煤热解热交换及过滤系统流场分析与结构优化

发布时间：2020-08-05 10:26

【摘要】：煤热解是利用煤炭成分和结构特点进行温和转化的过程,从而实现煤炭多级利用并且能够代替油气资源,是低阶煤完成清洁转化的最有效技术之一。煤热解过程中涉及到热交换系统和过滤系统,对其内部流场分布进行分析可以减小事故率,降低生产成本,并且达到环保的目的。热交换系统从热流体将热量传递到冷流体,该过程涉及热传导、热辐射、对流传热等。热交换系统流场均匀分布可以提高传热效率,而热交换系统结构的设计对流场均匀性有重要影响。然而,对于热交换系统结构的设计多靠经验,缺乏指导性方法。针对这一问题,本文以现有热交换系统中换热器设计结构为研究对象,以换热器流场出口处速度均方差最小化为优化目标,根据模型结构特点选定优化参数,对各参数取值建立三维模型,采用CFD数值模拟方法进行试算,并对仿真结果进行数值分析,以各优化参数取值为自变量,各自均方差的数值分析结果作为因变量拟合函数曲线并且得到函数方程。利用田口法设计了正交试验得到所选参数对目标函数的影响权重,对函数方程进行加权得到加权函数。最后,编写遗传算法程序求得加权函数方程得到最优设计方案。对于换热器的研究工作有两个原因造成其有相当大的挑战性。首先,到目前为止并没有将换热器的结构参数与其流场分布均匀性相关联的模型或理论。其次,是由于换热器内部流场的复杂性。鉴于上述情况,本文建立了一个关联模型,将换热器的结构参数于其流场分布均匀性联系起来。根据换热器的结构特点,选择优化参数,模拟了换热器中流场的分布特性,并编写程序以执行拟合模拟结果的多项式函数,从而获得拟合曲线和拟合方程。定性结合定量分析得出:最优方案结果使得换热器出口处速度均方差减小了36%。对煤热解热交换系统中热解器进行流场分析,并且对优化方案进行了仿真计算验证方案的可行性。研究结果表明:加均风板对提高热解器出口处速度均匀性有着积极的作用,而改变均风板位置、均风板上开孔直径以及均风板上开孔数量对热解器出口处速度均匀性并无影响。煤热解过程中由于煤燃烧不充分,热解气中会掺杂着粉煤,过滤系统便是用来将煤炭颗粒过滤并处理掉,收集到不含煤炭颗粒的煤热解气体。过滤系统运行时包括两种工作状态,一个是过滤状态,另一个是反吹状态,这两种状态组成了完整的过滤系统过滤清灰工作过程。过滤系统过滤效率不仅与滤料本身性能有关,还与.其内部流场相关。过滤系统在过滤状态下内部流场是复杂的三维流场,通过计算我们无法得知流场分布的均匀性。反吹状态下,反吹气体压力越大成本越高,并且还可能造成清灰过度,清灰过度会破坏粉尘初层,降低过滤效率。因此,本文采用CFD Fluent软件,选择k-ε模型,采用多孔介质模型对实际工况进行简化,设置边界条件为压力入口和压力出口,模拟了反吹状态的流场分布特征,得到过滤系统过滤状态下流场迹线图,并且利用Techplot后处理软件对计算模型切片取点,对数值进行处理分析,为其结构优化设计提供理论依据。同样对反吹状态下过滤系统模型流场分布进行仿真计算,验证在原给定高压反吹气体压力的基础.上减小反吹气体压力是否能够有效清灰。研究结果表明:改变单一优化参数对于过滤器下腔滤管区域流场分布均匀性都有影响。但是将两个优化参数下最优的结果组合建立模型,所得均方差值却大于分别改进单一某参数的均方差值。两优化参数间相互作用,从而对流场分布起作用。能够保证清灰效率的前提下,减小反吹气体压力到0.3Mpa既能够防止清灰过度,又能够节约成本。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ530.2
【图文】：

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1 绪论1 绪论1.1 研究背景及意义在过去的几十年以来，石油和煤炭等传统能源价格直线上涨，然而这些化石燃料在燃烧时对环境的污染十分严重，对能源的开发利用，以及对环境的保护已经成为当今社会关注的两大主题，并且已经成为制约我国经济发展的核心问题[1]。能源的合理利用将会大幅促进社会的经济发展。另一方面，节能减排是国家经济和社会发展的必要条件，也是对能源和环境问题重视的具体表现[2]。作为洁净煤净化技术关键部分的煤气化技术，煤气化技术同时也作为煤炭资源分级利用的重要手段[3]。

流程图,流程图,流体质点,欧拉

图 2-1 CFD 求解流程图Fig.2-1 CFD Solution Flow Chart方法析模型有两种：欧拉-拉格朗日模型和欧拉是将流体质点作为研究对象，在欧拉-拉格和时间变化的，换句话说，流体质点上的物朗日坐标系来表示。模型中的描述坐标为（u、v、w），故用此量，该物理量可以写成一个四维函数其中质点的某个物理量 f1的表达式为： 1 1f f u , v , w, T日坐标系来描述流体质点上的矢径 l1为 1 1l l u , v , w, T

换热器,三维模型

.1 换热器流场分析及结构优化对于换热器结构的研究主要以此思路进行优化。首先，确定优化参数并通过试验验后，对所得结果进行数值分析，得到各优化参数变量下的拟合函数；之后，设计正交，对正交试验结果运用直观分析法获得权重，利用权重对所得的拟合函数进行加权得权函数式，在 Matlab 中用遗传算法进行编程对多变量函数进行寻优，最后对所得最案进行仿真验证。1.1 优化参数的选取本文基于现有设计的换热器进行流场分析及结构优化，换热器有两个流体域，这为内圈和外圈。高温气体从直径为 2600 毫米的入风口进入，在直径为 968 毫米的导处进行一次二次分配，分别进入内圈流场和外圈流场。内圈流场中间设置折流板，厚 6 毫米，折流板上开有两个直径为 250 毫米和三个直径为 150 毫米的圆孔，内圈下部 44 根直径为 86 毫米的小管。外圈流场接直径为 420 毫米的分流管，分流管下端接高0 毫米，内弧半径为 1300 毫米，外弧半径为 2290 毫米的风腔。气体通过分流管进入然后再通过 88 根直径为 86 毫米的小管流出。

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