水煤浆气化炉的数值模拟及优化研究

摘要

水煤浆是一种新型低污染的液态煤炭产品，是21世纪最有前途的洁净煤技术之一。气化炉是水煤浆气化工艺的核心和关键设备，研究高效可靠的水煤浆气化炉具有重要意义。本文以四喷嘴对置式水煤浆气化炉为研究对象，利用Fluent软件对其进行冷态和热态模拟并进行优化分析，主要结论如下:
　　(1)对四喷嘴对置式气化炉进行冷态数值模拟，通过考核，湍流模型选择Realizablek-εmodel，颗粒相采用DPM模型，模拟结果与实验结果相一致。模拟得出，射流周围形成两个较大的回流区，回流区的存在延长了气化炉内颗粒的停留时间。气化炉内颗粒最短停留时间τ为1.50s，平均停留时间tm为7.65s，颗粒停留时间分布的标准差SD为5.16。随着入口气速、颗粒直径的增加，气化炉内颗粒平均停留时间、最短停留时间及时间分布的标准差均减小。当喷嘴距炉顶距离H为1150mm时，颗粒平均停留时间及最短停留时间最大，分别为8.60s和2.25s，颗粒停留时间分布的标准差最小，为4.91。
　　(2)采用PDF燃烧模型和DPM颗粒相模型对水煤浆气化炉进行热态模拟，通过考核，煤的挥发分析出模型采用Two-competing-ratesmodel，水煤浆中水分的处理方法选择将水视为氧化剂，模拟结果与现场运行数据相一致。模拟得到的CO、H2、CO2、H2O及碳转化率与现场运行数据的相对误差分别为-2.4％、9.0％、-22.2％、17.5％和-4.5％。四喷嘴水煤浆气化炉射流中心温度低，两侧温度较高，最高温度达2400K左右，气化炉喷嘴下方CO、H2浓度较高，接近气化炉出口处浓度分布均匀。最终气化炉出口处CO、H2的平均浓度分别为39.2％、22.8％，气化炉内碳转化率达93.7％。
　　(3)增加气化压力对提高气化炉出口有效气含量及碳转化率有很好的效果。压力从1MPa增加到8MPa，气化炉出口有效气(CO+H2)含量从47.6％增加到63.8％，碳转化率从70.1％增加到97.2％。提高水煤浆浓度可以提高气化炉出口有效气含量，但碳转化率会降低。氧气流量降低，气化炉出口有效气含量升高，碳转化率降低。综合考虑碳转化率、有效气含量及耗氧量，氧气流量选择4375Nm3/h，此时有效气含量为62.0％，碳转化率为93.8％。减小煤粉的颗粒直径、减小操作负荷可以提高气化炉出口有效气含量及碳转化率。颗粒直径从200μm降到50μm，气化炉出口有效气含量从58.0％增加到65.0％，碳转化率从84.2％增加到96.7％。操作负荷从25t/h降到5t/h时，气化炉出口有效气含量从56.9％增加到63.2％，碳转化率从83.8％增加到95.4％。
　　(4)气化炉出口直径D从500mm降到200mm，气化炉出口处有效气含量从58.1％增加到62.0％，碳转化率从85.6％增加到93.8％。喷嘴距炉顶距离的变化影响气化炉出口的有效气含量及碳转化率。当喷嘴距炉顶距离日为1150mm时，气化炉出口有效气含量最大，为64.5％，碳转化率最高，为96.1％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 水煤浆气化技术概述

1．2．1 Texaco水煤浆气化技术

1．2．2 道水煤浆气化技术

1．2．3 多喷嘴对置式水煤浆气化技术

1．3 国内外研究现状

1．3．1 实验研究现状

1．3．2 模拟研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 水煤浆的气化过程及数值模拟计算模型

2．1 水煤浆气化过程

2．2 水煤浆气化炉数值模拟计算模型

2．2．1 守恒方程

2．2．2 湍流流动模型

2．2．3 气固两相流模型

2．2．4 挥发分析出模型

2．2．5 非预混燃烧模型

2．2．6 焦炭燃烧模型

2．2．7 辐射模型

2．3 本章小结

3 四喷嘴水煤浆气化炉的冷态数值模拟

3．1 研究对象

3．2 模型建立及网格划分

3．3 边界条件及求解参数设置

3．4 模型考核

3．4．1 网格独立性考核

3．4．2 对称模型考核

3．4．3 湍流模型的选取及考核

3．5 结果分析

3．5．1 流场分析

3．5．2 颗粒轨迹及停留时间分布

3．5．3 入口速度对颗粒停留时间的影响

3．5．4 颗粒直径对颗粒停留时间的影响

3．5．5 喷嘴位置对颗粒停留时间的影响

3．6 本章小结

4 水煤浆气化炉的热态数值模拟

4．1 Texaco水煤浆气化炉热态模拟

4．1．1 研究对象

4．1．2 网格模型及边界条件

4．1．3 求解参数设置

4．1．4 挥发分析出模型的选取及考核

4．1．5 水煤浆中水的处理方法选取及考核

4．2 四喷嘴水煤浆气化炉热态模拟

4．2．1 研究对象

4．2．2 流场分析

4．2．3 温度场及浓度场分析

4．3 本章小结

5 四喷嘴水煤浆气化炉的优化分析

5．1 操作参数对气化炉气化性能的影响

5．1．1 压力对气化炉气化性能的影响

5．1．2 水煤浆浓度对气化炉气化性能的影响

5．1．3 氧气流量对气化炉气化性能的影响

5．1．4 颗粒直径对气化炉气化性能的影响

5．1．5 操作负荷对气化炉气化性能的影响

5．2 结构参数对气化炉气化性能的影响

5．2．1 出口直径对气化炉气化性能的影响

5．2．2 喷嘴位置对气化炉气化性能的影响

5．3 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、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