35t/h内循环流化床锅炉流动数值模拟

采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型,对35t/h内循环流化床锅炉炉膛的气、固流动特性进行了数值模拟。结果表明:炉膛压差的模拟值与实验值吻合较好,说明欧拉双流体模型能够准确地描述炉膛内气、固流动特性;颗粒体积分数和速度分布特性既揭示了内循环流化床中颗粒的内循环流动机理,又为内循环流化床大型化和流动结构优化提供了参考。     

多喷嘴对置式气化炉内气固两相流动与炉壁的颗粒捕捉特性

对多喷嘴对置式气化炉内复杂的气固两相流动与炉壁的颗粒捕捉特性进行三维数值模拟。应用Euler-Lagrange模型模拟气固两相流动,采用Realizable k-ε湍流模型计算炉内气相湍流流场,颗粒轨迹跟踪采用随机轨道模型。模拟结果与冷模测试数据吻合,且流场与热模实验现象一致,壁面捕捉颗粒平均粒径与热态水煤浆气化实验数据吻合。工业规模模拟结果表明,壁面捕捉的颗粒平均粒径呈现一定的规律性,存在两个极大值位置,分别在喷嘴平面下方0.2 m及上方2.8 m处,在喷嘴平面上方,壁面捕捉颗粒粒径随颗粒密度的增大而减小;颗粒沉积能基本覆盖整个炉膛内壁,颗粒在撞击流股作用下在喷嘴平面上方1.8 m及下方1.9 m处沉积量最大;缩短喷嘴上方直段高度将影响炉内流场,拱顶对撞击流股产生一定的限制作用,使其变短变宽,并且使拱顶捕捉颗粒粒径增加,颗粒沉积速率增加。     

射流速度对多喷嘴干粉气化炉内反应流动的影响

建立了描述气化炉内流动和反应的综合数学模型,对安徽科达洁能股份有限公司(以下简称"科达洁能")研制的旋流撞击式干粉气化炉进行了模拟计算,分析了不同气化剂射流速度对气化炉内流场和温度分布的影响。结果表明,提高气化剂射流速度能有效改善气化炉内的气固混合情况,回流区域变大,炉内整体温度水平上升,出口有效气组分提高;同时,射流速度的提高也导致气流冲击气化炉拱顶的速度变大,出口煤气的温度上升,对下游处理设备的要求提高。因此,应根据工艺要求,合理选择喷嘴气化剂的射流速度。     

气流床气化炉综合模型及颗粒粒径对气化结果的影响研究

采用颗粒停留时间分布表征炉内颗粒流动,建立了一种考虑了炉体结构、颗粒粒径以及煤焦反应动力学的气流床气化炉综合模型,其中包含了煤脱挥发份、均相反应、非均相反应、气-固相能量方程、相间传热等子模型。模拟结果与多喷嘴对置式水煤浆气化炉工业运行数据吻合良好,考察了气相组分、温度以及不同粒径颗粒的碳转化率和温度在炉内的一维无因次分布。对模拟结果的分析表明:煤颗粒的预热、脱挥发份和燃烧过程在约30 ms内完成,气化过程占颗粒反应历程的绝大部分;气化炉内100μm以下的小颗粒升温速率快,且温度较高,碳转化率基本接近100%;而200μm以上的大颗粒升温速率较慢,碳转化率较低,影响了气化炉整体碳转化率。     

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。     

65 t/h高低差速循环流化床流动特性模拟

对一台65 t/h高低差速循环流化床炉内流动特性进行二维数值模拟。采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型来描述气固流动,湍流模型、气固曳力模型和不同粒径颗粒间曳力模型分别采用RNG k-ε per phase模型、Gidaspow模型和Schiller-naumann模型,并应用商业计算流体力学软件Fluent进行数值计算,得到炉内颗粒速度分布、压力分布和颗粒浓度分布,并将压力分布与实测值进行对比。在欧拉双流体模型中分别采用单粒径固相模型和多粒径固相模型,并对模拟结果进行对比分析。结果表明,单粒径固相模型能够较好预测高低差速循环流化床炉内流动特性,为其优化设计、运行及大型化提供了理论依据。     

分级供氧气流床气化炉冷态流场的数值模拟与实验研究

采用标准k-ε湍流模型,运用SIMPLE算法对分级供氧气流床气化炉炉内的流场进行了数值模拟,并对实验测量结果与数值模拟结果进行比较,得到两者吻合的结果。通过对模拟结果进行分析,发现炉膛内存在回流区,并不是一个简单的平推流;二次喷嘴的开启对喷嘴所在面的流场有较大影响;同时二次喷嘴的高度对炉内流场分布也有影响。     

