煤高效制合成气装置的数值模拟

关于煤高效制合成气装置的数值模拟

　　1 引言
　　我国经济在快速的发展中，面临着能源资源和环境限制的瓶颈，鉴于我国富煤缺油少气的特点，煤气化就更成为煤炭能源清洁高效转化的重要基础[2]，现有煤气化技术可分为气流床、流化床和固定床三大类。但是上述煤炭气化转化方法是以单一转换利用为主。在这些单一转化过程中要取得较高的转化效率,往往需要复杂的工艺和苛刻的运行条件,从而导致利用技术过于复杂,投资和运行费用过高，为了提高煤的煤炭转化效率,合理利用煤炭资源,人们开始采用分级转化技术，即燃烧和气化分离进行，易于气化的部分先气化，难气化的碳进入燃烧段燃烧，为煤的气化反应所需的能量，但是现有采用燃烧段与气化段分离的煤循环气化技术，热量利用低，燃烧产生的废气和合成气混合在一起，后期分离处理工艺复杂，成本较高。
　　在前人的基础上，以节能为目的，我们提出了煤高效制合成气装置。其主体由同心内外筒组成，内筒进行煤燃烧放热，内外筒的环形区域内进行煤流化床气化，燃烧放热通过物料循环和筒壁传热传递给环形区域进行煤气化。具有热量利用率高，气化部分产生的产品气和燃烧产生的废气分离，后续工艺简单等优点[3~5]。
　　2 装置描述
　　煤料先由环型进煤口，经过惯性分离器进入上环室L 阀中，在惯性分离器中经过预热温度由40-80℃升高为570-600℃，在上环室L 阀的推动气的推动下被推入流动床气化外筒内进行气化，气化剂为过热水蒸汽，过热水蒸汽经过蒸汽入口进入流动床气化外筒，在气化外筒中，过热水蒸汽由过蒸汽入口进入流动床气化外筒，炽热的煤料与过热水蒸汽进行气化反应，气化反应产生的煤气通过煤气出口管输出，再经煤气旋风分离器进行气固分离后经煤气出口输出；未气化反应的煤焦由气化外筒下部的下环室L 阀的推动气的推动下，被推入流化床燃烧提升内筒，在流化床燃烧提升内筒中气化外筒中未气化反应的煤焦部分燃烧，部分煤焦随燃烧气流进入惯性分离器经惯性分离出的煤焦进入上环室L 阀中，在上环室L 阀的推动气的推动下，被推入流动床气化外筒进行循环气化。在流化床燃烧提升内筒中燃烧煤焦产生的高温废气在惯性分离器中与煤粉逆流换热加热煤粉，然后由废气出口排出至燃烧废气旋风分离器，流化床燃烧提升内筒中燃烧产生的灰渣从底部排灰管排出[1]。
　　3 几何模型
　　考虑的计算机的计算能力，结合实际情况，对原有结构进行合理的简化，以便于合成气装置更适合于Fluent 中的模拟。简化后的几何模型和结构尺寸见图2。边界设置及名称见图4，其中p-1 为燃烧内筒气体的压力出口，p-2 为气化外筒的合成气出口，wall-heat 为燃烧内筒和气化外筒之间的传热界面。V-mid 为燃烧内筒的进风口，进风口进风温度设置为1000K，以模拟内筒燃烧时产生的高温，V-out 为气化外筒的进风口，在内外筒底部初始化0.3m 高的固体颗粒物。由于计算时间的限制，对于整个计算区域进行统一的网格划分，对边按照30mm 的尺寸进行网格划分，对计算区域采用四面体网格。
　　4 计算结果及分析
　　4.1 颗粒直径对传热效果的影响
　　由于受计算机运算能力和计算时间的限制，本次模拟只是计算了煤高效制合成气装置运行由0 到15s 内的运行状态。
　　显示了煤高效制合成气装置在15 秒内，在不同颗粒直径的条件下，气化外筒的平均温度，气化外筒温度随时间的变化关系见拟合曲，由图5 可以看到，到10 秒以后，温度变化变缓，15s 以后基本达到稳定状态；在其他参数相同的条件下，由于气固两相流随着颗粒直径的变小，两相混合程度加剧，从而加强了两相间的热传导，因此气化外筒的平均温度会随着颗粒直径的变小而升高。
　　4.2 径高比对传热效果的影响
　　在初始状态参数相同的情况下，表3 是在不同径高比的条件下，气化外筒内平均气温随时间变化的关系，平均气温和时间的函数关系的拟合曲线见。
　　由上述数据可以得出：当径高比变化时，气化外筒的平均气温变化不大，从图6 中可以看到，三种不同径高比的条件下，温度和时间的拟合曲线基本重合。径高比由1/6 变化至1/10，15s 的气化外筒平均温度仅相差1K。由此可以得出：径高比对气化外筒的传热效果的影响很小。
　　5 静止床层高度对传热效果的影响
　　在初始状态参数相同的情况下，表4 是在不同的静止床层高度的条件下，气化外筒内平均气温随时间的变化关系，平均气温和时间的函数关系的拟合曲线见图7。由数据分析可得：
　　静止床层高度对气化外筒内的平均温度的影响不大，从图7 中可以看到，三种不同景致床层高度的条件下，气化外筒的平均温度随时间变化的拟合曲线基本重合。
　　尽管静止床层高度由0.3m 增大到0.5m，但是在15s 时的气化外筒平均气温仅相差1K，由此可以得出：静止床层高度对气化外筒的传热效果的影响很小。
　　6 结论与讨论
　　本文应用双流体模型和fluent 软件成功模拟了颗粒直径（d）、径高比（Ri/H）和静止床层高度对煤高效制合成气装置的传热效果的影响，通过对数据的可视化处理，直观的反映出了颗粒直径（d）、径高比（Ri/H）和静止床层高度变化时对气化装置的传热效果以及颗粒分布的影响，由前面的分析可以看出，在三个因素当中，颗粒直径对传热效果的影响最大，径高比和静止床层高度对煤高效制合成气装置的传热效果来说是次要因素，因此，在以后实验台的搭建过程中，主要要考虑颗粒直径对煤高效制合成气装置传热效果的影响，避免试验中不必要的人力和物力的浪费。

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