高压超浓相煤粉气力输送过程及其数值模拟研究

摘要

高压、大容量气流床气化技术是国际上先进的多联产系统、IGCC发电系统、煤间接液化、化肥、制氢和燃料电池的龙头技术和关键技术，高压超浓相煤粉气力输送是其中的关键技术之一。高压超浓相气力输送中固相浓度高，流动形态复杂，系统的输送技术要求和条件与一般输送系统相差较大，相关的流动规律和机理的认识还不清楚，对其研究具有重要的现实意义。本文运用试验研究、理论分析和数值模拟对高压超浓相煤粉气力输送的流动特性等相关问题进行了深入的研究。 在高压超浓相气力输送试验台上，通过改变操作条件和输送物料，研究了高压超浓相输送条件下输运压力、煤粉质量流率、煤粉粒径、煤粉种类、煤粉含湿率对垂直管压力降规律的影响和煤粉质量流率、煤粉粒径、煤粉种类对水平管压力降规律的影响。当煤粉质量流率不变时，随表观气速的增加，水平管和垂直管压降梯度呈现先减小后增加的趋势。在保持煤粉质量流率不变的条件下，随输送压力的增加，垂直管压降梯度增加。根据Barth附加压力损失理论，得到了适合不同压力的垂直管附加压损系数的关联式，该关联式与试验值吻合良好，最大相对误差小于6．5％。试验结果表明，当输送条件相同时，煤粉粒径越大，垂直管和水平管单位压力损失越大。相同输送条件下，大同煤的垂直管和水平管压降梯度分别大于兖州煤垂直管和水平管压降梯度。相同输送条件下，随着含水率的增加，垂直管压降梯度增加。 高压超浓相气力输送中，输送压力达4．0MPa，煤粉体积浓度高达30％。颗粒动理学模型中引入的颗粒相拟温度只考虑了单个颗粒的脉动行为，在高颗粒浓度下，气力输送中存在颗粒团聚行为，因此引入固相湍流模式描述颗粒团的脉动行为。将k-ε－kp-εp湍流模型与颗粒动理学理论相结合，考虑了气固之间的曳力、气相雷诺应力、固相雷诺应力、气相速度脉动和固相速度脉动引起的气固间的湍动能交换，率先对高压超浓相气力输送垂直管气固两相流动特性进行数值模拟研究，得到了两相速度、浓度、湍流强度、固相压力及拟温度的分布。模拟结果表明固相体积浓度分布不均匀，最大体积偏离管道中心，且随颗粒浓度的增加，偏离越明显。随表观气速的增加，颗粒浓度减小，压降梯度呈现先减少后增加的趋势，模拟结果与实验结果相吻合。随输送压力的提高，输送压降梯度增加，模拟结果与实验结果的变化趋势一致。随煤粉粒径的增大，压降梯度增加，模拟结果与实验结果的变化趋势一致。颗粒相湍流对高压超浓相输送有重要影响，模拟中必须单独考虑颗粒相的湍流脉动行为。 在现有的颗粒动理学方法中，颗粒间相互作用仅考虑两个颗粒瞬时碰撞造成的能量传递和耗散。在高浓度水平管气力输送中还存在颗粒间相互接触产生的摩擦应力作用。基于气固两相流理论和颗粒动理学方法，建立高压高颗粒浓度气力输送气固湍流流动双流体模型。应用土壤力学理论和土塑性材料的应力与应变间的关系和应力分量间的关系，给出颗粒摩擦应力模型，并对Johnson等提出的摩擦正应力模型和Syamlal等提出的摩擦剪切粘度模型进行了修正。采用k-ε－kp-εp湍流模型模拟气固湍流流动，应用颗粒动理学方法模拟颗粒间瞬时碰撞造成的动量和能量的传递和耗散，并在固相应力模型中同时考虑颗粒间碰撞和摩擦力作用。首次采用该模型对高压超浓相条件下水平管分层流、沙丘流流动特性进行了三维数值模拟研究。模拟结果表明在横截面上，颗粒浓度分布呈现上低下高趋势，颗粒在管道底部沉积并且呈现出月牙形状，模拟结果与ECT测量结果相吻合。获得了不同截面、不同表观气速下颗粒浓度分布，再现了颗粒沉积层的形成和运动的动态过程。颗粒沿流动方向逐渐沉降，在Z=2000mm以后颗粒浓度的分布基本不变。随表观气速的增加，颗粒在管道底部的沉积厚度变薄。预测的压降梯度的变化规律与试验结果吻合良好。预测了单个沙丘和连续沙丘的形成及运动情况，其结果与拍摄结果相类似。 有关粘性颗粒流动的报道很少，而关于输送含湿煤粉的模拟研究尚未见报道。在对不同水份的煤粉进行输送试验的基础上，分析了煤粉颗粒间液桥粘性力的影响，提出了液桥粘性力的模型，并将其引入颗粒动理学，建立了可以描述高压超浓相粘性煤粉气力输送的气固湍流流动状况的多相流模型，数值模拟高压超浓相垂直管气力输送中粘性煤粉流动行为。计算结果表明，与无粘性颗粒流相比，由于颗粒间的动量交换加剧，粘性流动中气相和固相轴向速度分布趋于平缓：颗粒浓度在壁面附近增加，在中心区域略有减小：固相湍流强度在壁面附近减小。随着煤粉含水率的增加，煤粉颗粒间的液桥粘性作用力增强，单位压降梯度随之增加，模拟结果与试验结果的变化趋势一致。液桥粘性应力呈现中心小，两边高的分布，在壁面处达到最大值。颗粒间液桥力的不确定系数Co敏感性分析表明，气相和固相轴向速度、固相浓度以及固相湍流强度对Co都有一定的敏感性。Co的大小影响了颗粒之间的动量交换，而颗粒相的速度分布对颗粒的浓度及湍动能的分布均有影响，故体系内各量都有变化。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 密相气力输送简介

