鼓泡流化床内粉煤气化的数值模拟

将应用欧拉双流体模型对鼓泡气化炉内的气化过程进行研究。摒弃传统颗粒动理学理论中颗粒光滑无旋转的假设,引入颗粒的旋转运动,构建粗糙颗粒动理学理论来封闭双流体模型。基于燃烧理论建立粉煤热解、气化模型以及鼓泡床内气固之间以及气体和气体之间的传热、传质模型。采用该模型进行数值模拟计算,分析床内的气固反应过程,对比实验结果表明粗糙颗粒动理学理论适用于模拟鼓泡床气化炉内的反应。     

采用切圆射流及旋流布风板改进鼓泡床行为

用侧面切圆射流和旋流布风板造成了鼓泡流化床内气固流动的新流型。本文将改进鼓泡床与普通鼓泡床进行比较,在同样的空气量下,气泡尺寸减小,床面波动降低,加强了固体颗粒的横向混合,延长了颗粒床内停留时间。还研究了侧面切圆射流占总风量的份额、射流速度、喷入位置及角度对流化质量的影响。     

连续进出料鼓泡流化床颗粒停留时间分布

针对双流化床气化或双床热解气化工艺中鼓泡床反应器的设计,采用脉冲法研究了Geldart B类固体颗粒在连续颗粒进料和出料的矩形流化床内的停留时间分布(RTD),考察了气速、床料高度、粒径、物料流率等操作参数对RTD的影响. 结果表明,物料流率、床料高度、粒径是影响颗粒RTD的主要因素,而气速则是次要因素. 随物料流率和粒径增加,鼓泡床内颗粒流动向平推流靠近;随床料高度增加,物料在床内的混合更加充分,颗粒流动向全混流靠近. 根据实验结果,推荐采用比理想平推流时间低9%~18%计算平均颗粒停留时间.     

鼓泡床取热器流动特性的数值模拟

应用计算颗粒流体力学(CPFD)方法,采用点源注射的进气方式对气固鼓泡流化床取热器内流动特性进行数值模拟。考察不同气速下床层膨胀高度、轴径向时均固含率分布、颗粒轴向速度分布及床层颗粒内循环流率的分布。模拟结果与实验数据吻合较好,表明该模型可以用于描述鼓泡流化床取热器内气固两相的流动规律。     

柱形流化床传热特性的数值模拟

对Shedid等搭建的圆柱体流化床采用欧拉?欧拉法进行三维数值模拟,考察了颗粒球形度、表观进气速度和床料初始堆积高度对流化床内垂直加热壁面与流动床料之间对流传热特性的影响,采用有效导热系数分别计算气相和固相的对流传热系数。结果表明,随表观进气速度增大,流化床内颗粒物料湍流运动加剧,加热壁面平均温度和流体平均温度下降,壁面流体间传热平均温度差减小,壁面流体间对流传热系数增大;随初始床料高度增加,流化床内颗粒与加热壁面的接触面积增大,导致固相平均对流传热系数增大。     

颗粒旋转对鼓泡流化床内气固两相流动特性影响的数值模拟

运用考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散影响的颗粒动理学方法，建立鼓泡流化床气固两相Euler-Euler双流体模型，数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性。分析表明，颗粒平动温度与旋转温度之比是法向和切向颗粒弹性恢复系数和摩擦系数的函数。与不考虑颗粒旋转效应计算结果相比，考虑颗粒旋转效应后床内较容易形成气泡，颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显。并且床层平均空隙率和床层膨胀高度增加，床中心区域颗粒轴向速度提高，床内颗粒平动温度下降。考虑颗粒旋转效应后预测的颗粒轴向速度和颗粒脉动速度与文献实验结果基本吻合。考虑颗粒旋转效应后获得的气泡直径更接近于前人经验关联式。     

多段分级转化流化床颗粒浓度的数值模拟

多段分级转化流化床煤气化反应器是由鼓泡射流流化床和快速流化床耦合而成的新型气化炉,采用欧拉双流体模型对其气固两相流动行为进行了数值模拟。模拟结果表明,两种流型的耦合,并非两种流态形式的简单叠加,回料口下段床内轴向浓度呈"C"型分布,上段轴向浓度呈指数分布,与实验结果较接近。同时考察了局部位置的颗粒浓度分布及其随操作条件的变化情况,表明快速床稀相段边壁区域颗粒浓度波动较中心强烈,且对操作条件的变化敏感,回料口附近的偏流现象以及过渡渐缩段的颗粒弹溅现象均与实验观察一致。研究得到的规律可指导多段分级转化流化床的设计和优化。     

