煤氣化過程的數(shù)值模擬和熱力學(xué)第二定律評價.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)也為多種化工過程提供原料合成氣，有利于實現(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。基于豐富的實驗數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬能夠為煤氣化技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。煤氣化過程屬于典型的氣固兩相流動，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，使得計算代價小于直接跟蹤顆粒運動的拉格朗日方法。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程為目標(biāo)，發(fā)展模型用于模擬氣化過程中顆粒粒徑變化和湍流作用，并驗證了雙流體模型可以模擬非稠密的平面氣固兩相撞擊流。本文以開源軟件MFIX作為二次開發(fā)平臺，完善了MFIX中的傳熱傳質(zhì)模型，同時結(jié)合熱力學(xué)第二定律對煤氣化過程進行熱力性能評價。
　　本文的主要工作包括：
　　（1）模擬了鼓泡流化床的煤氣化過程，考慮湍流對氣相擴散和均相反應(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)物更接近于實驗測量值，同時所得流化床內(nèi)溫度更均勻，表明引入粒徑變化模型有助于實現(xiàn)模型的準(zhǔn)確預(yù)測。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，獲得了與實驗相符合的結(jié)果。
　　（2）采用非稠密氣固兩相流的雙流體模型對平面氣固撞擊流進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)平面撞擊流在一定噴嘴間距下會形成與單相撞擊流

4、相似的周期振蕩現(xiàn)象?；谀M結(jié)果，分析了氣固相在振蕩過程中的流動情況，以及影響振蕩周期的因素，并計算了顆粒在振蕩過程的停留時間和影響因素。通過對比不同氣固湍流模型k-ε-Θ和k-ε-Θ-kgs的結(jié)果表明，振蕩過程中形成的大尺度渦旋有利于顆粒返回撞擊區(qū)，同時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、顆粒擴散模型，并考慮湍流對傳熱傳質(zhì)過程的影響，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、擬了實驗室尺度的氣流床氣化爐。模擬結(jié)果表明，氣流床中湍流對顆粒的擴散有重要作用，模擬得到的溫度場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驗值接近，同時氣體濃度在軸向上和徑向方向上均與實驗值符合較好，證明了所改進模型的可靠性。
　?。?）結(jié)合計算流體力學(xué)與熱力學(xué)第二定律對撞擊流動和煤氣化過程進行了熱力性能分析和評價。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