《多段分级转化流化床流动特性的数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多段分级转化流化床流动特性的数值模拟（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、国幽密级：中国科学院大学U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s硕士学位论文二零一三年四月B yH a i y a nW a n gAT h e s i sS u b m i t t e dt oU n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sI np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n tF o rt h ed e g r e eo
2、fM a s t e ro fC h e m i c a lE n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fC o a lC h e m i s t r y , C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sT a i y u a n ，S h a n x i ，P R C h i n aA p r i l ，2 0 1 3致谢本论文是在房倚天研究员和郝振华助理研究员的共同精心指导下完成的。两位导师渊博的知识，严谨的治学态度，敏捷的学术思维都使我受益匪浅。值此论文完成之际，谨向两位导师致以衷心的感谢!感谢杨建丽研究员、
3、邓蜀平研究员、张荣副研究员、杜新博士、尉迟唯高工在开题、中期汇报中给予的指导和建议。衷心感谢王洋研究员、黄戒介研究员、赵建涛研究员、程中虎副研究员、张永奇副研究员、李庆峰副研究员、张林仙副研究员、王志青副研究员、张磊助理研究员和李春玉助理研究员在课题选题、研究方案、研究结果分析等方面给予的指导和帮助。感谢王伟、陈富艳、冀少华、聂伟、吕红、宋新朝、夏立森、张尚武、毛子刚、胡振、郑伟、王鸿瑜、白秀刚、郭金霞、宋双双、董立波等气化工程中心工作人员的大力支持和帮助。硕士三年期间，在科研工作和日常生活中都得到了张邰、王志雨、高松平、方惠斌、刘哲语、阎琪轩、李俊国、张乾、王建飞、景旭亮、刘朋飞、余钟亮、朱
4、全红、郭娇娇、杨鑫、丁亮、周福勋、宋素芳、黄国宝、张军伟、陈伟博等诸位师兄弟( 姐妹) 的无私帮助与鼓励，在此表示衷心的感谢。感谢研究生部梁萍、原辉、韩丽娜、孔鹏等老师几年来给予的无微不至的关怀；感谢仪器分析测试中心、图书馆、物资处等部门提供的诸多方便和热情帮助。感谢父母家人多年来的理解与支持，使作者可以安心学习和工作，得以顺利完成学业!王海艳2 0 13 年4 目摘要摘要我国“富煤贫油少气”的能源结构决定了煤炭在能源供应中的地位仍举足轻重，洁净煤技术是实现全面、协调、可持续发展必经之路，其中煤炭气化技术是实现煤炭高效清洁利用的关键技术。为了适应高灰、高灰熔点煤种的气化需求，国内外多家研发机构
5、正在开发新型的流化床煤气化技术。中科院山西煤炭化学研究所新开发的多段分级转化流化床气化炉( M F B ) ，是在已开发成功的灰熔聚流化床煤气化技术的基础上，将鼓泡射流流化床与快速流化床进行耦合，保留灰熔聚流化床选择性灰分离的特性，又克服了其半焦细粉在炉内转化率低的问题，具有碳转化率高、处理能力大、操作灵活的特点。因此，为加快此气化技术的操作优化以及工程放大，阐明气化炉内部的气固流动及其随反应器结构的变化规律是很重要的。本文采用计算流体力学的方法对多段分级转化流化床内的气固流动进行了初步研究，通过数值模拟得到以下结论：1 多段分级转化流化床C F D 模型的建立通过比较分析三种模拟方法的优劣及