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。     

三维单旋导向挡板鼓泡流化床内气固流动的CPFD模拟

单旋导向挡板是一种广泛应用于流化床反应器中的横向内构件,研究其对鼓泡流化床内气固流动的影响具有重要意义。采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法耦合Igci曳力模型研究带有两层单旋导向挡板的鼓泡流化床内的三维气固流动,并与空筒鼓泡流化床作对比。首先将轴向和径向时均固含率分布的模拟结果和实验数据进行对比,验证了该计算方法的可靠性;随后考察了单旋导向挡板对鼓泡流化床内气泡平均当量直径沿床高的分布以及气体停留时间分布的影响,计算结果表明,单旋导向挡板对大气泡具有一定的破碎作用,在挡板影响区域内气泡平均当量直径变小。同时,有、无挡板流化床内的气体停留时间分布曲线与其数学特征基本一致,表明单旋导向挡板的存在对鼓泡流化床内的气体返混没有明显影响。     

基于气泡和聚团的结构模型及其应用

综合考虑鼓泡流化床内气泡及聚团对床内细颗粒流动的影响,建立基于气泡和聚团的结构曳力模型及结构参数模型,同时,借助计算流体软件预测细颗粒在鼓泡床中流动状态。首先,基于细颗粒在鼓泡流化床的流动状态,在介观尺度上将床内气固流动结构划分为3个子结构,即气泡相、相间相及乳化相(聚团相)。然后,综合考虑细颗粒鼓泡流化床中气泡和聚团对气固流动的影响,根据力平衡、质量守恒建立基于气泡和聚团的结构参数模型及结构曳力模型。通过对结构参数模型封闭求解,得到11个结构参数值(f_b,U_b,d_b,U_(gb),f_i,U_(gi),ε_i,f_e,U_(ge),ε_e,d_c)。对结构参数计算结果进行分析,结构参数模型能够很好反映床内流动情况及床内各结构参数之间的关系,并能有效地预测颗粒聚团直径。此外借用非均匀因子,耦合结构曳力模型及结构参数模型到欧拉双流体模型对气固在床内流动行为进行数值模拟。模拟结果表明,使用基于气泡和聚团的结构曳力模型能够较好地预测细颗粒在鼓泡流化床中的流动行为。在对模拟结果中颗粒径向浓度比较时,可以发现,相对比基于气泡模型的结构曳力模型,使用基于气泡和聚团的结构曳力模型的模拟结果与实验结果更一致。     

串行流化床煤气化试验

针对串行流化床煤气化技术特点,以水蒸气为气化剂,在串行流化床试验装置上进行煤气化特性的试验研究,考察了气化反应器温度、蒸汽煤比对煤气组成、热值、冷煤气效率和碳转化率的影响。结果表明,燃烧反应器内燃烧烟气不会串混至气化反应器,该煤气化技术能够稳定连续地从气化反应器获得不含N₂的高品质合成气。随着气化反应器温度的升高、蒸汽煤比的增加,煤气热值和冷煤气效率均会提高,但对碳转化率影响有所不同。在试验阶段获得的最高煤气热值为6.9 MJ•m^-3,冷煤气效率为68％,碳转化率为92％。     

Numerical simulation of the bubbling fluidized bed coal gasification by the kinetic theory of granular flow (KTGF)

A new numerical model based on the two-fluid model (TFM) including the kinetic theory of granular flow (KTGF) and complicated reactions has been developed to simulate coal gasification in a bubbling fluidized bed gasifier (BFBG). The collision between particles is described by KTGF. The coal gasification rates are determined by combining Arrhenius rate and diffusion rate for heterogeneous reactions or turbulent mixing rate for homogeneous reactions. The flow behaviors of gas and solid phases in the bed and freeboard can be predicted, which are not easy to be measured through the experiments. The calculated exit values of gas composition are agreed well with the experimental data. The relationship between gas composition profiles with the height of gasifier and the distributions of temperature, gas and solid velocity and solid volume fraction were discussed.     

灰熔聚气化炉内气体与固体混合特性的研究

气化炉内的气化剂与煤粉的混合特性直接影响着气化炉内的碳转化率和灰熔聚流化床气化炉的热效率。研究气化炉内气体和固体颗粒的混合特性,掌握炉内气体和固体颗粒的轴向和径向的运动规律,对认识床内传热和传质机理具有重要的意义。基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,应用商用FLUENT软件,对太原化学工业集团有限公司运行的灰熔聚流化床气化炉内的气体与固体的混合特性进行了数值模拟。     

昭通褐煤气化扩大试验研究

针对昭通褐煤的特点 ,在气化煤量为 0 .3t/h的焦载热流化床气化扩大试验装置上进行了试验研究 .研究结果表明 ,煤气中焦油量很小 ,有利于煤气生产的后期处理 ;与移动床气化和普通流化床气化相比 ,煤气热值和气化产率都有较大增加 ,煤气热值已接近城市煤气的要求 ;加大气化煤量可增加提升段燃烧的易燃成分 ,从而提高了燃烧温度和气化温度 ;气化煤量的变化对褐煤气化产率和产量的影响较大 .对于开发昭通褐煤资源来说 ,采用本工艺技术生产城市煤气是一个较佳的方案 .     

