液态排渣卧式旋风气化炉数值模拟及气化动力学研究

摘要

我国低阶煤的储量丰富，以准东煤为代表的低阶煤水分和挥发分含量高，在其直接利用过程中，燃烧或气化的效率较低。根据低阶煤的组成成分和结构特点，先热解提取其中挥发份，再气化燃烧剩余煤焦，实现其梯级转化将有效提高资源的利用率。
　　本文针对低阶煤梯级转化工艺流程中煤焦的气化问题，提出了一种采用卧式旋风炉的气化方法。首先在加压热重上进行了不同压力下的低阶煤煤焦气化实验，实验结果用于对气化动力学模型的修正。用数值模拟软件进行了煤焦的气化模拟，并编程将灰渣沉积流动等子模型与Fluent进行耦合，完善了热态的气化模型。
　　在加压热重进行了不同压力下准东煤煤焦气化实验，结果表明加压能一定程度上提高气化反应速率，但其促进作用存在一个极限值；采用等温法分析了准东煤煤焦气化的动力学，发现其在加压下的二氧化碳气化活性较好，活化能较低。
　　气化炉的冷态模拟结果表明：缩口直径和缩口长度决定着环室回流和中心回流；喷口结构对炉内速度场、压力场、湍流结构有重要影响；喷入煤粉颗粒以后，气相流场的最大速度较单相流动有了明显下降，动量有损失，平均湍流强度有了提升。
　　灰渣沉积流动模型和气化炉热态模型的耦合模拟表明：煤灰颗粒的沉积速率在气化炉中部较大，而在气化炉顶部入口和底部较低；在气化炉中后部渣液流动稳定后，厚度能达到几毫米，流动速度为几毫米每秒；考虑煤焦颗粒在壁面沉积后高温区有所提前，气化炉出口CO2的含量降低；考虑灰渣传热热阻的影响后，壁面总传热热阻明显增大，局部热流密度降低很多；对二氧化碳气化反应的动力学参数用实验值进行修正后，碳转化率有小幅提升，炉内平均温度较修正前略低，一氧化碳的比例有所上升。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 气流床气化及旋风燃烧技术的研究现状

1.3 液态排渣气化炉数值模拟的关键问题

1.4 课题主要研究内容

第2章 煤焦加压气化动力学研究

2.1 引言

2.2 实验装置介绍

2.3 煤样的选取与处理

2.4 实验过程及测量方法

2.5 实验结果

2.6 动力学分析

2.7 本章小结

第3章 煤气化及灰沉积结渣模型的建立

3.1煤气化数值模拟相关模型的选取

3.2 煤颗粒附壁沉积气化模型

第4章 气化炉的结构设计及优化

4.1 气化炉结构设计

4.2 计算网格、边界条件及数值解法

4.3 气化炉结构优化

4.4 本章小结

第5章 煤颗粒附壁沉积和气化的数值模拟

5.1 热态反应相关模型选取及气化模拟结果评价参数

5.2 灰渣沉积及流动特性

5.3煤焦附壁燃烧气化及传热模型的影响

5.4 实验气化动力学参数的修正对气化性能的影响

5.5 数值模拟结果对比分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

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致谢