流化床煤气化炉内气固两相流动与传热研究

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煤气化技术被广泛应用于化工产品制造行业。通过数值模拟方法全面分析流化床煤气化炉的气化过程,对实际生产中提高煤气可燃气体组分、提高煤气热值和碳转化率具有重要意义。  本文以流化床煤气化炉作为研究对象,建立物理模型和数学模型,湍流模型采用realizable k-ε双方程模型,辐射传热采用P-1模型,煤粉颗粒的气化和燃烧等化学反应模型采用非预混燃烧模型,气相运动用欧拉方法计算,将煤粉颗粒看作离散相,用DPM模型计算离散相模型计算。运用FLUENT软件对流化床煤气化炉气化过程完成数值模拟,得到基准工况(即某工厂实际生产工况)下气化炉内的气相温度、速度和组分分布;并以基准工况为基础,研究了不同操作参数(气化剂质量流量、煤粉预热温度、煤粉颗粒粒度和喷煤速度)对气化过程及结果的影响。本文主要结论如下:  气化剂(氧气和水蒸气)从喷嘴喷入时,初始温度和初始速度分别为485K和39.4m/s,煤粉颗粒和气化剂与反应器内高温气体混合后,发生热解、气化和燃烧等反应后,最终出炉煤气温度为1190K,火焰直径为400-500mm;气化剂在反应器内和低速气体发生动量传递,气流速度从横向和纵向都逐渐减小,最终出炉煤气速度为2.07m/s;化学反应主要集中在高温反应区,主要生成CO,H2和CO2,消耗O2和水蒸气。  气化剂质量流量增大,煤气化结果的优化有极大值;煤粉预热温度越大,煤粉颗粒粒度越小,煤气化结果越好;喷煤速度对煤气化结果影响不大。根据比较,在研究范围内,煤气化最优操作参数为气化剂质量流量7.2kg/s(气煤比1.29)、煤粉预热温度505K、煤粉颗粒粒度30μm和喷煤速度6.8m/s。
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