CO2高压超浓相煤粉气力输送流动特征的数值模拟

摘要

提高我国的煤炭利用效率的最主要途径之一就是研制和推广应用煤气化技术，高压超浓相干煤粉的气力输送是气流床煤气化的关键技术之一，实现其稳定输送是气化工艺的安全运行和气化品质的重要保证。
　　粉体高压超浓相气力输送过程中固相体积浓度高，流动形态复杂，相关的流动规律和机理认识还不清晰，该研究目前在国内外相关文献报道还很少。本课题以国家“973”项目“高压下不同载气多原料超浓相气力输送机理及流动特性研究”为背景，在本课题组已有氮气高压超浓相煤粉气力输送数值模拟研究成果的基础上，对二氧化碳为输送介质的煤粉高压超浓相气力输送的流体动力学特性进行数值模拟研究。本文研究将为二氧化碳输送介质的高压超浓相煤粉输送试验研究提供补充和理论指导。
　　本文通过对气固两相流进行全面的力学分析，引入颗粒动理学理论，建立了可以描述高压超浓相气力输送的气固湍流流动特性的三维两相流κ-ε-κp-εp模型。该模型充分考虑了高颗粒浓度下气固之间的曳力、气相雷诺应力、固相雷诺应力、气相速度脉动与固相速度脉动引起的气固之间的湍动能交换。此外，本文引入固相湍流模式来描述颗粒团的脉动，修正了颗粒动理学只考虑单个颗粒的脉动的局限性。同时，本文采用垂直管、弯管和水平管一体化建模方式，对垂直管给定均匀浓度的进口条件，大大改善了以往研究者对水平管和水平弯管进口固相体积浓度给定的困难，使得模拟结果更为准确、可靠。
　　通过数值模拟研究与实验比较分析，获得了上升垂直管中气固两相流动的速度和体积浓度分布，得到了颗粒粒径，输送压力，表观气速对气固两相流动的特性的影响规律。上升垂直管中，固相浓度分布呈现环核结构，气固两相速度在管道中心达到最大值，气固之间的速度矢量相似；粒径大的煤粉体积浓度分布较大，而颗粒速度较小；输送压力大的固相体积浓度分布相对较低，固相速度相对较大；垂直管压降的模拟和试验结果吻合较好，进一步验证了本文模型合理性。
　　本文通过建立垂直下降管-弯管-水平管(该水平管段简称为下降水平管)和垂直上升管-弯管-水平管(该水平管简称上升水平管)两种不同输送方式的一体化管道，对水平管段的气固两相流动特性进行三维数值模拟。获得了下降水平管段固相浓度分布的一般规律，以及煤粉粒径、表观气速对下降水平管固相浓度、固相速度分布的影响规律。得到了上升水平管中气固两相运动的一般规律：固相在管道进口段集中在管道上部，下部固相体积浓度较低，随着输送距离的延长煤粉逐渐降落，达到固相浓度上低下高的稳定输送状态。同时还得到了煤粉粒径、输送压力、表观气速对上升水平管初始段煤粉沉降和固相浓度分布的影响。在水平管段气固两相稳定流动时的固相体积浓度分布的模拟结果与ECT试验结果吻合较好，更进一步说明本文建立的模型是合理的，其模拟结果是正确的。