加压密相输运床气化炉提升管数值模拟研究
发布时间：2020-05-03 16:02
【摘要】：为了理解密相输运床提升管内的气固流动和煤气化过程,本文基于双流体模型框架,发展了适用于密相输运床提升管内Geldart B类颗粒气固流动和煤气化过程的计算流体力学模拟方法,并采用数值模拟方法分析重要操作参数对提升管气固流动和煤气化过程的影响规律,最后对提升管的结构参数进行分析,研究了分段提升管的气固流动行为。对提升管气固流动行为的准确模拟是实现煤气化模拟预测的基础及关键,因而一直是研究的重点。本文首先发展并验证了密相输运床提升管内气固流动行为预测的模拟方法,并对关键的曳力模型和几何模型进行了比较分析。采用不同曳力模型的计算结果表明,Gidaspow曳力模型预测的密相输运床提升管内颗粒体积分数轴向分布更合理,而EMMS/Matrix曳力模型能够更好地预测颗粒体积分数和颗粒轴向速度的径向分布,可以捕捉到密相悬浮上升流关键特征。Gidaspow曳力模型与颗粒温度的微分求解方法结合能够改善颗粒体积分数和颗粒轴向速度径向分布的预测结果。采用二维和三维几何模型的对比结果表明,二维简化模型能够获得提升管气固流动主要特征,适用于密相输运床提升管气固流动数值模拟。为了理解加压密相输运床气化炉高温高压工作条件的气固流动特征,有必要研究压力、温度对提升管内气固流动的影响规律。本文对操作压力范围为0.1～1.0MPa和固体循环流率变化范围为200～1400 kg/m2s条件下提升管内气固流动特性进行了数值模拟研究。当操作压力低于0.3 MPa时,随着固体循环流率由低到高变化,提升管内气固流动会先后经历流体控制(FD)、颗粒流体协调／流体控制(PFC/FD)、颗粒流体协调(PFC)区域。在相同表观气速和固体循环流率条件下,随着操作压力增大,提升管内平均颗粒体积分数减少而颗粒速度增大,特别是核心处更为明显。本文通过压力和温度的组合保持气体密度不变,对操作温度的影响研究主要体现在气体粘度上,计算结果表明随着温度增大,气体粘度增大,提升管内颗粒体积分数基本没有变化,核心处颗粒速度略有上升,颗粒体积分数略有下降。耦合欧拉双流体模型与煤气化化学反应模型,建立了适用于加压密相输运床提升管内的煤气化过程的数值模拟方法。采用加压密相输运床和循环流化床气化炉煤气化实验结果验证模型,结果表明模型预测的气化炉出口组分与实验结果吻合较好,并获得了气化炉内气固流动特征、温度分布、组分分布、反应特性等。在此基础上,研究了重要操作参数如氧气／煤比、蒸汽／煤比、固体循环流率、操作压力等对密相输运床煤气化结果的影响。在高固体循环流率条件下,氧气／煤比增大提高了提升管内温度,有利于气化区内焦炭气化反应的进行,进而提高碳转换率及合成气高位热值。在高固体循环流率条件下,当蒸汽／煤比大于0.05后,气化炉内温度下降,出口CO组分随之下降而H2和C02随之上升,合成气高位热值略有降低。固体循环流率增大,提升管内颗粒体积分数的轴向和径向分布更均匀,使得提升管内轴向和径向温差变小,燃烧区不会出现局部高温区,能够有效避免结渣现象的发生。提高操作压力不仅能够提高气化炉的煤处理能力,同时促进焦炭燃烧和焦炭气化反应的进行,提高了气化炉内的碳转化率,有利于CO和H2的生成,进而提高气化炉出口合成气的品质。为了研究提升管结构的影响,提出分段提升管概念,在提升管下部设计了扩径段,称为第一反应区,上部为第二反应区。当提升管压降由1.4kPa逐渐增大至57.1 kPa的过程中,在6.9～16.6 kPa区间内,随着提升管压降增大,固体循环流率基本不变。第二反应区会随压降增大先后经历稀相气力输运、快速流态化以及密相悬浮上升流。分段提升管与密相输运床提升管的气固流动行为比较结果表明,分段提升管第一反应区内湍动流态化能够促进气固间接触及固体回流,在第二反应区内,分段提升管在固体循环流率较高时也可实现密相悬浮上升流,此时固体存料量远大于密相输运床提升管,大大提高了固体停留时间。当第一反应区直径(D1)减小后,在气体流量不变的情况下,第一反应区内由湍动流态化转变为快速流态化,D1变化对第二反应区内气固流动行为影响较小。第一反应区高度(H1)增大,PFC/FD区间增大,但是对应的固体循环流率基本不变。这些研究结果为提升管的结构优化提供理论基础和参考依据。