6、其适用范围，确定选择欧拉双流体模型对多段分级转化流化床进行计算，并采用颗粒动理学理论对模型进行封闭求解。选用三种曳力模型以及不同的弹性恢复系数，计算得到流化床内的浓度、压降等分布特性，并与实验结果比较，表明：G i d a s p o w 曳力模型和弹性恢复系数为0 9 5 时，模拟计算得到的结果更接近于实验值，更能真实地反映实际情况。2 鼓泡床内的气固流动特性通过分析鼓泡床内的颗粒浓度、速度以及压力分布情况，表明：流化床内呈现明显的鼓泡流动状态，受气泡影响分布板附近截面上，边壁处的颗粒浓度波动较大，中心处较小，而床面附近截面则相反；固体颗粒中心区域向上、边壁区域向下的运动趋势形成了遍及整个床
7、层的循环流动，促进了气固之问的充分接触；床层压降随操作条件( 表观气速：g ；固体循环速率：G 。，下同) 的T多段分级转化流化床流动特性的数值模拟变化表现出不同的变化规律，当“。较小时( “。= 0 9 3m S J ) ，鼓泡床的压降随G 。的增加变化较小；当“。适中时( t a g = 1 1 1 2 5m S 。1 ) ，鼓泡床的压降随G 。的增加逐渐增大，然后趋于平缓；当。较大时( u g = 1 4m S 。1 ) ，G 。较小时( G 。 2 0 ) 、灰熔点高( 1 4 5 0 。C ) 的特点，中国科学院山西煤炭化学研究所历经二十余年，成功开发了具有我国自主知识产权，且适合中
8、国煤炭特点的大规模加压灰熔聚流化床粉煤气化技术。1 1 流化床煤气化技术流化床煤气化始于由德国人开发的温克勒技术，在1 9 2 6 年第一次工业装置投入运转1 0 】。它是指气化反应是在以气化剂和煤形成的流化床内进行的，利用流态化的原理和技术，使煤颗粒通过气化介质达到流态化1 。由于流化床气化技术具有适应于劣质煤种的气化，气化强度高于一般的固定床气化炉，产品气中不含焦油和酚类等特点，而受到人们的关注，世界上许多国家都积极开展流化床煤气化技术的研发工作。1 1 1 流化床煤气化技术的种类应用于煤炭气化的流化床按流化状态的不同又有鼓泡床、喷动床、循环流化床、快速床等不同形式。流化床气化技术经过多年
9、发展，形成不少种炉型1 2 】。在美国有U g a s 、K R W 、H YG a s 、C O G a s 、C 0 2 A c c e p t o r 、E x x o n 催化气化等；在日本有旋流板式的J S W 、喷射床气化炉；在德国有温克勒( W i n k l e r ) 、高温温克勒( H T W ) 及L u g r i公司开发的循环流化床气化炉( C F B G ) ；在加拿大有喷射床气化( s p o u t e db e dg a s i f i e r ) ；在中国有灰熔聚气化、双器流化床、分区流化床、循环制气流化床水煤气炉等。1 1 2 流化床煤气化技术的特点流化床
10、煤氧化技术具有诸多吸引人的优点1 3 】：能够直接利用碎粉煤，既第一章文献综述与选题依据不需要加工成块型，也不必磨成细粉，因此加工成本较低，正适合煤炭机械化开采水平提高后粉煤率增加的特点。床内煤粉分布均匀、温度均匀，操作控制简单，另外大量可燃物的存在可保证生产的安全性。气化强度大，便于大规模设备的建设。固硫剂可在炉料中直接添加。利用了循环流化床技术后，炉内脱硫效果更佳。炉内温度足以裂解煤热解产生的高烃类物质，简化了煤气净化及污水处理。炉内很少有机械运动及金属配件，减少维修工作量。炉内反应温度一般不大于I0 0 0 。C ，对耐火材料要求低。对煤的灰含量敏感性不大，尤其适用于劣质煤的利用。气化时
11、耗氧量比气流床低，蒸汽消耗量又比干式排灰的移动床低。传统的流化床煤气化技术具有以上诸多优点的同时，还存在一些问题亟待解决。首先，既不如移动床气化炉那样有充分的气固相反应时间，往往气化的还原反应进行的不充分；又不如气流床气化炉那样有很高的气化温度，可以保证气化反应快速进行，因而煤种上要求煤的活性和灰熔点较高。其次，为保证气化剂能与炉内物料充分接触反应完全，要求炉内固体物料应有相当高的含碳量，对常规的流化床气化炉来讲，排出灰渣的含碳量高、碳损失大；同时流化床固有的特性使得小颗粒物料被气体夹带出气化炉，由于未充分反应完全，造成碳损失。另外，流化床气化炉煤气的出口温度基本上与炉内相差很小，尤其是H T
