水煤漿氣化爐激冷過程多相熱質(zhì)傳遞規(guī)律數(shù)值模擬研究.pdf

1、潔凈煤技術(shù)是世界各國解決能源與環(huán)境問題的主導技術(shù)之一,是高技術(shù)國際競爭的主要領(lǐng)域。在國內(nèi)外潔凈煤技術(shù)體系中,煤氣化技術(shù)占有重要的發(fā)展地位。尤其是高壓、大容量氣流床煤氣化技術(shù)已成為IGCC發(fā)電系統(tǒng)、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、煤間接液化、制化肥、制氫和制燃料電池的龍頭技術(shù)之一,是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流。我國己于2004年將“大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)研究”列為國家重點研究發(fā)展計劃項目。
　　 氣流床煤氣化技術(shù)的研究主要集中于煤的輸送過程、

2、氣化過程以及復雜多相反應(yīng)產(chǎn)物的處理過程。復雜多相反應(yīng)產(chǎn)物的處理方式有激冷式、輻射廢鍋式、廢鍋-激冷式。洗滌冷卻室是激冷式氣流床煤氣化爐的核心組成,目前,國內(nèi)已對德士古水煤漿氣化技術(shù)進行改進,建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型水煤漿氣化爐。在新型水煤漿氣化爐激冷過程中,含渣合成氣在洗滌冷卻室內(nèi)完成洗滌降溫、增濕,以滿足后續(xù)工藝要求。洗滌冷卻室內(nèi)高溫高壓條件下多相流動和熱質(zhì)傳遞過程十分復雜,相關(guān)的規(guī)律和機理的認識還不全面。對洗滌冷卻室內(nèi)多相系統(tǒng)的流

3、動、傳熱傳質(zhì)過程進行研究的目的是得到洗滌冷卻室運行過程中,合成氣降溫、增濕;熔融態(tài)灰渣凝固、聚并、分離的機理性信息。本文采用理論分析、數(shù)值模擬方法,結(jié)合相關(guān)實驗研究,圍繞洗滌冷卻管及液池鼓泡區(qū)內(nèi)所涉及的復雜氣-液-固三相流動、傳熱、傳質(zhì)等多個關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題展開研究。主要內(nèi)容包括以下方面:
　　 以洗滌冷卻室冷卻管內(nèi)氣液兩相流動過程為研究對象。冷卻管內(nèi)氣液界面流的特殊性在于高溫和高壓的操作背景,兩個因素對氣液流動的影響既相互獨立又

4、相互關(guān)聯(lián),傳熱過程使問題的研究更加復雜。本文首先對冷態(tài)條件下管內(nèi)氣液兩相流動特性和降膜的形成、波動、斷裂特性進行研究?；谶\動界面追蹤技術(shù),建立了氣液流動及降膜受力模型。從宏觀和微觀角度對高壓條件下氣體與降膜流動過程進行了詳細探討,分析了兩相流動及降膜流型的影響機理,獲得了冷卻管內(nèi)壓力、速度、湍動能分布及降膜流型、降膜厚度分布規(guī)律;考察了操作壓力、入口氣體流速、入口降膜流速對降膜流型的影響。
　　 為了深入研究高溫高壓條件下冷卻

5、管內(nèi)高溫合成氣與冷卻水膜直接接觸垂直并行流動過程中傳熱、傳質(zhì)規(guī)律,充分掌握降膜流型、斷裂特性?；跉W拉方法,在已經(jīng)建立的氣液兩相湍流流動的流體體積(VOF)模型基礎(chǔ)上,深入考慮相間輻射傳熱,氣體組分傳遞,相間動量、能量、質(zhì)量傳遞。引入高溫高壓下界面波動理論和剪切力理論,采用自編的C++程序?qū)ｉT處理動量、能量與質(zhì)量源項,對Fluent進行二次開發(fā),建立了氣液兩相湍流流動模型、液膜相變模型、組分輸運模型、離散坐標(DOM)輻射模型、灰氣體加