流化床煤气化技术的研究进展

结合流化床煤气化过程原理和循环流化床反应器开发应用状况,综述了流化床煤气化技术的进展,分析比较了目前广泛应用的3种煤气化流化床:鼓泡流化床,循环流化床及增压流化床的工艺及特点,并对工业上应用的典型的煤气化流化床(高温温克勒(HTW)及灰熔聚气化)的气化工艺流程具有的优势和存在的问题进行了较为详细的分析,并概括了流化床煤气化技术的发展趋势及应用前景.     

反应器结构对多段气化炉内颗粒分布的影响

针对多段气化炉(上部快速床、下部鼓泡床),采用MP-PIC(Multi-Phase Particle In Cell)方法模拟了多粒径煤粉颗粒的三维全循环流化过程,考察了鼓泡床与快速床床径比及鼓泡床和快速床之间的过渡段高度对气化炉内流动特性的影响。结果表明,基本工况下,大颗粒主要存在于下部鼓泡床中,细颗粒主要存在于上部快速床内,但细颗粒会通过旋风分离器和回料管再次进入鼓泡床参与循环。进入旋风分离器的大部分为半径622 ?m以下的小颗粒,无1216 ?m以上的大颗粒。旋风分离器对小颗粒的分离效率为99.75%,分离效率良好。增大床径比(即减小快速床直径),快速床中气速增大,整个气化床更快达到稳定状态,被夹带到快速床中的颗粒增多,所夹带的颗粒粒径增大。过渡段高度存在一个适当值(炉高0.6~1.0 m),升高或降低过渡段高度,快速床中颗粒浓度均增大,颗粒通量均升高,旋风分离效率降低。     

流化床-气流床耦合反应器中煤气化特性

利用化工动力学软件CHEMKIN建立了流化床-气流床耦合反应器等效网络模型,在φ300 mm反应器中的煤气化实验结果基础上,充分考虑耦合反应器不同区域物料间两相流动、传质传热,对耦合反应器各部分流体力学特征以及耦合反应器中不同区域的化学反应进行了分析。利用模型对飞灰的碳转化率、耦合反应器的碳转化率、耦合反应器内温分布及物料停留时间进行计算,结果表明,流化床耦合气流床反应器后,气流床可将出口飞灰碳转化64.1%,实现了耦合反应器对飞灰的再气化;耦合反应器煤气化系统的碳转化率由单独流化床的84.9%提高到92.2%。     

Coal Gasification in Moving Bed Reactor with a Draft Tube

1 INTRODUCTIONMany different types of reactors,for example,fixed bed,moving bed,fluidized bed and spoutedbed,have been used in industrial production and laboratory in research studies.Althougheach of these coal gasifiers has its own specific advantages,there exists,generally speaking,certainwaste gas in product gas because of the direct burning of coal with oxygen or air to provide heatneeded in the endothermic process of coal gasification in gasifiers.A new type of moving bed     

气固流化床外取热器内流动和换热特性分析

外取热器是维持催化裂化反应-再生系统热平衡和保持装置平稳运行的关键设备之一。外取热器的优化设计和合理调控，要求深入理解外取热器内的流动特性、换热特性及两者之间关系。在一套大型冷模热态实验装置上，分别考察了表观气速、颗粒质量流率对换热管附近的局部固含率和气泡频率、床层与换热管间传热系数的影响。结果表明：增加表观气速可以降低局部固含率、增加局部气泡频率、强化床层与换热管间换热；随着颗粒质量流率增加，局部固含率和局部气泡频率均增加；在较低表观气速下，增加颗粒质量流率不利于换热，而在较高表观气速下，传热系数随颗粒质量流率逐渐增加。不同流型下，气固流动特性对换热特性的影响不同。在鼓泡床流型下，过高的局部固含率不利于颗粒在换热表面的更新，增加换热管附近的局部气泡频率可以明显强化换热；而在湍流床流型下，换热管附近的局部固含率和气泡频率的增加，均使传热系数逐渐增大。建立了针对不同流型的换热经验关联式，预测值与实验值的平均相对偏差分别为6.9%和1.3%。