气流床煤粉部分气化炉定向调控的模拟研究

摘要

煤既是一种能源又是一种资源，煤气化多联产是实现煤炭分级转化清洁利用。以煤热解和气化为基础的气流床煤粉部分气化是实现煤炭分级转化的新工艺，其核心问题是如何高效低成本的实现煤粉部分气化并产物调控。围绕气流床煤粉部分气化这一核心问题，本文以数值模拟为主要方法，开展了气流床煤粉部分气化定向调控的基础研究。 论文首先以75kg/h气流床煤粉部分气化炉为研究对象，对比研究了FLUENT软件的有限概率涡耗散模型和组分输运模型。75kg/h气流床煤粉部分气化炉的实验数据验证了组分输运模型的准确性，而概率密度模型（PDF模型）对CO、H2浓度和碳转化率预测则存在明显的偏差，因此PDF模型难以胜任本气化炉的模拟。然后，本文采用组分输运模型通过数值模拟方法研究该气化炉不同工况下的运行特性，揭示煤粉/氧气比例即当量比、外加水蒸气作为气化剂和分段给氧三种调控方法对气化炉运行特性和产物气特性的影响规律。结果表明当量比提高有利于提高该气化炉内的混合程度，随着当量比的下降干煤气中CO浓度单调升高，H2和CO2浓度单调下降，因而冷煤气效率单调增加。通过研究炉壁上的颗粒冲积率、CO浓度以及温度等参数，发现当量比在3.96~4.46范围内炉壁上容易发生结焦。外加水蒸气会降低产物气中CO含量，但对干煤气中H2浓度的提高作用有限，同时气化炉的冷煤气效率和碳转化率降低。分段给氧时，随着中段给氧比例的升高，虽然气化炉的效率会受到影响，但有利于实现壁温均匀化和降低炉壁结焦的可能性。

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摘 要

Abstract

符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 煤粉气化的基本原理

1.3 煤裂解国内外研究现状

1.3.1 煤裂解国外研究现状

1.3.2 煤裂解国内研究现状

1.4 煤部分气化国内外研究现状

1.4.1 煤部分气化国内研究现状

1.4.2 煤部分气化国内研究现状

1.5 煤气化数值模拟的研究现状

1.5.1 国外对煤气化过程数值模拟研究现状

1.5.2 国内对煤气化过程数值模拟研究现状

1.6 本文主要研究内容

2 煤粉部分气化实验及数值模型

2.1 煤粉部分气化炉系统介绍及实验研究

2.1.1 系统概况及基本参数

2.1.2 煤粉部分气化实验

2.2 煤粉部分气化数值模型

2.2.1控制方程

2.2.2 离散相模型

2.2.3 湍流模型

2.2.4 脱挥发模型

2.2.5 辐射模型

2.2.6 化学反应模型

2.3 本章小结

3 煤部分气化模型验证及与可行性分析

3.1 模拟对象及其网格

3.1.1 研究对象

3.1.2 网格建立

3.2 PDF模型和组分输运模型对比

3.2.1 模型建立

3.2.2 计算结果对比

3.3模拟与实验结果的比对与分析

3.3.1 模拟与实验结果比对

3.3.2 炉内反应过程分析

3.4 网格无关性分析

3.5本章小结

4气流床部分气化炉调控参数分析与优化

4.1 当量比对气化炉运行的影响

4.1.1当量比对炉内流场的影响

4.1.2 当量比对炉内温度分布的影响

4.1.3 当量比对气化效果的影响

4.1.4 当量比对气化炉运行安全的影响

4.2 外加水蒸气对气化炉运行的影响

4.2.1 给汽方案对比

4.2.2 汽煤比对炉内流场的影响

4.2.3 汽煤比对温度场的影响

4.2.4 汽煤比对气化效果的影响

4.3 本章小结

5 分段给氧对调控参数影响与优化

5.1分段给氧对炉内流场的影响

5.2 分段给氧对温度场的影响

5.3 分段给氧对气化效果的影响

5.4 分段给氧对气化炉运行安全的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望与不足

参考文献

攻读硕士学位期间获得的科研成果

参与的科研项目

获奖经历