顶吹式熔渣气化炉内气化过程的数值模拟与优化

发布时间：2020-05-25 22:35

【摘要】：以熔融高炉渣为热载体的煤气化技术是一种全新的高炉渣余热余能回收技术,能对钢铁企业中高炉渣的余热余能资源进行高效、合理的回收利用。该技术的主要过程是将煤粉与气化剂随载气一起喷入熔池中,与熔渣进行传热传质从而发生一系列化学反应。此过程中气泡在熔池中的行为直接影响着熔池内的多相流动与煤气化化学反应过程,而气泡的行为又受一系列结构参数与操作参数的影响。因此,对以熔融高炉渣为热载体进行煤气化技术的主要过程进行数值模拟,研究熔池中气泡的行为、多相流动过程与煤气化化学反应的变化规律,为后续的研究提供理论依据,对该技术的进一步发展具有重要意义。本文采用欧拉-欧拉法与煤气化化学反应耦合的方式在ANSYS FLUENT平台上对实验室自制的顶吹式熔渣气化炉进行数值模拟研究,主要研究内容与所得结果如下:(1)建立了炉内气体顶吹过程的物理模型与数学模型,并进行了数值模拟计算。同时搭建了气体顶吹过程的冷态水模实验平台,通过对实验结果与模拟计算结果进行比较,证明了所建立的模型具有良好的准确性与可靠性。(2)考察了气体顶吹过程中熔池内气液两相的流动情况。根据气泡在熔池内的行为规律,将其分为初始膨胀、气泡脱离、自由上浮和气泡破裂这四个阶段;当熔池内流场充分发展时,气含率随离自由液面的距离增加而逐渐减小;随着气泡的膨胀与脱离,在喷嘴附近与熔池下方区域会先形成对称的双螺旋型流态,之后由于气泡的上浮和破裂该流态会逐渐被破坏并变得复杂无规律;熔池中的气含率、熔渣的平均速度与湍动能均随时间呈现出先增加后减小的趋势,并在流场充分发展时保持一定幅度的上下波动,且在喷嘴下方区域,熔渣的速度随着熔池深度的增加迅速减少。(3)对不同参数下气体顶吹过程进行数值模拟,并用正交试验的方式对熔池内多因素多指标的气液两相混合与流动过程进行优化;各影响因素中对顶吹式熔渣气化炉内气液两相混合与流动过程影响程度顺序为:管径比喷枪插入深度气体喷吹流量;得到的最优组合工况为A3B3C4,即大小管径比为20:1,喷枪插入深度为200mm,气体喷吹流量为800L/h,基准工况下熔池气含率、熔渣湍动能与喷溅率分别为1.959%、10.719×10-3m2/s2、4.740%,而优化工况下熔池气含率、熔渣湍动能与喷溅率分别为 9.429%、12.876×10-3m2/s2、2.024%。(4)在炉内气体顶吹的数学模型中加入煤气化化学反应的数学模型,对炉内整个煤气化过程进行模拟计算。搭建了顶吹式熔渣气化炉煤气化热态实验平台,通过比较模拟计算结果与热态实验结果,验证了模型的准确性;此外对熔池内气体组分分布情况与不同水煤比对产气的影响规律进行了研究。结果如下:煤粉与水蒸气由喷枪进入熔池中会立即发生反应,其中挥发份会在喷嘴附近处被反应完全,而固定碳则是在气泡上浮过程中被反应完全;在熔池中CO和CO2、水蒸气和H2的浓度分布基本相反;CO2和H2会富集在气泡中的中心位置,而CO和水蒸气则富集在气泡的边缘位置;随着水煤比的增加,所产生合成气H2和CO2的量增大,CO的量减小;优化工况下生成的合成气中CO的量均大于基准工况,而H2和CO2的量均小于基准工况;且优化工况所生成合成气的热值与有效气体积分数均大于基准工况。
【图文】：

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学位论文逦第１第１章文献综述逡逑景逡逑为人类社会发展的动力基础，，在一个国家的经济建设与社会轻重的作用。图１．１与图１．２为近２０年以来我国的能源生产［１］。由图可知，长期以来煤炭作为我国的主要能源，在经济中有着重要战略地位。２０１３年我国的煤炭储量约为２４００亿９４％［１］；因此煤炭作为我国最可靠的能源资源，在未来的很能源结构的主要地位。逡逑

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学位论文逦第１第１章文献综述逡逑景逡逑为人类社会发展的动力基础，在一个国家的经济建设与社会轻重的作用。图１．１与图１．２为近２０年以来我国的能源生产［１］。由图可知，长期以来煤炭作为我国的主要能源，在经济中有着重要战略地位。２０１３年我国的煤炭储量约为２４００亿９４％［１］；因此煤炭作为我国最可靠的能源资源，在未来的很能源结构的主要地位。逡逑
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ546

【参考文献】