【图文】：
时的流动状态为节涌流态化，该状态下的典型特征是床层出现剧烈的且有规律逡逑动。节涌流态化出现后，进一步增加气速，流化床内端动加剧，气泡尺寸，且边缘变得模糊，此时的流动状态为~.动流态化。揣动流态化下，气泡极易逡逑和破裂，从而使气泡平均直径变小，气固间接触效率提高，同时夹带现象也逡逑严重。端动流态化发生后，进一步提高表观气速，床层表面变得更加模糊，粒夹带现象变得非常明盘，更多的颗粒被气流夹带离开床层，此时若有新的不断补充进入流化床内或通过气固分离装置及下降管回收颗粒，此时的流动为快速流态化，对应的床层为循环流化床。在快速流态化区域内，进一步提高逡逑观气速后（或表观气速一定，降低固体循环流率），流化床内颗粒不断变稀，逡逑轴向方向分布变得均匀，此时对应的流型为稀相气力输送。与上述操作相反，逡逑进入快速流态化流型后，增大固体循环流率或者降低表观气速后，流化床内体积分数变浓，轴向分布也会趋于均匀，此时对应的流型为密相悬浮上升流Ｄｅｎｓｅ邋Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ邋邮打０Ｗ，邋ＤＳＵ）。逡逑ｒ￣￣￣逦逦逦逦逦—１逡逑
ＫｎｏｗｌｔｏｎＰ４堆加压提升管内采用氮气输运ＦＣＣ颗粒并测量压力分布Ｗ及颗粒逡逑质量流率的径向分布。Ｒｉｃｈｔｂｅｒｇ等Ｐｙ建立了加压循环流化床冷态流动实验装置，逡逑其示意图如图１－２所示。该循环流化床装置搭建在直径为１邋ｍ，高度为１０邋ｍ的逡逑压力容器内，这种设计使得实验装置本身不需要承受高压。循环流化床提升管的逡逑直径为０．１９４邋ｍ，高度为９邋ｍ，，并采用Ｂ类颗粒（平均粒径为８５邋ｎｍ，密度为２５００逡逑ｋｇ／ｍ３），操作压力为０．５邋ＭＰａ和５．０邋ＭＰａ，表观气速变化范围为化８？４．５邋ｍ／ｓ调体逡逑循环流率变化范围为６５？２００邋ｋｇ／ｍ２ｓ。研究在无量纲表观气速ｆｒ，逡逑＾ｒｐ＝Ｕｇ／（ｐ，－Ｐｇ）／Ｐｇ．ｄ，．ｇ））相同的条件下，压力对提升管内气固流动特征的逡逑影响。研究结果表明，随着操作压力的X棿螅帕Ｌ寤质嵯蚝途断蚍植级急溴义系酶泳取３Ｑ固跫拢焖倭魈牡湫吞氐阄嬖诨泛肆鞫峁梗纯帕ｅ义咸寤质弑谂ㄖ型汀⑾
本文编号：2647775
【图文】：
时的流动状态为节涌流态化，该状态下的典型特征是床层出现剧烈的且有规律逡逑动。节涌流态化出现后，进一步增加气速，流化床内端动加剧，气泡尺寸，且边缘变得模糊，此时的流动状态为~.动流态化。揣动流态化下，气泡极易逡逑和破裂，从而使气泡平均直径变小，气固间接触效率提高，同时夹带现象也逡逑严重。端动流态化发生后，进一步提高表观气速，床层表面变得更加模糊，粒夹带现象变得非常明盘，更多的颗粒被气流夹带离开床层，此时若有新的不断补充进入流化床内或通过气固分离装置及下降管回收颗粒，此时的流动为快速流态化，对应的床层为循环流化床。在快速流态化区域内，进一步提高逡逑观气速后（或表观气速一定，降低固体循环流率），流化床内颗粒不断变稀，逡逑轴向方向分布变得均匀，此时对应的流型为稀相气力输送。与上述操作相反，逡逑进入快速流态化流型后，增大固体循环流率或者降低表观气速后，流化床内体积分数变浓，轴向分布也会趋于均匀，此时对应的流型为密相悬浮上升流Ｄｅｎｓｅ邋Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ邋邮打０Ｗ，邋ＤＳＵ）。逡逑ｒ￣￣￣逦逦逦逦逦—１逡逑
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本文编号：2647775
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