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拟泡-乳曳力模型在大型高温费托流化床反应器中的CFD模拟研究

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洁净煤技术 2021年第1期27卷 245-253页

作者：王腾夏梓洪陈彩霞华东理工大学资源与环境工程学院上海200237

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型... 详细信息

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型模拟大型工业化流化床装置时,将导致网格数量过于庞大,远超现有计算能力。为提高计算效率的同时不损失模拟精度,提出了基于局部非均匀假设、适用于粗网格的拟泡-乳三相非均匀曳力(PBTD)模型。该模型将流化床分为乳化相气体、乳化相颗粒以及气泡三相,分别建立守恒方程,体现气泡的非均匀特性对气固曳力的影响。乳化相内气固曳力以及气泡相与乳化相内颗粒的曳力分开考虑。采用PBTD模型耦合传质和反应模型,建立基于局部非均匀假设的高温费托合成反应器三维流动-传递-反应模型,包括各相守恒控制方程、气泡尺寸模型、相间物质和动量交换模型、高温费托合成反应动力学模型以及初始和边界条件,预测反应器内的流场和组分浓度分布。研究结果表明:在粗网格条件下,非均匀曳力模型可以预测床层内相含率的分布情况,预测的床层膨胀高度与经验公式计算值接近,偏差为1.2%。反应器出口气体组分的质量分数与试验测量值相近,偏差在1.5%~16.0%。模拟结果证实,基于非均匀假设的PBTD模型适用于模拟工业规模的鼓泡流化床反应器,对其设计开发和工业运行具有指导价值。

关键词：煤间接液化高温费托合成气固鼓泡流化床非均匀曳力模型计算流体力学

炉排式垃圾焚烧炉参数敏感性分析与燃用高热值垃圾运行优化的数值模拟

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环境工程学报 2023年第3期17卷 967-978页

作者：黄冠夏梓洪陈彩霞华东理工大学资源与环境工程学院上海200237

针对垃圾热值提高造成的炉排式垃圾焚烧炉受热面超温问题,采用计算流体力学(CFD)方法模拟焚烧炉内垃圾焚烧过程,并将模拟结果与Morris敏感性分析方法结合,考察一次风温度、过量空气系数、干燥段风量占比和垃圾停留时间4个输入参数改变... 详细信息

针对垃圾热值提高造成的炉排式垃圾焚烧炉受热面超温问题,采用计算流体力学(CFD)方法模拟焚烧炉内垃圾焚烧过程,并将模拟结果与Morris敏感性分析方法结合,考察一次风温度、过量空气系数、干燥段风量占比和垃圾停留时间4个输入参数改变对垃圾着火位置和下炉膛最高烟气温度2个输出参数的敏感性,以评估各参数对炉内垃圾焚烧的影响,得到更为有效的运行参数调整方案。结果表明,垃圾停留时间是最敏感的控制参数,一次风温度和炉排配风比例也是较敏感的参数。在此基础上,对某1000 t·d^(-1)焚烧炉燃用高热值垃圾运行优化开展模拟分析发现,缩短垃圾停留时间和调整炉排配风比例使着火点位置接近基准垃圾工况,使烟道前侧壁面附近温度降低93 K;进一步调整后墙二次风入射角至水平,可显著降低进料口壁面附近温度,且烟气温度、氧气和未燃气体的体积分数均满足国家排放标准。本研究结果可为炉排式垃圾焚烧炉燃用高热值垃圾的运行优化提供参考。

关键词：炉排式垃圾焚烧炉 CFD模拟敏感性分析高热值垃圾焚烧优化

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垃圾焚烧炉炉排气固两相燃烧数值模拟

中国电机工程学报 2020年第2期40卷 601-608页

作者：单朋夏梓洪陈彩霞杜海亮黄洁白力华东理工大学资源与环境工程学院上海市徐汇区200237 上海康恒环境股份有限公司上海市青浦区201703

CFD模拟是研究垃圾焚烧的重要方法之一,对焚烧炉的设计和运行有重要指导意义。炉排燃烧模拟是链条式焚烧炉模拟的关键部分。利用FLUENT平台开发炉排气固两相流动与燃烧模型,引入颗粒动理学理论(KTGF)描述床层固体的流变性质,考虑垃圾在... 详细信息

CFD模拟是研究垃圾焚烧的重要方法之一,对焚烧炉的设计和运行有重要指导意义。炉排燃烧模拟是链条式焚烧炉模拟的关键部分。利用FLUENT平台开发炉排气固两相流动与燃烧模型,引入颗粒动理学理论(KTGF)描述床层固体的流变性质,考虑垃圾在炉排上的水分蒸发、脱挥发分、挥发分燃烧和焦炭燃尽过程。额定工况模拟结果显示,水分蒸发主要发生在炉排干燥段,对应的床层温度较低,约为400K;挥发分释放及燃烧聚集于燃烧段,最高温度1400K;剩余焦炭继续燃尽于第三段炉排,温度维持在900K。将炉排计算结果导入三维炉膛,经与现场温度测点对比,验证模型的有效性。进一步对比80%和110%工况下的炉排燃烧情况,结果符合预期。研究切实考虑了炉排的实际结构,实现炉排-炉膛的直接耦合计算,为大型炉排式垃圾焚烧炉的CFD模拟提供了一种高效的实用方法。

