【摘要】：為了理解密相輸運(yùn)床提升管內(nèi)的氣固流動和煤氣化過程,本文基于雙流體模型框架,發(fā)展了適用于密相輸運(yùn)床提升管內(nèi)Geldart B類顆粒氣固流動和煤氣化過程的計算流體力學(xué)模擬方法,并采用數(shù)值模擬方法分析重要操作參數(shù)對提升管氣固流動和煤氣化過程的影響規(guī)律,最后對提升管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析,研究了分段提升管的氣固流動行為。對提升管氣固流動行為的準(zhǔn)確模擬是實現(xiàn)煤氣化模擬預(yù)測的基礎(chǔ)及關(guān)鍵,因而一直是研究的重點。本文首先發(fā)展并驗證了密相輸運(yùn)床提升管內(nèi)氣固流動行為預(yù)測的模擬方法,并對關(guān)鍵的曳力模型和幾何模型進(jìn)行了比較分析。采用不同曳力模型的計算結(jié)果表明,Gidaspow曳力模型預(yù)測的密相輸運(yùn)床提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向分布更合理,而EMMS/Matrix曳力模型能夠更好地預(yù)測顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒軸向速度的徑向分布,可以捕捉到密相懸浮上升流關(guān)鍵特征。Gidaspow曳力模型與顆粒溫度的微分求解方法結(jié)合能夠改善顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒軸向速度徑向分布的預(yù)測結(jié)果。采用二維和三維幾何模型的對比結(jié)果表明,二維簡化模型能夠獲得提升管氣固流動主要特征,適用于密相輸運(yùn)床提升管氣固流動數(shù)值模擬。為了理解加壓密相輸運(yùn)床氣化爐高溫高壓工作條件的氣固流動特征,有必要研究壓力、溫度對提升管內(nèi)氣固流動的影響規(guī)律。本文對操作壓力范圍為0.1～1.0MPa和固體循環(huán)流率變化范圍為200～1400 kg/m2s條件下提升管內(nèi)氣固流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。當(dāng)操作壓力低于0.3 MPa時,隨著固體循環(huán)流率由低到高變化,提升管內(nèi)氣固流動會先后經(jīng)歷流體控制(FD)、顆粒流體協(xié)調(diào)／流體控制(PFC/FD)、顆粒流體協(xié)調(diào)(PFC)區(qū)域。在相同表觀氣速和固體循環(huán)流率條件下,隨著操作壓力增大,提升管內(nèi)平均顆粒體積分?jǐn)?shù)減少而顆粒速度增大,特別是核心處更為明顯。本文通過壓力和溫度的組合保持氣體密度不變,對操作溫度的影響研究主要體現(xiàn)在氣體粘度上,計算結(jié)果表明隨著溫度增大,氣體粘度增大,提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)基本沒有變化,核心處顆粒速度略有上升,顆粒體積分?jǐn)?shù)略有下降。耦合歐拉雙流體模型與煤氣化化學(xué)反應(yīng)模型,建立了適用于加壓密相輸運(yùn)床提升管內(nèi)的煤氣化過程的數(shù)值模擬方法。采用加壓密相輸運(yùn)床和循環(huán)流化床氣化爐煤氣化實驗結(jié)果驗證模型,結(jié)果表明模型預(yù)測的氣化爐出口組分與實驗結(jié)果吻合較好,并獲得了氣化爐內(nèi)氣固流動特征、溫度分布、組分分布、反應(yīng)特性等。在此基礎(chǔ)上,研究了重要操作參數(shù)如氧氣／煤比、蒸汽／煤比、固體循環(huán)流率、操作壓力等對密相輸運(yùn)床煤氣化結(jié)果的影響。在高固體循環(huán)流率條件下,氧氣／煤比增大提高了提升管內(nèi)溫度,有利于氣化區(qū)內(nèi)焦炭氣化反應(yīng)的進(jìn)行,進(jìn)而提高碳轉(zhuǎn)換率及合成氣高位熱值。在高固體循環(huán)流率條件下,當(dāng)蒸汽／煤比大于0.05后,氣化爐內(nèi)溫度下降,出口CO組分隨之下降而H2和C02隨之上升,合成氣高位熱值略有降低。固體循環(huán)流率增大,提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)的軸向和徑向分布更均勻,使得提升管內(nèi)軸向和徑向溫差變小,燃燒區(qū)不會出現(xiàn)局部高溫區(qū),能夠有效避免結(jié)渣現(xiàn)象的發(fā)生。提高操作壓力不僅能夠提高氣化爐的煤處理能力,同時促進(jìn)焦炭燃燒和焦炭氣化反應(yīng)的進(jìn)行,提高了氣化爐內(nèi)的碳轉(zhuǎn)化率,有利于CO和H2的生成,進(jìn)而提高氣化爐出口合成氣的品質(zhì)。為了研究提升管結(jié)構(gòu)的影響,提出分段提升管概念,在提升管下部設(shè)計了擴(kuò)徑段,稱為第一反應(yīng)區(qū),上部為第二反應(yīng)區(qū)。當(dāng)提升管壓降由1.4kPa逐漸增大至57.1 kPa的過程中,在6.9～16.6 kPa區(qū)間內(nèi),隨著提升管壓降增大,固體循環(huán)流率基本不變。第二反應(yīng)區(qū)會隨壓降增大先后經(jīng)歷稀相氣力輸運(yùn)、快速流態(tài)化以及密相懸浮上升流。分段提升管與密相輸運(yùn)床提升管的氣固流動行為比較結(jié)果表明,分段提升管第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)湍動流態(tài)化能夠促進(jìn)氣固間接觸及固體回流,在第二反應(yīng)區(qū)內(nèi),分段提升管在固體循環(huán)流率較高時也可實現(xiàn)密相懸浮上升流,此時固體存料量遠(yuǎn)大于密相輸運(yùn)床提升管,大大提高了固體停留時間。當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)區(qū)直徑(D1)減小后,在氣體流量不變的情況下,第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)由湍動流態(tài)化轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖倭鲬B(tài)化,D1變化對第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)氣固流動行為影響較小。第一反應(yīng)區(qū)高度(H1)增大,PFC/FD區(qū)間增大,但是對應(yīng)的固體循環(huán)流率基本不變。這些研究結(jié)果為提升管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。
【圖文】：

