水平管内粉煤气力输运特性数值模拟研究

发布时间：2019-09-16 20:46

【摘要】：煤炭在我国能源结构中占据主导地位,同时以直接燃烧为主的煤炭利用方式带来了严重的环境污染和生态破坏。因此,能源的高效利用及清洁能源的发展显得尤为重要。煤气化是煤炭高效低污染利用的关键技术,是发展以煤炭为基础的化学品生产、先进的整体煤气化联合循环发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础,是这些行业发展的核心技术。发展以煤气化为关键的多联产技术成为各国高效低污染利用煤炭的热门技术和重要研究方向。大型化是煤炭气化技术发展的首要问题。其技术途径是一定条件下,通过提高操作参数(压力、温度)、强化反应速率以达到提高单炉的生产效率。因此,煤粉的输送压力必须要比气化的压力高,用尽可能少的载气(N2)输送尽可能多的煤粉,一般粉煤浓度高达300-600kg/m3,是典型的密相输送。在密相气固两相流动系统中,粉体性质如粒度、粒度分布、颗粒形状、颗粒密度、含湿量等是影响粉体力学性质(休止角、摩擦角、压缩性)、颗粒群聚特性和其料斗型式及管道流型的重要因素。采用CFD软件FLUENT对水平管内粉煤气力输运特性进行数值模拟,基于双流体模型,结合颗粒动力学与修正的颗粒静摩擦力模型对颗粒相方程进行封闭,考虑曳力与升力两种相间作用力及颗粒间碰撞与摩擦力,采用修正的标准k-?湍流模型。针对壁面处颗粒相浓度分布出现畸变的情况,研究了Johnson和Jackson壁面边界参数镜面反射系数及恢复系数对密相气力输运过程颗粒相浓度分布的影响,结果表明:镜面反射系数对壁面处颗粒相浓度分布影响较大,当镜面反射系数为零时不会发生颗粒相浓度分布畸变现象。颗粒与壁面间的恢复系数对壁面处颗粒相浓度的分布影响较小。比较了Johnson和Jackson与Jenkins壁面边界模型对颗粒相浓度分布的影响,结果表明:两种边界模型对颗粒相浓度的影响不明显,只在过渡区内有轻微的波动。其次,本文在数学模型试验验证基础上,对水平管粉煤密相气力输运过程截面涡特性进行数值研究。模拟预测了压降梯度变化的规律,压降梯度随着表观气速的增加呈现先减后增的变化趋势,得到一些有价值结论。模拟得到了气固两相的速度及颗粒相浓度分布,展现了沉积层形成与发展的渐变过程。模拟得到了同一表观速度下管道不同截面处气相、颗粒相的速度涡型图,观察到了气相漩涡的演变过程,沿管道方向不断增强的涡流加剧了压力损失;颗粒相沿管道流动方向或沉积或聚集的复杂流动过程;对比不同表观气速同一截面处的速度流线图,较高表观气速下形成的漩涡更复杂且更强烈,说明压力损失更大。综上,采用本文的数学模型处理高压密相气力输运具有很好的适用性,为高压密相气力输运的设计和优化提供有价值的参考,今后工作将把捕捉周期性变化的沙丘及其运动机理作为研究的方向。
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O35

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