三维循环流化床气化炉气固流动全回路模拟

基于欧拉双流体模型和颗粒流动理论对实验室规模的循环流化床气化炉进行了全三维模拟,考察了炉内压力和固体颗粒的分布特征,并进一步比较了操作条件对炉内气固两相循环流动的影响差异。模拟结果表明:提升管内呈上稀下浓的颗粒分布,径向处存在边壁浓中心稀的环合结构,下降管内能够形成堆积较为密实的料封,模拟得到的系统压力环路与试验值较吻合。藏量、粒径和入口气速均会影响炉内的固体颗粒浓度和压力分布,合适的粒径和入口气速条件与颗粒终端速度的匹配是影响炉内稳定循环流化的关键因素。     

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。     

分解炉内气固两相流动特性的数值模拟

采用Eulerian—Eulerian气固两相双流体模型、大涡模拟方法模拟气相湍流流动、颗粒动力学理论模拟颗粒相流动,数值模拟分解炉内气固两相流体的动力特性。用小波分析方法研究分解炉内气固两相湍流特性。在分解炉中心区域形成高浓度-高速度的上升颗粒流、在壁面区域形成高浓度、低速度的下降颗粒流,构成颗粒的内循环流动。     

顶置七喷嘴气化炉冷态速度场研究

为研究顶置七喷嘴气化炉流场情况,基于相似准则设计并模拟工业规模干粉气化炉条件,采用激光多普勒动态分析仪(PDA)在高4 000 mm、直径800 mm的模型炉中测定了顶置七喷嘴的速度场分布,并与单喷嘴速度场进行对比。结果表明:单喷嘴偏向于中心射流,而顶置七喷嘴轴向速度沿径向分布速度剪切小,更倾向于平推流,且顶置七喷嘴中心轴向速度衰减快,颗粒不易"短路"。此外,相比单喷嘴而言,顶置七喷嘴回流区域更小且中心气固混合效果更好。而通过计算出的回流比结果表明,顶置七喷嘴在喷嘴出口附近的回流比较高,能有效促进气化剂与燃料的混合,提高气化碳转化率。     

工业燃气增压粉煤气流床气化炉数值模拟

对制工业燃气的新型增压气流床气化炉气化过程采用三维数值模拟研究,建立可靠的数学模型,预测了气流床气化炉内的流场分布、温度分布以及气体成分分布,并对模拟结果进行了分析.结果表明,炉内流场能够合理地反映气化炉内的反应趋势及进程;该炉型结构能够使炉内温度场均匀,平均温度水平上升;出口气体成分的模拟值与文献值吻合良好.     

基于双组分PDF模型的GSP气化炉数值模拟

GSP气化炉是国内最近引进的西门子公司开发的粉煤气化技术,由于对其炉膛内气固反应流动特性认识不足,运行中出现耐火砖烧穿、合成气含灰过高等问题。利用数值模拟方法,采用双组分PDF模型耦合湍流-化学反应、随机轨道法耦合湍流-颗粒运动,针对GSP气化炉内多相反应流场建立三维数值模型。计算结果与实验值及文献计算结果一致,表明该模型可用于GSP气化炉的模拟计算。研究发现,炉膛内流场主要分为旋转射流区、内回流区、外回流区和管流区。高温区位于发生氧化反应的旋转射流区和内回流区上部,而外回流区和管流区主要发生还原反应,温度较为均匀;炉膛高度1/3位置处为高温火焰直接冲刷处,在运行时需重点考虑该位置的热防护。     

多喷嘴对置式撞击流反应器流场的数值模拟

为探讨多股撞击流反应器内流场的特点,利用Fluent软件对两喷嘴对置式和四喷嘴对置式撞击流反应器内流场进行模拟,研究了在不同工况下这两种撞击流反应器内的流场结构,设定进口流速分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s。模拟结果表明,进口流速由5 m/s增加到25 m/s时,反应器内流体流动的平均速度及压力波动增大为原来的4.1倍和16.2倍,其速度梯度和压力平均波幅也增大为原来的5.0倍和25.4倍。通过对两种不同结构的撞击流反应器的比较可以得到四喷嘴对置式撞击流反应器内流体流动产生的速度梯度和压力平均波幅更大,其值都约为二喷嘴对置式撞击流反应器的1.2倍,因而四喷嘴对置式撞击流反应器内剪切力场更强,脉动更强烈,更有利于反应器内的湍动混合。     

