双出口分级气流床气化炉内颗粒速度和浓度分布

煤炭分级利用是煤炭高效低碳利用的主要途径之一,提出一种同时制备热解气和合成气的分级气流床气化炉,炉体上部为煤热解室,下部为煤焦气化室。采用PV6M颗粒测速仪对气化炉内固体颗粒的速度和浓度分布进行测量,并运用CFD软件对气化炉内气固两相流场进行模拟。结果表明,在射流发展区域与射流碰撞后的折射流发展区域,颗粒速度较高;边壁区域颗粒速度较低且出现回流现象。在惯性和气流曳力作用下,热解室内大部分颗粒自流进入气化室。热解室上部径向颗粒浓度中心高边壁低;气化室下部径向颗粒浓度中心低边壁高。热解室与气化室进气量比、喷嘴角度及颗粒直径等对气化炉出口颗粒流出量分配有重要的影响。热解室进气量增大,颗粒从热解室出口流出占比先减小后增大;热解喷嘴偏转角与颗粒Stokes数增大,颗粒从热解室出口流出占比减小。     

单喷嘴气化炉内稠密气-固两相旋流浓度场研究

旋转射流在实际工程中应用广泛,利用PV6D颗粒测速仪测量了旋转射流气化炉内颗粒的浓度场特性。结果表明：加旋情况下,喷嘴轴线处的颗粒浓度较不加旋时衰减快,在气化炉上部的测量截面上,颗粒浓度的径向呈＂驼峰＂分布,而在气化炉下部则分布较均匀;随着固气质量比和颗粒粒径的减小,颗粒轴线的相对浓度衰减加快。     

基于PIV技术的七喷嘴气化炉流场研究

为研究七喷嘴气化炉的流场分布,建立了顶置七喷嘴气化冷模试验装置,采用激光粒子成像测速系统(PIV)在气化炉的上部、中部及下部视窗进行了流场测试,比较分析了颗粒流量、分散风流量对气化炉流场的影响。结果表明,在颗粒流量20~150 kg/h,分散风流量740~880 m3/h的工艺条件下,气化炉上部流场呈现自由射流特点,射流长度为40 cm,平均射流速度为25 m/s,中下部流场则以返混区为主,流速在8 m/s以下;颗粒流量增大会使得最大射流速度由40 m/s降低至15 m/s,且气化炉上部射流粒子束的径向脉动增强,造成射流弥散;分散风流量增大使得最大射流速度由25 m/s增至35 m/s,射流长度无明显变化。颗粒流量和分散风流量对流场的影响主要体现在气化炉上部,对中下部流场的影响逐渐减弱。     

多射流锥形对撞流气流床流场特性实验及模拟研究

为了考察多射流锥形对撞煤加氢气流床内的冷态流场情况,以3 t/d的热态煤加氢气化炉为依据建立了气流床冷模装置。使用三维动态颗粒分析仪(3D-PDA)对气流床内的速度场进行了测量,同时使用Fluent软件,采用κ-ε模型对气流床内的流动情况进行了模拟研究,模拟结果与实验结果能较好地吻合。结果显示:多射流锥形对撞气流床内的流体流动分为对撞区、射流区、回流区和管流区,在考察范围内,随着进气速度的增加,回流区的体积占比先增大后减小;随中心喷嘴携带气速度的增加,射流区速度增大,且较进气速度的影响更为敏感;适当增加进气角度,则会降低射流区速度,增大回流区体积。     

多段分级转化流化床提升管速度场的研究

针对流化床煤气化过程中需要长气固接触时间和高固体浓度,开发了耦合灰熔聚流化床和提升管的多段分级转化流化床。为了研究多段分级转化流化床提升管中局部颗粒速度的径向、轴向分布,在不同的操作条件下,采用PV-6型颗粒速度测量仪在冷态实验装置中系统测定提升管内局部颗粒速度。实验结果表明:提升管中任何径向、轴向位置的颗粒速度随着操作气速的增大而增大,随循环量的增加而减小。操作条件对中心区颗粒速度变化的影响明显高于边壁区。颗粒的加速首先发生在提升管中心区域,然后向边壁区域扩展。颗粒速度径向分布的不均匀性沿轴向逐渐增大,并且受操作气速影响比较大。     