6、權(quán)平均模型(WSGGM)的全耦合求解機制。將數(shù)值模擬獲得的冷卻管內(nèi)溫度分布曲線與華東理工王亦飛等人的實驗結(jié)果比較,兩者所展示的降溫趨勢一致。進而獲得了高溫高壓條件下冷卻管內(nèi)氣液兩相溫度分布、降膜厚度分布特性。分析了操作壓力、降膜入口流速、合成氣入口溫度對冷卻管內(nèi)溫度分布的影響,以及操作壓力對降膜流型的影響。
　　 以冷卻管內(nèi)高溫合成氣與熔融態(tài)灰渣顆粒流動、傳熱傳質(zhì)過程為研究對象?；跉W拉-拉格朗日方法,建立了改進的顆粒軌道模型,

7、模型解決了相間動量耦合、能量耦合,熔渣顆粒之間相互作用,熔渣顆粒的輻射、單個熔渣顆粒的相變行為。模型忽略了管壁水膜流動對流場的影響,認為冷卻管壁面有水蒸氣流入,采用Fluent二次開發(fā)技術(shù)專門處理有水蒸氣流入的邊界條件。獲得了顆粒速度,顆粒的相變狀態(tài)、濃度分布,粒徑分布特性以及冷卻管流場及溫度場分布。
　　 為了掌握洗滌冷卻室液池鼓泡區(qū)內(nèi)氣液兩相湍流流動特性,并尋求氣泡尺寸控制方法的理論依據(jù)。搭建了簡易的鼓泡床實驗裝置,直觀、形

8、象地觀察壁面受限鼓泡床內(nèi)的兩相湍流流動過程,對影響兩相流動特性和氣泡特性的因素進行預測。建立了液池鼓泡區(qū)氣液界面追蹤模型,從氣.液界面運動、氣泡變形、濕周變化的角度進行模擬研究。利用C++編程對Fluent計算結(jié)果進行后處理,提取界面氣含率、氣泡濕周等氣泡特性參數(shù)。揭示了氣體穿越液池過程中氣液兩相湍流流動特性,獲得了洗滌冷卻室內(nèi)的氣含率、氣液相湍動能、速度、氣泡尺寸以及氣液界面面積濃度等參數(shù)的分布規(guī)律。展現(xiàn)了氣泡變形細節(jié)變化過程,獲得了

9、表觀氣速、靜態(tài)液位、操作壓力等對氣泡特性的影響規(guī)律。探討了三種氣泡特性控制方案,結(jié)果表明,方案一通過改變突擴比對液池內(nèi)的氣含率分布影響不大;方案二加裝支管的主要作用是對氣體進行導流分配,降低下降管底端出口處壓強,減弱由高壓氣體湍動對下降管造成的振動效應(yīng)。方案三加裝破泡板不但能均布氣泡、增大濕周,還能有效減少床層波動。破泡板布置位置不宜過高,板上間隙及間隙分布密度可根據(jù)氣泡特性徑向分布適當調(diào)整。破泡板交叉布置使得氣含率徑向分布更加均勻,但

10、不利于液位穩(wěn)定。
　　 在液池鼓泡床內(nèi)合成氣、灰渣與池內(nèi)黑水(操作壓力對應(yīng)的飽和冷卻水)溫差可達300℃,池內(nèi)氣-液-固三相系統(tǒng)發(fā)生劇烈的流動、傳熱與傳質(zhì)。首次考慮液池鼓泡床內(nèi)灰渣顆粒對流動、傳熱、傳質(zhì)的影響,建立氣一液-固三相系統(tǒng)質(zhì)量、動量、能量同時交換的雙向耦合數(shù)學模型?；跉W拉-歐拉-拉格朗日方法,通過C++編程對連續(xù)相與離散相間相互作用進行處理,實現(xiàn)相間耦合計算。對合成氣和冷卻水系統(tǒng)建立歐拉-歐拉雙流體模型,引入群平衡原