水煤漿氣化爐激冷過程多相熱質(zhì)傳遞規(guī)律數(shù)值模擬研究.pdf

1、潔凈煤技術(shù)是世界各國(guó)解決能源與環(huán)境問題的主導(dǎo)技術(shù)之一,是高技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的主要領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)外潔凈煤技術(shù)體系中,煤氣化技術(shù)占有重要的發(fā)展地位。尤其是高壓、大容量氣流床煤氣化技術(shù)已成為IGCC發(fā)電系統(tǒng)、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、煤間接液化、制化肥、制氫和制燃料電池的龍頭技術(shù)之一,是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流。我國(guó)己于2004年將“大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)研究”列為國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。
　　 氣流床煤氣化技術(shù)的研究主要集中于煤的輸送過程、

2、氣化過程以及復(fù)雜多相反應(yīng)產(chǎn)物的處理過程。復(fù)雜多相反應(yīng)產(chǎn)物的處理方式有激冷式、輻射廢鍋式、廢鍋-激冷式。洗滌冷卻室是激冷式氣流床煤氣化爐的核心組成,目前,國(guó)內(nèi)已對(duì)德士古水煤漿氣化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型水煤漿氣化爐。在新型水煤漿氣化爐激冷過程中,含渣合成氣在洗滌冷卻室內(nèi)完成洗滌降溫、增濕,以滿足后續(xù)工藝要求。洗滌冷卻室內(nèi)高溫高壓條件下多相流動(dòng)和熱質(zhì)傳遞過程十分復(fù)雜,相關(guān)的規(guī)律和機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不全面。對(duì)洗滌冷卻室內(nèi)多相系統(tǒng)的流

3、動(dòng)、傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行研究的目的是得到洗滌冷卻室運(yùn)行過程中,合成氣降溫、增濕;熔融態(tài)灰渣凝固、聚并、分離的機(jī)理性信息。本文采用理論分析、數(shù)值模擬方法,結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,圍繞洗滌冷卻管及液池鼓泡區(qū)內(nèi)所涉及的復(fù)雜氣-液-固三相流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等多個(gè)關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題展開研究。主要內(nèi)容包括以下方面:
　　 以洗滌冷卻室冷卻管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過程為研究對(duì)象。冷卻管內(nèi)氣液界面流的特殊性在于高溫和高壓的操作背景,兩個(gè)因素對(duì)氣液流動(dòng)的影響既相互獨(dú)立又

4、相互關(guān)聯(lián),傳熱過程使問題的研究更加復(fù)雜。本文首先對(duì)冷態(tài)條件下管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性和降膜的形成、波動(dòng)、斷裂特性進(jìn)行研究。基于運(yùn)動(dòng)界面追蹤技術(shù),建立了氣液流動(dòng)及降膜受力模型。從宏觀和微觀角度對(duì)高壓條件下氣體與降膜流動(dòng)過程進(jìn)行了詳細(xì)探討,分析了兩相流動(dòng)及降膜流型的影響機(jī)理,獲得了冷卻管內(nèi)壓力、速度、湍動(dòng)能分布及降膜流型、降膜厚度分布規(guī)律;考察了操作壓力、入口氣體流速、入口降膜流速對(duì)降膜流型的影響。
　　 為了深入研究高溫高壓條件下冷卻

5、管內(nèi)高溫合成氣與冷卻水膜直接接觸垂直并行流動(dòng)過程中傳熱、傳質(zhì)規(guī)律,充分掌握降膜流型、斷裂特性?；跉W拉方法,在已經(jīng)建立的氣液兩相湍流流動(dòng)的流體體積(VOF)模型基礎(chǔ)上,深入考慮相間輻射傳熱,氣體組分傳遞,相間動(dòng)量、能量、質(zhì)量傳遞。引入高溫高壓下界面波動(dòng)理論和剪切力理論,采用自編的C++程序?qū)ｉT處理動(dòng)量、能量與質(zhì)量源項(xiàng),對(duì)Fluent進(jìn)行二次開發(fā),建立了氣液兩相湍流流動(dòng)模型、液膜相變模型、組分輸運(yùn)模型、離散坐標(biāo)(DOM)輻射模型、灰氣體加