固定床熔渣气化炉内冷态气固两相流动特性

为了研究固定床熔渣气化炉喷嘴射流速度和安装角度对炉内流场的影响,搭建了固定床熔渣气化炉冷态试验平台,并结合Fluent软件进行了建模。结果发现:(1)随着气体流量和射流速度的不断增加,气体在物料内部的穿透距离不断加长;(2)随着喷嘴下倾角度的增加,射流深度、回流区径向深度及回流区高度呈不断减小趋势;当喷嘴下倾5°~10°布置时为最优工况,料层内部喷嘴方向射流穿透深度适中,炉内流场分布较好;(3)随着喷嘴切圆角度的不断增大,喷嘴对冲碰撞作用越小,气流逐渐偏离径向区域,喷嘴轴截面气体分布量逐渐变少,料层内部射流穿透深度先增大后减小。综合考虑各因素,喷嘴下倾5°并切圆旋转10°布置时,料层内部水平方向射流穿透深度最大,炉内流场分布较好。     

水煤浆气流床气化过程中氮的迁移

在四喷嘴对置式气流床气化炉中,考察了水煤浆在不同氧碳比气化条件下HCN、NH₃、NO和N₂的轴径向浓度。结果表明：氮污染物(HCN、NH₃、NO)在喷嘴平面处即产生并浓度最高,其主要来源于煤粒快速热解时析出的挥发分,远离喷嘴平面时三者浓度大幅降低并大多转化为N₂,且氧碳比增高有利于N₂的生成,气化室出口处浓度N₂>HCN>NH₃>NO;流场分布使气化室出口附近径向浓度基本一致,而其上部各平面位置靠近炉壁处浓度较低;煤浆中的适量水分有利于HCN和NH₃生成,但过量水分不利于挥发氮析出,使HCN、NH₃和NO生成量降低。     

新型干煤粉气流床气化炉的冷态数值模拟

为了考察基于无焰氧化技术所提出的新型干煤粉气流床气化炉的流场和颗粒停留时间分布特性,对该气化炉进行三维冷态数值模拟研究,得到了不同工况下的模拟结果,可知:单喷嘴切向进气工况导致炉内速度场发生了偏移;双喷嘴中心对称切向进气工况导致炉内形成外圈速度大、内圈速度小的对称旋转梯度场。随着进口总气速、颗粒平均直径和颗粒密度的增大,气化炉内颗粒停留时间逐渐减小。颗粒停留时间随颗粒平均直径增大的减幅较随颗粒密度增大的减幅更大。当颗粒入射角度为正时,随着入射角度的增加,颗粒停留时间逐渐增大;当入射角度为负时,随着入射角度的增加,颗粒停留时间逐渐减小。     

喷嘴收缩角度对射流反应器内颗粒浓度分布及发展的影响

为了强化气固射流反应器内颗粒弥散和气固混合性能,采用光纤探针对不同喷嘴收缩射流颗粒浓度分布规律及其发展特性进行了研究;考察了射流速度和颗粒负载率对颗粒浓度分布、质量、动量和回流通量的影响。结果表明,喷嘴收缩效应使颗粒向射流轴线汇聚形成局部浓相区,收缩角的增大使浓相区向喷嘴靠近。回流卷吸和壁面效应的共同作用使颗粒浓度沿径向呈“多段式”分布特征。颗粒在射流轴线的汇聚和边壁区的富集降低了颗粒分布的均匀性。在射流近场,颗粒的质量和动量通量主要发生在射流剪切层;随剪切层的发展其通量峰值向边壁移动,而近壁区的颗粒回流使质量和动量通量显著增加。     

气流床气化炉的CPFD数值模拟

利用CPFD(computational particle fluid dynamics)模拟方法对三维、全尺寸的气流床气化炉进行了模拟计算,建立起了适用于CPFD模拟方法的气化模拟模型。模拟结果与实验数据相一致,说明模型基本准确且CPFD模拟方法适用于气流床气化过程的模拟。借由CPFD模拟方法给出了颗粒相在气化炉中的具体反应历程及颗粒停留时间的概率分布;结果表明,在单喷嘴顶喷的气化炉中,同时存在颗粒相的轴向流动短路及返混,短路主要发生在炉中心区域;颗粒在炉中心区域反应剧烈而边壁区域反应则很缓慢,而且从气化炉流出的第一股短路颗粒主要由充分反应了的粉煤颗粒构成。     

