流化床气化炉内气固流动及过程模拟与分析

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流化床气化技术是粉煤制取燃料气及合成气的有效方式之一。在众多流化床气化技术中,灰熔聚流化床粉煤气化技术是一种前景广阔的洁净煤技术,具有适应煤种范围宽、操作条件温和、氧耗低、投资小等优势。为加快灰熔聚流化床加压煤气化工艺开发进程,在传统实验手段开发过程中辅以灰熔聚流化床气化模拟研究十分必要。近年来计算流体力学方法和工艺流程模拟方法得到大力发展,已经成为新一代化工过程设计、开发、优化的重要工具。由于流化床内稠密气固流动的不均匀性及煤气化反应的复杂性,加压灰熔聚流化床气化炉的模型研究有待于进一步完善。本论文结合FLUENT和ASPENPLUS软件在加压灰熔聚流化床气化炉模型开发方面的优势,主要研究了加压下灰熔聚流化床气化炉内气固流动规律及气化特性。  在传统欧拉—欧拉双流体模型基础上结合颗粒动力学理论,基于FLUENT软件平台构建了稠密气固两相流动模型。该模型针对灰熔聚流化床带有锥形分布板和中心射流管的特点,采用UDF编程手段改进了Gidaspow曳力模型参数使得模拟结果与实验测量结果吻合较好。另外,利用该模型研究了加压条件下实验室规模及中试规模的灰熔聚流化床内气固流动特性。模拟结果显示气固之间曳力越大,床层膨胀比越大。射流深度随中心管射流气速增加而增加,而分布板气速增加将会对中心射流产生削弱作用并导致射流深度降低。在相同操作气速下,随着操作压力提高膨胀比和床层空隙率增加。在相同操作压力下,膨胀比随着床层表观气速增加而增加。  结合稠密气固两相流动模型对灰熔聚流化床内流场分析,基于ASPENPLUS软件平台并借助FORTRAN语句耦合加压气化动力学和流体动力学参数开发了灰熔聚流化床气化反应过程模型。在气化炉温度、煤气组成及气化指标等方面,该模型预测结果与加压中试试验结果吻合较好。随后该模型被用于考察单个操作参数(操作压力、氧煤比、汽煤比、气化剂预热温度等)变化对加压灰熔聚流化床气化特性的影响。模拟结果显示提高操作压力可以提高气化强度,改善煤气质量。氧煤比可以与汽煤比配合来调整气化炉温度,改善煤气质量和气化指标,并可用于调节煤气中H2/CO的比率。提高气化剂入炉温度可以明显改善煤气质量,降低氧耗。最后通过模拟优化方案计算得出气化晋城无烟煤较优化的工艺条件是氧煤比为0.39~0.45Nm3/kg,汽煤比为1.1~1.4kg/kg,汽氧比为2.9~3.2kg/Nm3。
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