超临界水流化床内煤气化过程建模与仿真(1):数学模型及物理场分布规律

煤的超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤炭转化技术.本实验室发明新型超临界水流化床反应器,避免了管式反应器中出现的结焦堵塞现象,实现了高浓度煤浆的高效连续气化.本文对超临界水流化床反应器内的物理过程进行了数学建模,并对宽广的温度参数范围下反应器内温度场、流场、以及颗粒停留时间演变规律等进行数值模拟分析,揭示了反应器内部各物理场的特征,加深了对超临界水流化床内流动传热过程的认识,对反应器的运行与设计具有理论参考价值。     

生物质超临界水流化床气化制氢系统与方法研究

本文提出在生物质超临界水气化制氢过程中采用流化床反应器防止反应器结渣堵塞.首先,基于流化床内多相流动力学理论,通过分析获得了超临界水流化床的主要参数包括最小流化速度、终端速度、流化方式等的设计准则.应用此设计准则成功构建了一套超临界水流化床气化制氢系统,实验研究表明高浓度生物质浆料在长达5个小时的气化过程中反应器未见堵塞现象,并获得了与生物质在管流反应器中气化相似的气体产物.     

煤炭超临界水流化床制氢反应器内颗粒流动及传热特性的数值分析

煤炭超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤转化利用技术,深入研究反应器内流动和传热过程对反应器的设计及优化具有重要意义.本文基于欧拉-拉格朗日方法,耦合化学反应动力学模型,建立了煤炭超临界水流化床制氢反应器的三维瞬态CFD模型,研究了反应器内流动和传热特性、颗粒及产物组分的分布转化规律,得到了煤炭颗粒表面的对流和辐射换热系数,并从传热学的角度,揭示了颗粒粒径对煤炭转化速率的影响机理。     

超临界水流化床反应器加料方式优化的数值模拟

超临界水流化床反应器是应用于生物质气化制氢工程中的一种新型反应器,它避免了以往管式反应器容易出现结渣、堵管的不足,而且还具有床内升温迅速、生物质气化充分以及产氢率高等优点。由于采用超临界水作为流化工质,传统流化床的设计方法已经不能满足设计要求。本文基于欧拉双流体模型对超临界水流化床加料方式进行了数值模拟研究,建立了最优加料口结构评价方法,分析了加料口结构、加料速度比以及初始床层高度对超临界水流化床颗粒分布的影响。本文研究进一步完善了超临界水流化床的设计理论。     

超临界水中纤维素气化制氢的实验研究

在500～650℃、20-35 MPa条件下,对超临界水- 纤维素混合物进行气化反应实验,发现压力、温度、反应停留时间、物料浓度等参数对纤维素的气化率和气态产物的组成都有明显影响,得出上述因素的影响规律。结果表明纤维素在超临界水中具有较高的气化率,生成以H2和CO2为丰要成份的气态产物。     

可燃固废流化床气化的欧拉-拉格朗日数值模拟

基于欧拉-拉格朗日模型,气相采用LES湍流模型,固相采用离散颗粒法,同时考虑复杂气固流动以及相内、相间的化学反应,引入气化过程的热解反应模型,并且考虑了焦油的生成和均相转化,对流化床中可燃固体废弃物空气气化过程进行了三维数值模拟。获得了反应器内颗粒流型,气体组分浓度的分布规律以及不同操作条件下的产气组分、产气热值和焦油含量。结果表明;随着空气当量比ER的增加,CO、H_2和CH_4的体积分数逐渐减小,而CO_2的含量逐渐增大。产气率随着ER的增加逐渐增大,产气热值逐渐减小,出口气中的焦油含量也随着ER的增加而明显减小。     

流化床生物质气化过程的三维数值模拟

建立生物质鼓泡流化床气化过程的动力学三维数理模型,气相采用k-ε湍流模型,固相采用基于颗粒动理学理论封闭模型,并自编化学反应子模型。研究了气化炉内固相体积分数、各相的速度以及气化产物的组分的分布,并预测了水蒸气与生物质质量比(S/B)对气化的影响。在鼓泡床的下段固相和气相的速度均呈现振荡变化,特别是在床高H=0.18 m处,由于物料的加入,两相速度在此附近有较大的振荡。在接近鼓泡床床层表面,固相的速度达到了最大。随S/B的增加CO、H_2的摩尔分数增加,CO_2、CH4的摩尔分数减少,在S/B=3.4时,各气体的摩尔分数趋于稳定。     

加压喷动流化床煤部分气化数值模型

本文建立了一个加压喷动流化床煤部分气化的数学模型,根据流场对喷动流化床进行了分区,在喷动区采用类似气力输送流动模型,在周边环行区采用流化床模型。模型中考虑了设备几何特性、运行工况和煤质对煤气化的影响,特别是研究了在喷动流化床中蒸汽、空气与煤之间的比例关系以及系统压力对煤气化的影响。模型计算结果表明,系统压力提高可显著提高煤气化速率,空煤比和汽煤比增加也可提高煤气化速率,但煤气热值降低。     

超临界水流化床内两相流特性的数值模拟研究

本文基于欧拉双流体模型和颗粒动理学理论,对超临界水流化床反应器内气固两相流特性进行数值模拟,模拟获得了超临界水流化床反应器内颗粒分布特性和最小流化速度,分析了表观速度、压力、温度、初始床层高度对超临界水流化床流动特性的影响.本文的研究对超临界水流化床反应器结构的设计及操作条件的优化具有重要的指导意义.     

流化床内重金属蒸发特性的动力学模型

在流化床内煤燃烧烟气中重金属浓度的实时监测基础上,发展动力学模型来研究重金属蒸发释放的动力学特性.该方法包括出口烟气中的重金属浓度变化的实验数据和一个反应器尺度的模型.在反应器的气体出口安装了在线分析系统,该在线分析系统可连续测量烟气中的重金属浓度变化规律.将烟气重金属在线分析的实验结果作为模型的输入参数,根据重金属的蒸发率和固体颗粒中重金属浓度的关系得到其蒸发的动力学规律,对于煤得到2级反应动力学规律.