关键词：垃圾焚烧炉排模拟气固两相燃烧颗粒动力学理论

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垃圾焚烧炉炉拱改造与燃烧优化的数值模拟

环境工程学报 2012年第11期6卷 4191-4196页

作者：李秋华夏梓洪陈彩霞张小可华东理工大学资源与环境工程学院上海200237 上海环境集团上海200040

炉排式垃圾焚烧炉在处理比设计水分高、热值低的垃圾时,容易出现着火位置滞后、垃圾"烧不透"、残炭含量高等问题。采用FLIC软件的床层模型和商业软件FLUENT,对焚烧炉炉排和炉膛燃烧过程进行了模拟计算。结合某城市生活垃圾焚烧炉存在的... 详细信息

炉排式垃圾焚烧炉在处理比设计水分高、热值低的垃圾时,容易出现着火位置滞后、垃圾"烧不透"、残炭含量高等问题。采用FLIC软件的床层模型和商业软件FLUENT,对焚烧炉炉排和炉膛燃烧过程进行了模拟计算。结合某城市生活垃圾焚烧炉存在的燃烧不完全问题,通过一系列的数值实验,探索后拱高度和挡板的有无对燃烧过程的影响。比较了炉拱辐射强度、挥发分质量分数、温度沿炉排长度方向的分布以及炉膛内的速度矢量图。结果表明,降低后拱高度或增加挡板均可使着火位置有不同程度的前移;同时降低炉拱高度和增加挡板可使着火位置前移约1.1 m,提前进入稳定燃烧阶段。

关键词：垃圾焚烧炉燃烧炉拱挡板数值模拟

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煤催化加氢气化研究进展

洁净煤技术 2021年第1期27卷 60-72页

作者：严帅夏梓洪陈彩霞曲旋毕继诚华东理工大学资源与环境工程学院上海200237 中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室山西太原030001

煤加氢气化制天然气技术具有工艺路径短、热效率高等优点,其应用基础研究备受关注。但煤中存在部分致密的芳香碳结构,加氢反应性较差,即使在苛刻的反应条件下(~1 000℃、~7 MPa H_2),仍难以转化。通过引入催化剂,进行煤催化加氢气化可... 详细信息

煤加氢气化制天然气技术具有工艺路径短、热效率高等优点,其应用基础研究备受关注。但煤中存在部分致密的芳香碳结构,加氢反应性较差,即使在苛刻的反应条件下(~1 000℃、~7 MPa H_2),仍难以转化。通过引入催化剂,进行煤催化加氢气化可在温和的反应条件下实现煤的碳转化率和CH_4收率的同步提高。论述了碱金属(K、Na等)、碱土金属(Ca)和过渡金属(Fe、Co、Ni等)催化剂对模型碳加氢气化的催化作用原理。探讨了反应温度、氢气压力、和碳结构对C-H_2催化反应的影响规律,分析了适用于原煤催化加氢气化的最佳催化剂及工艺条件,并从CH_4和轻质液体焦油等产物生成规律、煤中碳结构随着反应进行的衍变过程等角度,讨论了催化剂分别对煤加氢热解和热解半焦加氢气化的催化作用行为。提出了煤催化加氢气化联产CH_4和轻质液体焦油技术从基础走向应用的进一步研究建议。现有研究结果表明,过渡金属与碱土金属组成的二元催化剂(Fe/Co/Ni-Ca)对煤加氢气化的活性较高。过渡金属元素在反应过程中主要提供C-H_2反应所需的活性氢,并削弱C—C键的键能;碱土金属元素Ca主要促进Fe/Co/Ni的分散,防止其发生硫中毒失活,并增强Fe/Co/Ni与碳之间的相互作用。温度升高一方面为化学键断裂过程提供了更高能量,加速C-H_2反应,另一方面促进催化剂在煤结构中扩散,提升催化剂的供氢和断键效率。升高压力促进了活性氢的供应,同时CH_4浓度得到稀释,反应向生成CH_4的方向移动。以5%Co-1%Ca为催化剂,在850℃、3 MPa H_2反应条件下,30 min内可同时达到90.0%的碳转化率和77.3%的CH_4收率。Co-Ca催化剂在煤加氢热解过程中具有催化解聚和催化加氢的作用,提高焦油和CH_4收率,同时催化剂在煤加氢热解过程中对煤结构产生催化活化作用,使得生成的半焦具有较高的气化活性。煤催化加氢气化的机理研究目前仍处于推测阶段,另外,该技术气化剂、煤种的适应性,催化剂循环利用性能有待进一步阐明。

