【摘要】：以熔融高爐渣為熱載體的煤氣化技術(shù)是一種全新的高爐渣余熱余能回收技術(shù),能對(duì)鋼鐵企業(yè)中高爐渣的余熱余能資源進(jìn)行高效、合理的回收利用。該技術(shù)的主要過程是將煤粉與氣化劑隨載氣一起噴入熔池中,與熔渣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)從而發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。此過程中氣泡在熔池中的行為直接影響著熔池內(nèi)的多相流動(dòng)與煤氣化化學(xué)反應(yīng)過程,而氣泡的行為又受一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)的影響。因此,對(duì)以熔融高爐渣為熱載體進(jìn)行煤氣化技術(shù)的主要過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究熔池中氣泡的行為、多相流動(dòng)過程與煤氣化化學(xué)反應(yīng)的變化規(guī)律,為后續(xù)的研究提供理論依據(jù),對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。本文采用歐拉-歐拉法與煤氣化化學(xué)反應(yīng)耦合的方式在ANSYS FLUENT平臺(tái)上對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制的頂吹式熔渣氣化爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究,主要研究?jī)?nèi)容與所得結(jié)果如下:(1)建立了爐內(nèi)氣體頂吹過程的物理模型與數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。同時(shí)搭建了氣體頂吹過程的冷態(tài)水模實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,證明了所建立的模型具有良好的準(zhǔn)確性與可靠性。(2)考察了氣體頂吹過程中熔池內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)情況。根據(jù)氣泡在熔池內(nèi)的行為規(guī)律,將其分為初始膨脹、氣泡脫離、自由上浮和氣泡破裂這四個(gè)階段;當(dāng)熔池內(nèi)流場(chǎng)充分發(fā)展時(shí),氣含率隨離自由液面的距離增加而逐漸減小;隨著氣泡的膨脹與脫離,在噴嘴附近與熔池下方區(qū)域會(huì)先形成對(duì)稱的雙螺旋型流態(tài),之后由于氣泡的上浮和破裂該流態(tài)會(huì)逐漸被破壞并變得復(fù)雜無規(guī)律;熔池中的氣含率、熔渣的平均速度與湍動(dòng)能均隨時(shí)間呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì),并在流場(chǎng)充分發(fā)展時(shí)保持一定幅度的上下波動(dòng),且在噴嘴下方區(qū)域,熔渣的速度隨著熔池深度的增加迅速減少。(3)對(duì)不同參數(shù)下氣體頂吹過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并用正交試驗(yàn)的方式對(duì)熔池內(nèi)多因素多指標(biāo)的氣液兩相混合與流動(dòng)過程進(jìn)行優(yōu)化;各影響因素中對(duì)頂吹式熔渣氣化爐內(nèi)氣液兩相混合與流動(dòng)過程影響程度順序?yàn)?管徑比噴槍插入深度氣體噴吹流量;得到的最優(yōu)組合工況為A3B3C4,即大小管徑比為20:1,噴槍插入深度為200mm,氣體噴吹流量為800L/h,基準(zhǔn)工況下熔池氣含率、熔渣湍動(dòng)能與噴濺率分別為1.959%、10.719×10-3m2/s2、4.740%,而優(yōu)化工況下熔池氣含率、熔渣湍動(dòng)能與噴濺率分別為 9.429%、12.876×10-3m2/s2、2.024%。(4)在爐內(nèi)氣體頂吹的數(shù)學(xué)模型中加入煤氣化化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)爐內(nèi)整個(gè)煤氣化過程進(jìn)行模擬計(jì)算。搭建了頂吹式熔渣氣化爐煤氣化熱態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過比較模擬計(jì)算結(jié)果與熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性;此外對(duì)熔池內(nèi)氣體組分分布情況與不同水煤比對(duì)產(chǎn)氣的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果如下:煤粉與水蒸氣由噴槍進(jìn)入熔池中會(huì)立即發(fā)生反應(yīng),其中揮發(fā)份會(huì)在噴嘴附近處被反應(yīng)完全,而固定碳則是在氣泡上浮過程中被反應(yīng)完全;在熔池中CO和CO2、水蒸氣和H2的濃度分布基本相反;CO2和H2會(huì)富集在氣泡中的中心位置,而CO和水蒸氣則富集在氣泡的邊緣位置;隨著水煤比的增加,所產(chǎn)生合成氣H2和CO2的量增大,CO的量減小;優(yōu)化工況下生成的合成氣中CO的量均大于基準(zhǔn)工況,而H2和CO2的量均小于基準(zhǔn)工況;且優(yōu)化工況所生成合成氣的熱值與有效氣體積分?jǐn)?shù)均大于基準(zhǔn)工況。
【圖文】：

學(xué)位論文邐第１第１章文獻(xiàn)綜述逡逑景逡逑為人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力基礎(chǔ)，，在一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)輕重的作用。圖１．１與圖１．２為近２０年以來我國的能源生產(chǎn)［１］。由圖可知，長(zhǎng)期以來煤炭作為我國的主要能源，在經(jīng)濟(jì)中有著重要戰(zhàn)略地位。２０１３年我國的煤炭?jī)?chǔ)量約為２４００億９４％［１］；因此煤炭作為我國最可靠的能源資源，在未來的很能源結(jié)構(gòu)的主要地位。逡逑

學(xué)位論文邐第１第１章文獻(xiàn)綜述逡逑景逡逑為人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力基礎(chǔ)，在一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)輕重的作用。圖１．１與圖１．２為近２０年以來我國的能源生產(chǎn)［１］。由圖可知，長(zhǎng)期以來煤炭作為我國的主要能源，在經(jīng)濟(jì)中有著重要戰(zhàn)略地位。２０１３年我國的煤炭?jī)?chǔ)量約為２４００億９４％［１］；因此煤炭作為我國最可靠的能源資源，在未來的很能源結(jié)構(gòu)的主要地位。逡逑
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ546

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2680845