煤气化过程的数值模拟和热力学第二定律评价

摘要

煤气化技术将煤转变为气体燃料，即能够用于电力生产也为多种化工过程提供原料合成气，有利于实现 CO2捕集和煤的清洁利用。发展高效、低能耗、低污染的煤气化技术是目前的研究重点。基于丰富的实验数据，数值模拟能够为煤气化技术的应用提供理论指导和技术支持。煤气化过程属于典型的气固两相流动，欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法是模拟气固两相流的主要方法。其中欧拉-欧拉方法将颗粒作为拟流体，使得计算代价小于直接跟踪颗粒运动的拉格朗日方法。本文基于欧拉-欧拉方法，以准确模拟鼓泡流化床和气流床煤气化过程为目标，发展模型用于模拟气化过程中颗粒粒径变化和湍流作用，并验证了双流体模型可以模拟非稠密的平面气固两相撞击流。本文以开源软件MFIX作为二次开发平台，完善了MFIX中的传热传质模型，同时结合热力学第二定律对煤气化过程进行热力性能评价。
　　本文的主要工作包括：
　　（1）模拟了鼓泡流化床的煤气化过程，考虑湍流对气相扩散和均相反应的影响，并发展了粒径变化模型模拟气化过程颗粒粒径的变化。结果表明，当采用粒径修正异相反应模型后，模拟的气体产物更接近于实验测量值，同时所得流化床内温度更均匀，表明引入粒径变化模型有助于实现模型的准确预测。模拟中采用不同密度的固相，结果所示不同密度的两种固相出现了分离现象，即小密度的颗粒在床层上部聚集，大密度的颗粒主要在床层下部聚集，获得了与实验相符合的结果。
　　（2）采用非稠密气固两相流的双流体模型对平面气固撞击流进行模拟研究，发现平面撞击流在一定喷嘴间距下会形成与单相撞击流相似的周期振荡现象。基于模拟结果，分析了气固相在振荡过程中的流动情况，以及影响振荡周期的因素，并计算了颗粒在振荡过程的停留时间和影响因素。通过对比不同气固湍流模型k-ε-Θ和k-ε-Θ-kgs的结果表明，振荡过程中形成的大尺度涡旋有利于颗粒返回撞击区，同时气固相间的湍流相互作用也加剧了能量的耗散。
　　（3）耦合了粒径变化模型、辐射模型、颗粒扩散模型，并考虑湍流对传热传质过程的影响，发展了适用于非稠密气固两相反应流的双流体模型，模拟了实验室尺度的气流床气化炉。模拟结果表明，气流床中湍流对颗粒的扩散有重要作用，模拟得到的温度场可以分为高温燃烧区和气化吸热区，且轴向温度沿轴向不断降低，在出口处的模拟值与实验值接近，同时气体浓度在轴向上和径向方向上均与实验值符合较好，证明了所改进模型的可靠性。
　　（4）结合计算流体力学与热力学第二定律对撞击流动和煤气化过程进行了热力性能分析和评价。引入熵产率分析平面气固撞击流证明了撞击区压力释放和持续射流作用是造成平面撞击流振荡的原因；对单相撞击流的流动特点从熵产率角度进行了分析；分别计算了流化床和气流床中气化过程的熵产率和?效率，其中考虑了气固两相的流动和传热传质过程而导致的系统熵增加的因素。获得了反应器内熵产率和?效率的局部分布和动态变化，得出对熵产和?损影响最大的因素，并得到优化的实验操作参数。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

主要符号表

目录

1绪论

1.1研究背景

1.2 煤气化技术及研究现状

1.3 热力学第二定律的应用

1.4 开源软件MFIX的介绍

1.5 研究特色

1.6本文研究内容

2 鼓泡流化床中煤气化过程的数值模拟研究

2.1 引言

2.2 多组分双流体模型介绍

2.3 流化床煤气化工况介绍

2.4 模拟结果

2.5 本章小结

3平面气固撞击流周期振荡的模拟分析

3.1 引言

3.2 非稠密气固湍流模型介绍

3.3 撞击流模拟工况与条件

3.4 模拟结果

3.5 本章小结

4 气流床煤气化过程的数值模拟

4.1 引言

4.2 数值模型介绍

4.3 模拟工况和条件设置

4.4 模拟结果分析

4.5 本章小结

5. 撞击流和煤气化过程的热力学第二定律评价

5.1 引言

5.2熵产率和?模型介绍

5.3 工况介绍

5.4热力学第二定律的应用

5.5本章小结

6 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文

附录2 攻读博士学位期间参与的研究课题