粉煤气化炉数值模拟及性能优化分析

作     者：董涛 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周俊杰

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：粉煤气化炉 有限速率/涡耗散模型 DPM模型 数值模拟 反应机理 

摘      要：粉煤气化技术在化工生产中应用广泛。粉煤气化炉作为粉煤气化技术的核心装备,其性能是粉煤气化技术成功的关键,因此对气化炉的流场和气化性能进行研究具有重要意义。本文采用Fluent计算软件,对包含双通道喷嘴的典型粉煤气化炉进行了三维冷态和热态的数值模拟,主要结论为:(1)气相湍流采用Realizable k-ε模型,离散相煤粒采用DPM模型,对气化炉进行三维冷态数值模拟。模拟得出,煤粒轨迹受气相流场影响显著。煤粒的平均停留时间为5.55s,最小停留时间为2.39s,标准差为2.81s。中心进口速度、外环进口速度增大使炉内平均湍动能及平均湍流强度增大,但煤粒的平均停留时间、最小停留时间和标准差减小。仅增大外环进口速度,使中心轴线上湍流强度和湍动能最大值减小,且最大值位置从距离进口0.15m处推移到0.30m。(2)针对复杂的煤气化反应,建立了简化煤气化反应机理。通过采用简化煤气化反应机理,气相化学反应采用有限速率/涡耗散模型,异相化学反应采用多表面反应模型,离散相煤粒采用DPM模型,对气化炉进行三维热态数值模拟。通过考核,发现采用Realizable k-ε湍流模型,two competing rates脱挥发分模型和简化挥发分成分处理方法的模拟值与实验值吻合,模拟值相对实验值的CO、H、CO、HO摩尔分数和碳转化率的误差分别为9.65%、-4.62%、-6.25%、-1.11%和0.99%。气化炉射流顶端和外围温度较高,最高温度约为2400K,射流中心区温度最低。气化炉射流区和回流区中的CO和HO摩尔分数较高,而有效气体CO和H的摩尔分数较低。在距离喷嘴1.5m处,各组分摩尔分数接近稳定,其中出口处CO摩尔分数为0.322,H摩尔分数为0.17,CO摩尔分数为0.159,HO摩尔分数为0.259,有效气(CO+H)摩尔分数为0.492。煤粒在射流区和回流区较为密集,煤粒的平均停留时间为0.79s,最小停留时间为0.30s,标准差为0.52s,碳转化率为82.81%。(3)随着氧煤比增大,气化炉出口有效气(CO+H)摩尔分数降低,而碳转化率先增大后减小,碳转化率在氧煤比为1.0时最大,为84.3%,此时,出口有效气摩尔分数为0.456。增大汽煤比、负荷比和煤粒直径,气化炉出口有效气摩尔分数和碳转化率降低。当CO替代N2作为载气,气化炉出口有效气摩尔分数提升2%左右。气化剂配比中CO质量分数增大,出口有效气摩尔分数增大,碳转化率先增大后减小,在CO质量分数为40%时最佳。(4)综合考虑出口有效气(CO+H)摩尔分数和碳转化率,选择气化炉最佳的轴向扩展长径比为8.85。径向扩展长径比从9.85减小到5.85,碳转化率从77.4%增大到94.4%,出口有效气摩尔分数从0.461增大到0.567。