時的流動狀態(tài)為節(jié)涌流態(tài)化，該狀態(tài)下的典型特征是床層出現(xiàn)劇烈的且有規(guī)律逡逑動。節(jié)涌流態(tài)化出現(xiàn)后，進(jìn)一步增加氣速，流化床內(nèi)端動加劇，氣泡尺寸，且邊緣變得模糊，此時的流動狀態(tài)為~.動流態(tài)化。揣動流態(tài)化下，氣泡極易逡逑和破裂，從而使氣泡平均直徑變小，氣固間接觸效率提高，同時夾帶現(xiàn)象也逡逑嚴(yán)重。端動流態(tài)化發(fā)生后，進(jìn)一步提高表觀氣速，床層表面變得更加模糊，粒夾帶現(xiàn)象變得非常明盤，更多的顆粒被氣流夾帶離開床層，此時若有新的不斷補(bǔ)充進(jìn)入流化床內(nèi)或通過氣固分離裝置及下降管回收顆粒，此時的流動為快速流態(tài)化，對應(yīng)的床層為循環(huán)流化床。在快速流態(tài)化區(qū)域內(nèi)，進(jìn)一步提高逡逑觀氣速后（或表觀氣速一定，降低固體循環(huán)流率），流化床內(nèi)顆粒不斷變稀，逡逑軸向方向分布變得均勻，此時對應(yīng)的流型為稀相氣力輸送。與上述操作相反，逡逑進(jìn)入快速流態(tài)化流型后，增大固體循環(huán)流率或者降低表觀氣速后，流化床內(nèi)體積分?jǐn)?shù)變濃，軸向分布也會趨于均勻，此時對應(yīng)的流型為密相懸浮上升流Ｄｅｎｓｅ邋Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ邋郵打０Ｗ，邋ＤＳＵ）。逡逑ｒ￣￣￣邐邐邐邐邐—１逡逑

ＫｎｏｗｌｔｏｎＰ４堆加壓提升管內(nèi)采用氮氣輸運(yùn)ＦＣＣ顆粒并測量壓力分布Ｗ及顆粒逡逑質(zhì)量流率的徑向分布。Ｒｉｃｈｔｂｅｒｇ等Ｐｙ建立了加壓循環(huán)流化床冷態(tài)流動實驗裝置，逡逑其示意圖如圖１－２所示。該循環(huán)流化床裝置搭建在直徑為１邋ｍ，高度為１０邋ｍ的逡逑壓力容器內(nèi)，這種設(shè)計使得實驗裝置本身不需要承受高壓。循環(huán)流化床提升管的逡逑直徑為０．１９４邋ｍ，高度為９邋ｍ，，并采用Ｂ類顆粒（平均粒徑為８５邋ｎｍ，密度為２５００逡逑ｋｇ／ｍ３），操作壓力為０．５邋ＭＰａ和５．０邋ＭＰａ，表觀氣速變化范圍為化８？４．５邋ｍ／ｓ調(diào)體逡逑循環(huán)流率變化范圍為６５？２００邋ｋｇ／ｍ２ｓ。研究在無量綱表觀氣速ｆｒ，逡逑＾ｒｐ＝Ｕｇ／（ｐ，－Ｐｇ）／Ｐｇ．ｄ，．ｇ））相同的條件下，壓力對提升管內(nèi)氣固流動特征的逡逑影響。研究結(jié)果表明，隨著操作壓力的X棿�，颗粒体积焚|(zhì)嵯蠔途斷蚍植級急溴義系酶泳�。常压条件蠑n燜倭魈牡湫吞氐鬮嬖諢泛肆鞫峁梗純帕ｅ義咸寤質(zhì)弒諗ㄖ型�、�

本文編號：2647775