熔渣气化炉喷嘴燃烧区行为的数值模拟研究

燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现：工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向上发展;气体在熔渣气化炉中心区域的流动速度为2.5 m/s左右,但未形成“高速对撞区”;高温区出现在燃烧空腔外表面附近特别是正对喷嘴且靠近炉中心的区域,该区域的温度可以达到约2000℃;氧气主要分布在气化剂喷嘴前端约0.5 m的空腔内,一氧化碳的分布区域与水蒸气在空间上有较大程度重叠,二氧化碳主要在喷嘴前端空腔外壳附近生成,氢气浓度较高的区域则出现在燃烧区对应空腔的上沿;沿喷嘴轴线方向,气体温度呈先升至峰值再逐渐下降的趋势。随着气化剂流量的增大,燃烧温度极大值出现的位置逐渐朝炉中心处移动,并呈较明显的线性变化规律。     

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。     

复合喷动反应塔气固反应区内循环特性

对复合喷动烟气净化塔内气固二相流动特性进行了数值模拟,得到了塔内气固二相流动特性。通过与传统反应塔对比,分析了复合喷动反应塔内循环的形成机理和气固主反应区流场分布特性。在此基础上,针对该型反应塔的工艺参数进行了优化研究。由结果可知,复合喷动反应塔可在气固主反应区形成良好的内循环,合适的回流区可延长颗粒塔内停留时间,有效增强内循环。回流区大小随入口风速的提高先增大后减小,并在入口风速为25 m/s附近存在最大值。烟气净化塔内颗粒停留时间随入口风速和颗粒粒径的变化均呈先增大后减小趋势,分别在入口风速为25 m/s、颗粒粒径为500μm时达到最大值。     

油渣经喷嘴在加压固定床熔渣气化炉喷射效果数值模拟

为了探索油渣在固定床熔渣气化炉气化的可行性,利用固定床熔渣气化炉将油渣与煤共气化,生产清洁合成气或燃气,拓宽油渣的高效利用途径,研究油渣在加压固定床熔渣气化炉内经喷嘴喷射后的分散效果,以神华煤直接液化残渣为研究对象,利用数值模拟软件Ansys Fluent,采用Realizableκ-ε湍流模型模拟湍流流动,采用欧拉-欧拉法中的VOF模型模拟气液两相流动,研究了加压下油渣温度、油渣喷射速度、空气喷射速度对油渣在工业级加压固定床熔渣气化炉内喷射效果的影响,喷嘴结构采用双通道结构,喷嘴中心通道输送油渣,环隙通道输送气化剂(用空气代替),通过分析比较确定了最优的喷射方案。结果表明,加压条件下油渣黏度随温度上升总体呈下降趋势; 210～240℃,随温度升高,油渣黏度急剧下降; 240～400℃,随温度升高,油渣黏度仍下降,但降幅逐渐减弱;温度超过400℃后,随温度升高,油渣黏度逐渐上升,这可能是油渣发生缩聚反应导致。喷射温度对油渣在气化炉内的喷射效果起决定性作用,油渣温度越低,油渣喷射后的扩散效果越好,但油渣喷射温度过低时,大量油渣因为黏度较大导致喷射较短距离即开始受重力影响向下流动,甚至出现沿壁面流入渣池中的现象,存在一个较优化的喷射温度区间,油渣雾化效果的选择应综合考虑扩散和贴壁的现象。油渣在加压下喷射,通过气化炉压力和动力黏度两方面影响油渣在气化炉内的喷射效果,提高喷射压力,如需达到同样的喷射效果,需要提高油渣的喷射温度,以降低油渣动力黏度;油渣喷射速度2.5～10.0 m/s时,对油渣在气化炉内的雾化效果影响不大,空气喷射速度5～20 m/s时,空气喷射速度越高,油渣在气化炉内的雾化效果越好。综合考虑,4.5 MPa下,油渣喷射温度230～260℃,油渣喷射速度5 m/s左右,空气喷射速度10 m/s左右是比较合适的喷射方案,油渣喷射综合效果更好。     

煤气化技术工业应用概况及工艺选择(下)

正1.3气流床气化工艺气流床气化工艺有干法进料和湿法进料2种形式,将煤粉(粒度100μm)或煤浆与气化剂一起由喷嘴高速喷入气化炉,气化炉内气流速率超过颗粒夹带气速,气固并流运动并发生高温燃烧和气化反应(约1 500℃),煤灰呈熔融状排出气化炉。气流床气化的高温、高压、强混合过程有利于提高气化强度,具有生产能力大、碳转化率高、煤气     

喷嘴入口位置对气化炉流场影响的实验研究

为了考察气化炉炉侧喷嘴入口位置对炉内流场和颗粒浓度分布的影响规律,在新型水煤浆气化炉冷模三维实验台上进行了大量的实验研究,并与数值模拟计算结果进行了对比,结果表明,当喷嘴距气化炉顶部0.9 m时,气化炉炉内流场分布最合理,颗粒浓度分布最均匀;实验测试结果和数值模拟计算结果非常接近,进一步验证了数值模拟计算结果的准确性.实验测试结果为气化炉的设计和运行提供了参考.