固定床熔渣煤气化炉气化过程数值模拟研究

摘要

煤气化技术是煤炭高效清洁利用的有效途径之一，其中固定床煤气化技术以其基建和运行成本低的特点在我国被广泛使用。然而，由于我国50％以上的煤种具有高灰熔点(＞1400℃)的特点，造成气化炉在排渣口处经常因灰渣冷凝而发生堵渣，影响其稳定顺行。近年，一种能够利用高灰熔点煤的新型固定床熔渣煤气化炉被提出，为了获得优化的操作条件和设计参数，有必要对其气化过程进行研究。 本文以固定床熔渣煤气化炉为研究对象，建立了解析气化过程动量、热量、质量传输行为的三维欧拉双流体模型。探讨了高度湍流区边界的定义方法，开发了煤颗粒粒径变化的子模型，考察了工艺条件（包括煤颗粒粒径、床层填充高度、气化剂入炉速度、气化剂喷嘴直径和氧/气比）对气化剂喷嘴前端形成的高度湍流区形状与尺寸、排渣口固相出流质量流量、炉内气固两相温度场和气相组分分布的影响，研究结果如下。 采用固相体积分数与Reynolds数相结合的方法定义了气化剂喷嘴前端所形成的高度湍流区边界。 依据煤颗粒原始尺寸和最终尺寸，开发出了煤颗粒粒径沿气化炉轴向线性变化的可变煤粒径子模型。 高度湍流区的尺寸与气化炉内煤颗粒粒径大小密切相关，采用单一粒径进行模拟时，高度湍流区的尺寸无明显变化;而当采用煤颗粒粒径沿气化炉轴向线性变化进行模拟时，高度湍流区尺寸随粒径减小而增大。 煤层填充高度对高度湍流区影响较小，随着煤层填充高度的降低，高度湍流区尺寸略有增加，建议煤层填充高度以2m为宜。 采用1.9mm喷嘴直径时，气化剂速度对高度湍流区的形状和大小无明显影响;采用4mm喷嘴内径时，当气化剂速度由150m/s增大到200m/s时，所形成的高度湍流区尺寸较大且形状稳定，深度分别可达130mm和160mm，但气速增大至250m/s时，煤层失去稳定性，同时出现腾涌现象。 采用4mm喷嘴直径时，排渣口固相出流质量流量随煤颗粒粒径的增大而减小;随气化剂速度的增加而增加，当气速为250m/s时，该值达到最大。 气化炉内燃烧反应主要集中在Z=0～0.5m区域内，0.5m以上为热交换区域，燃烧带占整个床层体积的1/6左右。 氧/气比对气化炉的气固两相温度场和气相组分分布有明显的影响，随着氧/比的增加，气固两相温度都有明显增加;气相组分中一氧化碳含量升高，氢气含量降低。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2课题背景

1．3课题研究目的和意义

1．4课题研究内容

2．1煤气化技术概述

2．1．1煤炭气化反应原理

2．1．2煤气化技术发展历程简述

2．1．3煤气化技术工艺分类

2．2我国煤炭灰渣熔融特性概述

2．2．1褐煤灰渣熔融特性

2．2．2烟煤灰渣熔融特性

2．2．3无烟煤灰渣熔融特性

2．3煤气化过程数学模型研究现状

2．3．1煤气化过程数学模型概述

2．3．2 CFD在煤气化过程模拟方面的研究

2．4高炉风口回旋区的研究现状

2．5本章小结

第3章气化过程数学模型的建立

3．1模型概述

3．2基本假设

3．3模型建立

3．3．1连续性方程

3．3．2动量守恒方程

3．3．3能量守恒方程

3．3．4组分输运方程

3．3．5湍流模型与近壁面处理

3．3．6辐射换热模型

3．4模型验证

3．5计算域选取与网格划分

3．5．1计算域的选取

3．5．2几何模型创建与网格划分

3．6边界条件

3．7本章小结

第4章模型计算结果与讨论

4．1计算参数的确定

4．1．1气化炉运行参数

4．1．2气化剂和煤颗粒物性参数

4．1．3边界参数

4．2相关术语解释

4．3气化炉气固两相流场整体分析

4．3．1待考察参数说明

4．3．2气固流场整体分析

4．4高度湍流区特征及其影晌因素分析

4．4．1高度湍流区的形成

4．4．2高度湍流区边界的界定

4．4．3高度湍流区特征(形状和尺寸)的影响因素

4．5排渣口固相出流质量流量监测及分析

4．5．1煤颗粒粒径的影响

4．5．2气化剂入炉速度的影响

4．6气化炉温度场和气相组分分布分析

4．6．1气化炉温度场和气相成分分布规律

4．6．2氧／气比对温度场和气相成分分布的影晌

4．7本章小结

第5章总结论

参考文献

致谢