干煤粉Y型旋流气流床气化炉的数值模拟

摘要

在中国，煤炭作为支撑国民经济发展的主体能源地位在长时间内将难以撼动，如何依靠中国相对丰富的煤炭资源来缓解能源的供需矛盾具有重要的现实意义。中国能源转型的战略发展方向是实现非化石能源的规模化与化石能源的清洁化，而后者更是重中之重，尤其是煤炭清洁化高效利用。气流床煤气化技术作为煤炭清洁高效利用的核心技术，日渐成为煤气化领域的研究热点并得到快速发展。
　　本文针对目前工业化的煤气流床气化工艺普遍存在的颗粒停留时间短，灰渣难分离，含盐废水等制约现代煤气化技术发展的难题，提出了干煤粉Y型旋流气流床气化炉设想，介绍了其技术原理与优势，并对其进行了冷、热数值模拟研究，对气化炉结构进行优化。
　　用数值模拟的方法，使用Gambit三维建模软件建立了旋流气化炉气化室模型，使用Fluent15.0软件计算流场，重点考查了侧喷嘴数量、高度、角度、顶喷嘴与侧喷嘴流量比等关键参数的改变对气化炉冷态流场的气固两相混合特性以及热态运行时的速度、温度、湍流动能、各组分摩尔浓度分布，冷煤气效率等性能指标。气化炉冷态模拟表明：侧喷嘴的高度及角度决定了气化炉内湍流强度高低、回流区面积大小、气固两相混合程度好坏和颗粒停留时间；当侧喷嘴数量为三个，顶喷嘴与侧喷嘴的流量比为2:1，侧喷嘴距离炉顶的距离与气化室内径之比为0.7，侧喷嘴角度为10°时流场分布最合理，颗粒停留时间最长，是最优的炉型结构。热态模拟表明：气化炉顶喷嘴与侧喷嘴喷入物料在气化室上部进行旋流碰撞、剧烈混合、形成稳定的湍流火焰高温区，充分利用率气化炉有效反应空间，同时物料旋转运动延长了停留反应时间，很大程度提高了碳转化率。总给煤量设计为10t/h，氧煤比0.8kgO2/kg(coal)，蒸汽煤比为0.16kg(H2O)/kg(coal)，气化压力为3MPa时，出炉合成气中各组分浓度分布合理，出口合成气组分中CO摩尔组分浓度为57.7%，H2的摩尔组分浓度为31.2%，CH4含量为0，CO2摩尔组分浓度为6.7%，有较高的有效气（H2和CO）含量，验证了炉型优势与可实行性，达到了预期效果，进而为干煤粉Y型旋流气流床气化炉的开发及工业应用奠定了坚实的理论基础。

目录

第一个书签之前

摘要

1.1研究背景

1.2煤气化机理及技术发展现状

1.3 研究目的和意义

2. 干煤粉Y型旋流气流床气化炉

2.1气化室的设计原理与技术优势

2.2旋流冷却室的设计原理与技术优势

2.3本章小结

3.冷态模拟

3.1气化室的三维建模

3.2气化室模型的网格划分

3.3数学模型的选择

3.4求解算法步骤

3.5冷态模拟数据分析

3.6本章小结

4.热态模拟

4.1条件的假设

4.2数学模型的选择

4.2.1控制方程

4.2.2水分蒸发与沸腾模型

4.2.3煤颗粒脱挥发分模型

4.2.4辐射模型

4.2.5异相反应模型

4.2.6同相反应模型

4.3 PDF查询表的计算

4.3.1操作条件设定

4.3.2煤的工业分析

4.3.3其他主要设定

4.3.4计算PDF查询表

4.4求解算法步骤

4.5热态模拟分析

4.5.1气化炉内温度分布

4.5.2气化炉内速度分布

4.5.3气化炉内湍流动能分布

4.5.4气化炉组分摩尔组分分布

4.6本章小结

5.结论与展望

5.1 全文总结

5.2 论文的创新点及贡献

5.3 后续工作展望

致谢

参考文献

作者简介及攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况