鼓泡流化床内高灰煤气化过程的颗粒尺度特性研究

基于多相流体质点网格方法(MP-PIC)对高灰煤在三维鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟研究。在欧拉-拉格朗日框架下将气相和固相分别视作连续介质和离散相处理。首先,将模拟得到的出口处气体组分结果与实验数据进行对比,实验数据与模拟结果具有良好的一致性。其次,研究了煤颗粒在气化炉内的温度、传热系数、速度和停留时间,从颗粒尺度揭示了鼓泡流化床气化炉内的颗粒分布特性和气固流动特征。结果表明:在气化炉入口附近煤颗粒与床层温差最大,传热系数最大;由于流化床内强非线性的气固流动,床中煤温度和传热系数的空间分布不均匀;煤颗粒和床料的瞬时速度具有稳定的波动幅度,其中垂直方向速度波动最明显,且煤颗粒的瞬时速度比床料的瞬时速度略大;由于颗粒间的剧烈碰撞,延长了煤颗粒停留时间。此外,对鼓泡流化床中煤气化过程颗粒尺度的研究,有助于深入了解固体颗粒的流动行为以及气固相相互作用特性,对鼓泡流化床反应器的设计优化具有重要意义。     

BGL炉煤气化过程建模和模拟

建立了BGL气化炉的三维非稳态煤气化模型,模型考虑煤炭颗粒的收缩过程,应用收缩核模型集成煤热解模型、气相湍流模型、气固流动模型、气固异相反应模型、气相均相反应模型、能量守恒方程以及相间传热模型等。该模型充分考虑了气化炉内部三维空间的温度和组成分布,通过煤热解段模型化学计量参数优化,得到CO/H₂摩尔比在1.59左右,符合BGL炉热解段运行机制;然后对BGL炉气化段过程进行三维非稳态模拟,模拟出口气组成(CO,H₂,CO₂,CH₄,H₂O,O₂)与文献结果对比,误差均小于4%。证明了BGL模型的准确性。基于该模型,本文对煤气化过程的主要参数进行影响分析。分析结果表明:煤气化效率随汽氧比的增加而提高,当汽氧比确定在1～1.3之间可以满足工艺要求及生产的需要,适合本文研究所用褐煤的特点;氧煤比增加会降低煤气化效率,但合成气中有效气的含量呈现出先增大后减小的趋势,当氧煤比在0.17左右时有效气含量达到峰值;随着煤粒直径的增加,BGL炉内的温度呈降低趋势,最高温度从...     

二维喷嘴内稠密气固射流稳定性实验

利用高速摄像仪对二维喷嘴内稠密气固射流稳定性进行了实验研究,考察了颗粒粒径、料仓压力以及喷嘴收缩角等因素对射流流动模式及稳定性的影响。结果表明：对于颗粒粒径为78μm的气固射流,随着料仓压力的增大,射流出口速度增大,射流固含率降低,在料仓压力≥0.03MPa、射流速度≥4.82m/s、射流固含率≤0.168时,喷嘴内稠密气固射流出现气泡型的不稳定流动模式;随着颗粒粒径的增大,气固射流固含率降低,喷嘴内稠密气固射流从气泡模式转变为颗粒团不稳定流动模式;改变喷嘴收缩角对射流不稳定模式影响不大。利用微型压力传感器对喷嘴直管不同位置压力进行测量,结果表明压力脉动主要是由于气固射流中气泡及颗粒团的产生及演变导致的。研究表明,随着料仓压力增大,颗粒在喷嘴内向下运动过程中压降增加,渗透进颗粒流的气体分率增加,将导致喷嘴内气固相互作用增强,进而引起气固射流不稳定。     

固定床熔渣气化高速射流区气固运动行为研究

为研究固定床熔渣气化炉中气化剂喷嘴安装角度、喷嘴口径、气化剂射流速度与高速射流区深度的关系,利用模化原理对工业级气化炉高速射流区建立50 cm二维冷态模型,采用精密皮托管测量颗粒床层中的气体速度分布,并采用无量纲分析方法,对试验数据进行处理。结果表明:射流穿透深度与喷嘴口径的二次方大致成正比关系;射流深度随喷嘴安装角度的增大呈现先增加后减小的趋势,使得射流深度最大的安装角度为17°~20°;射流深度随射流气速增加呈增大趋势,并拟合出气化剂喷嘴安装角度、射流速度、喷嘴口径与射流区深度的无量纲关系式。     