1.3 国内外研究概况

1.3.1 气力输送的试验研究

1.3.2 气力输送的数值模拟

1.4 本课题的研究目的和内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

1.5 本章小结

参考文献

第二章 试验装置和方法

2.1 试验系统

2.1.1 试验系统流程

2.1.2 加湿装置

2.1.3 测量及控制系统

2.2 输送系统的稳定性和测量系统的可靠性

2.2.1 煤粉质量流率和输送压力的稳定性

2.2.2 流量和差压信号的可靠性

2.3 本章小结

参考文献

第三章 高压超浓相煤粉气力输送压降规律的试验研究

3.1 纯气流阻力特性研究

3.2 输送压力和质量流率对压降的影响

3.2.1 垂直管压力降变化规律

3.2.2 水平管压力降变化规律

3.3 煤粉粒径对压降的影响

3.3.1 煤粉粒径对垂直管压降的影响

3.3.2 煤粉粒径对水平管压降的影响

3.4 煤粉种类对压降的影响

3.4.1 煤粉种类对垂直管压降的影响

3.4.2 煤粉种类对水平管压降的影响

3.5 煤粉含水率对垂直管压降的影响

3.6 本章小结

参考文献

第四章 垂直管高压超浓相煤粉气力输送流动特性的数值模拟

4.1 气固两相湍流流动的数学模型

4.1.1 气相输运方程

4.1.2 固相输运方程

4.1.3 颗粒动理学理论

4.1.4 气固两相流动湍动方程

4.2 数值方法及边界条件

4.2.1 进出口边界

4.2.2 壁面边界条件

4.2.3 网格划分

4.2.4 模型的数值求解方法

4.3 模拟结果和分析

4.3.1 悬浮流模拟结果与Tsuji等试验结果的比较

4.3.2 模拟结果与Zhu等试验结果的比较

4.3.3 预测压降梯度与本试验结果的对比

4.3.4 煤粉粒径湍动的存在性分析

4.3.5 高压超浓相气力输送典型工况的流动特性分析

4.3.6 表观气速对流动特性的影响

4.3.7 输送压力对流动特性的影响

4.3.8 煤粉粒径对流动特性的影响

4.4 本章小结

参考文献

第五章 水平管高压超浓相煤粉气力输送流动特性的数值模拟

5.1 气固两相湍流流动的数学模型

5.1.1 气相输运方程

5.1.2 固相输运方程

5.1.3 固相摩擦应力模型

5.1.4 气固两相流动湍动方程

5.2 数值方法及边界条件

5.2.1 进出口边界及初始条件

5.2.2 壁面边界条件

5.2.3 网格划分

5.2.4 模型的数值求解方法

5.3 模拟结果和分析

5.3.1 悬浮流模拟结果与Tsuji等试验结果的比较

5.3.2 分层流的模拟与验证

5.3.3 沙丘流的模拟与验证

5.4 本章小结

参考文献

第六章 高压超浓相粘性煤粉气力输送流动特性的数值模拟

6.1 气固两相湍流流动的数学模型

6.1.1 气相输运方程

6.1.2 固相输运方程

6.1.3 固相液桥粘性应力模型

6.1.4 气固两相流动湍动方程

6.2 数值方法及边界条件

6.2.1 进出口边界及初始条件

6.2.2 壁面边界条件

6.2.3 网格划分

6.2.4 模型的数值求解方法

6.3 模拟结果和分析

6.3.1 预测压降梯度与本试验结果的对比

6.3.2 参数Co敏感性分析

6.3.3 高压超浓相气力输送典型工况粘性流流动特性分析

6.3.4 液桥粘性应力的分布

6.4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 对未来工作的展望

作者简介

博士期间发表学术论文

致谢