煤氣化過(guò)程的數(shù)值模擬和熱力學(xué)第二定律評(píng)價(jià).pdf

1、煤氣化技術(shù)將煤轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w燃料，即能夠用于電力生產(chǎn)也為多種化工過(guò)程提供原料合成氣，有利于實(shí)現(xiàn) CO2捕集和煤的清潔利用。發(fā)展高效、低能耗、低污染的煤氣化技術(shù)是目前的研究重點(diǎn)。基于豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬能夠?yàn)槊簹饣夹g(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。煤氣化過(guò)程屬于典型的氣固兩相流動(dòng)，歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法是模擬氣固兩相流的主要方法。其中歐拉-歐拉方法將顆粒作為擬流體，使得計(jì)算代價(jià)小于直接跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)的拉格朗日方法。本文基于歐拉-

2、歐拉方法，以準(zhǔn)確模擬鼓泡流化床和氣流床煤氣化過(guò)程為目標(biāo)，發(fā)展模型用于模擬氣化過(guò)程中顆粒粒徑變化和湍流作用，并驗(yàn)證了雙流體模型可以模擬非稠密的平面氣固兩相撞擊流。本文以開(kāi)源軟件MFIX作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完善了MFIX中的傳熱傳質(zhì)模型，同時(shí)結(jié)合熱力學(xué)第二定律對(duì)煤氣化過(guò)程進(jìn)行熱力性能評(píng)價(jià)。
　　本文的主要工作包括：
　?。?）模擬了鼓泡流化床的煤氣化過(guò)程，考慮湍流對(duì)氣相擴(kuò)散和均相反應(yīng)的影響，并發(fā)展了粒徑變化模型模擬氣化過(guò)程顆粒粒徑

3、的變化。結(jié)果表明，當(dāng)采用粒徑修正異相反應(yīng)模型后，模擬的氣體產(chǎn)物更接近于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，同時(shí)所得流化床內(nèi)溫度更均勻，表明引入粒徑變化模型有助于實(shí)現(xiàn)模型的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。模擬中采用不同密度的固相，結(jié)果所示不同密度的兩種固相出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，即小密度的顆粒在床層上部聚集，大密度的顆粒主要在床層下部聚集，獲得了與實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果。
　　（2）采用非稠密氣固兩相流的雙流體模型對(duì)平面氣固撞擊流進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)平面撞擊流在一定噴嘴間距下會(huì)形成與單相撞擊流

4、相似的周期振蕩現(xiàn)象。基于模擬結(jié)果，分析了氣固相在振蕩過(guò)程中的流動(dòng)情況，以及影響振蕩周期的因素，并計(jì)算了顆粒在振蕩過(guò)程的停留時(shí)間和影響因素。通過(guò)對(duì)比不同氣固湍流模型k-ε-Θ和k-ε-Θ-kgs的結(jié)果表明，振蕩過(guò)程中形成的大尺度渦旋有利于顆粒返回撞擊區(qū)，同時(shí)氣固相間的湍流相互作用也加劇了能量的耗散。
　?。?）耦合了粒徑變化模型、輻射模型、顆粒擴(kuò)散模型，并考慮湍流對(duì)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的影響，發(fā)展了適用于非稠密氣固兩相反應(yīng)流的雙流體模型，模

5、擬了實(shí)驗(yàn)室尺度的氣流床氣化爐。模擬結(jié)果表明，氣流床中湍流對(duì)顆粒的擴(kuò)散有重要作用，模擬得到的溫度場(chǎng)可以分為高溫燃燒區(qū)和氣化吸熱區(qū)，且軸向溫度沿軸向不斷降低，在出口處的模擬值與實(shí)驗(yàn)值接近，同時(shí)氣體濃度在軸向上和徑向方向上均與實(shí)驗(yàn)值符合較好，證明了所改進(jìn)模型的可靠性。
　?。?）結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)與熱力學(xué)第二定律對(duì)撞擊流動(dòng)和煤氣化過(guò)程進(jìn)行了熱力性能分析和評(píng)價(jià)。引入熵產(chǎn)率分析平面氣固撞擊流證明了撞擊區(qū)壓力釋放和持續(xù)射流作用是造成平面撞擊流振