• 3.3.4.2 流场数值计算的SIMPLE算法
• 3.3.5 迭代过程的处理方法
• 3.3.5.1 求解策略
• 3.3.5.2 设定松弛因子
• 3.3.6 边界条件的设定
• 3.4 数值计算在FLUENT中的实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 数值模拟的结果与分析
• 4.1 颗粒粒径为2mm时的气固混合
• 4.1.1 静止床层高度为4.5m
• 4.1.2 静止床层高度为3.6m
• 4.1.3 静止床层高度为2.7m
• 4.2 颗粒粒径为1mm时的气固混合
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 不足之处
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文