6、權(quán)平均模型(WSGGM)的全耦合求解機(jī)制。將數(shù)值模擬獲得的冷卻管內(nèi)溫度分布曲線與華東理工王亦飛等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,兩者所展示的降溫趨勢(shì)一致。進(jìn)而獲得了高溫高壓條件下冷卻管內(nèi)氣液兩相溫度分布、降膜厚度分布特性。分析了操作壓力、降膜入口流速、合成氣入口溫度對(duì)冷卻管內(nèi)溫度分布的影響,以及操作壓力對(duì)降膜流型的影響。
　　 以冷卻管內(nèi)高溫合成氣與熔融態(tài)灰渣顆粒流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)過程為研究對(duì)象?；跉W拉-拉格朗日方法,建立了改進(jìn)的顆粒軌道模型,

7、模型解決了相間動(dòng)量耦合、能量耦合,熔渣顆粒之間相互作用,熔渣顆粒的輻射、單個(gè)熔渣顆粒的相變行為。模型忽略了管壁水膜流動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響,認(rèn)為冷卻管壁面有水蒸氣流入,采用Fluent二次開發(fā)技術(shù)專門處理有水蒸氣流入的邊界條件。獲得了顆粒速度,顆粒的相變狀態(tài)、濃度分布,粒徑分布特性以及冷卻管流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布。
　　 為了掌握洗滌冷卻室液池鼓泡區(qū)內(nèi)氣液兩相湍流流動(dòng)特性,并尋求氣泡尺寸控制方法的理論依據(jù)。搭建了簡(jiǎn)易的鼓泡床實(shí)驗(yàn)裝置,直觀、形

8、象地觀察壁面受限鼓泡床內(nèi)的兩相湍流流動(dòng)過程,對(duì)影響兩相流動(dòng)特性和氣泡特性的因素進(jìn)行預(yù)測(cè)。建立了液池鼓泡區(qū)氣液界面追蹤模型,從氣.液界面運(yùn)動(dòng)、氣泡變形、濕周變化的角度進(jìn)行模擬研究。利用C++編程對(duì)Fluent計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理,提取界面氣含率、氣泡濕周等氣泡特性參數(shù)。揭示了氣體穿越液池過程中氣液兩相湍流流動(dòng)特性,獲得了洗滌冷卻室內(nèi)的氣含率、氣液相湍動(dòng)能、速度、氣泡尺寸以及氣液界面面積濃度等參數(shù)的分布規(guī)律。展現(xiàn)了氣泡變形細(xì)節(jié)變化過程,獲得了

9、表觀氣速、靜態(tài)液位、操作壓力等對(duì)氣泡特性的影響規(guī)律。探討了三種氣泡特性控制方案,結(jié)果表明,方案一通過改變突擴(kuò)比對(duì)液池內(nèi)的氣含率分布影響不大;方案二加裝支管的主要作用是對(duì)氣體進(jìn)行導(dǎo)流分配,降低下降管底端出口處壓強(qiáng),減弱由高壓氣體湍動(dòng)對(duì)下降管造成的振動(dòng)效應(yīng)。方案三加裝破泡板不但能均布?xì)馀?、增大濕?還能有效減少床層波動(dòng)。破泡板布置位置不宜過高,板上間隙及間隙分布密度可根據(jù)氣泡特性徑向分布適當(dāng)調(diào)整。破泡板交叉布置使得氣含率徑向分布更加均勻,但

10、不利于液位穩(wěn)定。
　　 在液池鼓泡床內(nèi)合成氣、灰渣與池內(nèi)黑水(操作壓力對(duì)應(yīng)的飽和冷卻水)溫差可達(dá)300℃,池內(nèi)氣-液-固三相系統(tǒng)發(fā)生劇烈的流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)。首次考慮液池鼓泡床內(nèi)灰渣顆粒對(duì)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的影響,建立氣一液-固三相系統(tǒng)質(zhì)量、動(dòng)量、能量同時(shí)交換的雙向耦合數(shù)學(xué)模型?；跉W拉-歐拉-拉格朗日方法,通過C++編程對(duì)連續(xù)相與離散相間相互作用進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)相間耦合計(jì)算。對(duì)合成氣和冷卻水系統(tǒng)建立歐拉-歐拉雙流體模型,引入群平衡原