受限气固两相射流的实验研究和数值模拟

采用PV4A颗粒测速仪测量受限气固两相射流流场中固体颗粒的速度和浓度并运用CFD软件对颗粒相进行数值模拟,模拟和实验结果基本吻合。结果表明,颗粒轴线速度衰减存在一个峰值而轴线相对浓度在起始段急剧衰减然后趋于平缓;颗粒因为湍流扩散在炉壁上有富集现象,并且相对于小粒径颗粒,大颗粒在壁面富集现象更明显。实验结果对粉煤气流床气化炉的工业应用有重要的参考意义。     

新型两段式气化炉的数值分析

对一种新型两段式水煤浆气化炉的气化效率进行了数值计算和分析。模型中将水煤浆的气化过程分为水分蒸发、煤热解、气相反应和气固异相反应等子模型。气相反应速率需同时考虑湍流混合和化学反应机理,气固反应的速率采用未反应缩芯模型。运用可实现k-ε模型描述气相湍流流动,随机轨道模型追踪水煤浆颗粒的运动。以中试多喷嘴水煤浆气化炉为建模基础,验证了该水煤浆气化模型的准确性。模拟计算得出新型两段炉的有效气组分含量为85.91%,冷煤气效率为76.42%。     

Thermophoresis effects on gas-particle phases flow behaviors in entrained flow coal gasifier using Eulerian model

A numerical model based on the Eulerian–Eulerian two-fluid approach is used to simulate the gasification of coal char inside an entrained flow gasifier. In this model, effects of thermophoresis of coal char particles are thoroughly investigated. The thermophoresis is due to the gas temperature gradient caused by absorpted heat of coal char gasification. This work, firstly, calculates the gas temperature gradient and thermophoretic force at1100 °C,1200 °C,1300 °C and 1400 °C wall temperatures. Then, the changes of particle volume fraction and velocity in the gasifier are studied in the simulation with thermophoresis or not. The results indicate that considering the particle thermophoresis has some effects on the calculation of particle volume fraction in the gasifier, especially at wall temperature of 1400 °C, and the maximum particle volume fraction variance ratio reaches up to 1.38% on wall surface of the gasifier. These effects are mainly caused by large gas temperature gradient along the radial direction of the gasifier. For the particle velocity, the changes are small but can be observable along radial direction of the gasifier, which has good agreement with the distributions of radial gas temperature gradient and thermophoretic force. These changes above may have certain effects on gasification reaction rates in this Eulerian model. So the change of gasification reaction rates in the simulation with thermophoresis or not is studied finally.     

含细长颗粒的洗涤冷却室内的多相分布特性

采用改进的直接取样法,在按几何尺寸缩小的工业气化炉洗涤冷却室冷模装置内,同时测量不同操作条件下的轴径向局部固含率和气含率,对细长颗粒在洗涤冷却室内的多相分布特性进行研究。结果表明：以下降管出口截面为界,洗涤冷却室可分为上部气液固混合区和下部固液流动区,其中上部区域由下降管出口区、破泡板作用区和气垫层区组成,下部区域由气相湍动作用区、回流区和二次流动区组成;在颗粒阻碍效应减速沉降和团聚效应加速沉降的共同作用下,轴向固含率呈现波动分布;环隙气速、固相体积分数和长径比的增加均会增强床层的湍动,促进气体的径向扩散;操作条件的改变使颗粒的漂移速度发生改变,径向固含率分布出现波动;在气相扰动和回流作用下,二次流动区呈现环状流动,流体和颗粒的"壁面效应"使该区域的固含率呈现中心高边壁低的特点。     

Jet penetration depth in a two-dimensional spout-fluid bed

The jet penetration depth was proposed to be an important parameter to describe the jet action during the chemical process of spout-fluid bed coal gasification. A two-dimensional cold model of a spout-fluid bed coal gasifier with its cross section of and height of 2000 mm was established to investigate the jet penetration depth. Four types of Geldart group D particles were used as bed materials. A multi-channel pressure sampling system and a high-resolution digital CCD camera were employed for experimental investigations. The effects of spouting gas velocity, spout nozzle diameter, static bed height, particle property and fluidizing gas flow rate on the jet penetration depth have been systematically studied by pressure signal analysis and image processing. Experimental results indicate that the jet penetration depth increases with increasing spouting gas velocity and spout nozzle diameter, while it decreases with increasing particle density, particle diameter, static bed height and fluidizing gas flow rate. Additional, a new correlation considered all of the above effects especially static bed height and fluidizing gas flow rate, was developed for predicting the jet penetration depth in spout-fluid beds. The correlation was compared with published experimental data or correlations, which was in well agreement with the present experimental results and some other references.