12、 W 气化炉为促进细粉的燃尽、减少煤气中的焦油含量，增加了二次风使炉出口煤气温度比床层内温度还高5 0 6 0 。C ，高温、高夹带物煤气的除尘及湿热回收带来了余热锅炉的磨损问题。1 1 3 几种典型的流化床煤气化工艺流化床煤气化有多种分类方法，按操作压力可分为常压气化和加压气化；按床内气固两相的流化状态可分为循环流化床、鼓泡流化床等【l4 1 。a 循环流化床C F B ( c i r c u l a t e df l u i d i z e db e d ) 气化炉鲁奇公司历经2 0 余年，经过大量的反复实验，成功开发了循环流化床气化技术，主要用于生产低热值的工业燃料气、城市煤气、合成气以
13、及联合循环发电，其气化炉结构见图1 1 【l5 I 。C F B 气化炉具有诸多优点，该气化炉原料适应性强，既可气化多种煤种，也可以以废木料、城市可燃垃圾等为原料进行生物质气化；除尘效率高，焦3多段分级转化流化床流动特性的数值模拟油含量较少； C O + H 2 7 5 ，煤气的有效成分含量高。设备简单，常压操作，装置规模较小，有利于我国中小型氮肥厂的改造操作气速介于鼓泡流化床和气流床之间，气固滑移速度较大，有利于传质传热速率的提高，反应系统温度均匀，可使煤气化可以达到临界温度，有利于气化反应的进行。但同时也存在着一些问题需要解决，用于生产合成气，必须配备制氧设备，增加投资成本；飞灰颗粒直径小
14、于0 5 m m ，后处理困难 1 6 - 1 7 】。图1 1C F B 气化炉结构F i g 1 1S t r u c t u r a ld i a g r a mo fc i r c u l a t e df l u i d i z e db e db 高温温克勒( H T W ) 气化炉高温温克勒粉煤气化炉是在低温温克勒气化炉技术的基础上，提高气化温度和压力的一项粉煤气化技术【18 1 。该项技术不仅保持了常压温克勒气化炉的简单可靠、运行灵活、氧耗量低和不产生液态烃的优点，而且由于采用了带出细粉再循环回床层的做法，进一步提高了碳的转化率和煤气化产量。其工艺流程图见图1 2 【1 9 】
15、。叶懈科喷麟第一章文献综述与选题依据水洗塔变换塔图1 2 高温温克勒气化炉工艺流程F i g 1 2H T Wg a s i f i c a t i o np r o c e s sC 灰熔聚气化灰熔聚气化2 0 1 是使煤灰在炉内形成含碳量低的团聚物排除，碳的转化率可以达到9 6 以上，这种气化方式可以在炉内进行脱硫，效率达到8 9 9 0 以上，煤气可不经过脱硫直接用作动力煤气。其特点是灰渣的形式和排渣方式是团聚排渣。典型的炉型有U g a s 气化法和K R W 加压流化床气化炉以及中国科学院山西煤炭化学研究所开发的具有自主知识产权的灰熔聚流化床气化炉( I C C ) 。U g a s
16、 气化炉2 1 1 是一个单段灰熔聚流化床的代表炉型之一，是应用灰团聚的原理，来进行反应和排灰的。允许灰成分中熔点较低的部分先熔化，粘结其它未融化的灰，并形成团聚。这种工艺的特点是煤种适应性强、碳转化率较高，不需要熔化所有的灰，对灰渣的流动性要求不高，环境污染小，结构简单，运行可靠，但是对运行温度要求较严格。其工艺流程见图1 3L 2 2 1 。中国科学院山西煤炭化学研究所开发的具有自主知识产权的灰熔聚流化床气化炉( I C C ) 2 3 1 ，是对传统的流化床技术的改进，在底部设置了特殊的分布分离结构，是一种射流流化床技术，气化炉结构见图1 4 。该技术以碎煤为原料，以空气或富氧或氧气为氧化剂，水蒸气或二氧化碳为气化剂，床层中物料在适当的粒度和气速下沸腾流化，气固两相充分混合，在部分燃烧产生的高温下一次实现破粘、脱挥发份、气化、灰团聚和分离、焦油及酚类的裂解再气化过程。气多段分级转化流化床流动特性的数值模拟采用了独特的气体分