关键词：煤催化加氢气化甲烷轻质液体焦油碳结构

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多晶硅流化床反应器内气固两相流场与气泡尺寸分布的TFM-KTGF模拟

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华东理工大学学报（自然科学版） 2015年第6期41卷 758-764页

作者：陆时杰陈彩霞夏梓洪倪昊尹华东理工大学资源与环境工程学院煤气化及能源化工教育部重点实验室上海200237

硅烷流化床法是生产太阳能级多晶硅的重要技术,流化床反应器床层内的气泡大小和分布特性是影响晶体硅纯度和致密度的关键因素。使用TFM-KTGF两相流模型,基于Ansys Fluent软件平台模拟计算了多晶硅流化床内气固两相流场。在200倍粒径的... 详细信息

硅烷流化床法是生产太阳能级多晶硅的重要技术,流化床反应器床层内的气泡大小和分布特性是影响晶体硅纯度和致密度的关键因素。使用TFM-KTGF两相流模型,基于Ansys Fluent软件平台模拟计算了多晶硅流化床内气固两相流场。在200倍粒径的网格尺寸条件下,对直径0.5m的圆柱形流化床多晶硅反应器内等温流场进行了模拟,借助Matlab图像处理工具对气含率进行后处理,得到多晶硅流化床内气泡尺寸分布。比较了经典的Gidaspow曳力模型和文献报道的亚网格修正曳力模型(SGS)对气泡尺寸分布的影响。结果表明:由SGS模型得到的平均气泡尺寸沿床高变化规律与Mori-Wen经验公式较吻合,最大偏差是12.6%,小于Gidaspow模型的21.4%;使用不同的曳力模型对气泡分布特性有较大影响。这些结果为进一步开展多晶硅反应器的热态模拟研究提供了基础。

关键词：流化床 TFM-KTGF 多晶硅曳力模型气泡尺寸分布

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鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟

化学工程 2012年第9期40卷 48-51页

作者：徐礼嘉陈彩霞夏梓洪袁伯若华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室上海200237

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示... 详细信息

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示二维模拟使用RNG k-ε湍流模型、三维模拟使用标准k-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。

关键词：鼓泡塔数值模拟双流体模型湍流模型

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多喷嘴对置式粉煤气化炉的数值模拟

化学工程 2012年第7期40卷 74-78页

作者：李秋华曹月丛夏梓洪陈彩霞高晋生华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室上海200237

采用k-ε湍流模型对多喷嘴对置式粉煤气化中试装置进行了三维数值模拟研究。引入了多反应进程变量MSPV方法分别模拟了煤的脱挥发分、焦炭与氧气、焦炭与二氧化碳和焦炭与水蒸气的4个过程;用截断高斯分布的PDF函数表示湍流对化学反应的... 详细信息

采用k-ε湍流模型对多喷嘴对置式粉煤气化中试装置进行了三维数值模拟研究。引入了多反应进程变量MSPV方法分别模拟了煤的脱挥发分、焦炭与氧气、焦炭与二氧化碳和焦炭与水蒸气的4个过程;用截断高斯分布的PDF函数表示湍流对化学反应的影响。模拟结果显示:常压下,火焰主体温度约2 500 K;除喷嘴区域外,煤中释放的气体在气化炉内分布均匀;焦炭与二氧化碳、焦炭与水蒸气的气化反应主要集中在折返流区。喷嘴高度上移0.2 m,撞击流股速度增加约50%,拱顶附近温度上升108 K。氧煤比/水蒸气煤比增大,撞击流对炉顶的冲刷力显著增加。

关键词：四喷嘴对置式粉煤气化炉数值模拟 MSPV PDF

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三类篦齿流动特性计算分析

燃气轮机技术 2018年第2期31卷 37-41,67页

作者：吴丽军夏梓洪中国航发商用航空发动机有限责任公司上海201108

为掌握直齿、斜齿、台阶齿三种结构在不同转速、旋转半径、齿数、篦齿高度、齿顶间隙、齿间距参数下的流动变化情况,本文对三类篦齿模型开展数值计算。在仅调整一项影响因素的情况下,分别分析转速、旋转半径、齿数、篦齿高度、齿顶间隙... 详细信息

为掌握直齿、斜齿、台阶齿三种结构在不同转速、旋转半径、齿数、篦齿高度、齿顶间隙、齿间距参数下的流动变化情况,本文对三类篦齿模型开展数值计算。在仅调整一项影响因素的情况下,分别分析转速、旋转半径、齿数、篦齿高度、齿顶间隙、齿间距变化对流量的影响。经分析,齿顶间隙、齿数及旋转半径对流量变化影响较大,齿高、齿间距、转速的影响较小。

关键词：空气系统篦齿流动特性数值计算