texaco 气化炉 DPM模型气固两相流模拟（毕业论文）

河海大学本科论文 Texaco 气流床气化炉内气固两相流动的数值模拟

摘 要

本文在对Texaco气流床气化炉内多相流动进行分析的基础上，建立了描述炉内行为的数学模型，采用Fluent对在冷态条件下气化炉的气固两相流的流动情况进行了模拟，模拟结果和实际操作结果吻合较好。同时也就在不同空气喷射角度下和在不同的空气与煤粉气流流量的运行情况下进行一个模拟与分析。

从流动角度来看，整个气化炉可以分为四个不同的局部流场。刚刚进入喷口时，为了使煤粉的颗粒能够成功雾化开来，需要空气从环形喷口出去的超高速度的氧气流将中间圆形喷口喷出的低速的碳颗粒气流吹散，这常常在喷口处形成了一块强烈的回流区。第二块是由于喷嘴喷射而形成的强烈的撞击流区、接下来第三块在整个气化炉的周围存在一块贯穿整个炉子的回流区域，是由于喷口气流从中心喷射出去先后穿越整个气化炉的中心区域，但因为流场中心的气流流速非常高，而靠近炉子壁面的气流速度则相对较低，两者之间由于速度差在整个炉体中产生了的一块回流区域。而第四块是位于气化炉中部和下部稳定而均匀的平流区。这是由于中间喷口喷射出的高速流动的气流在从喷口到炉子中部的过程中其动量已近被不断的消耗，导致在整个炉子的截面上其速度渐渐区域均匀。

本次的研究主要通过数值计算模拟得出气流床气化炉内，在不同的喷口角度时和在不同的喷口进气量的情况下，气固的混合气体在炉子内部的混合情况，流场的分布情况，固体颗粒流的运动轨迹情况。而且我通过数值模拟得出了在气固两相流在喷口外会产生旋流，会后渐渐平稳。除此之外随着喷口角度的不断变化，从0度到30°，整个气化炉的流场混合情况会随着角度的增加先由差变好，再变差。而最佳的流场分布出现在，喷嘴角度为15°的时候。而随着喷嘴气流中流量从小到大不断变化，发现整个炉子中的流场情况存在着类似的情况。 关键词：气流床煤气化；Texaco气流床煤气化炉；数值模拟；气固两相流；喷嘴角度

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Abstract

The commercial CFD software Fluent was used to simulate the influencing factors on Texaco coal gasifier running in a factory in this paper. It was found that the models of numerical simulation, the geometric modeling and accuracy of grid were contented by comparing the simulation results and actual results by comparing the simulated results and running results. This also verifies different air injection Angle and in different air on coal gasification performance.

In view of the flow, the gasifier can be divided into several flow state, just enter the spout, in order to make the pulverized coal particles can succeed atomization spreads, need to vent air from the high speed ring out (up to 3 digits air) oxygen flow will round out among the jet of four-letter carbon particles airflow (often only single digits) wind, often in the vents form a strong backflow area. The second piece is due to the nozzle jet and the formation of the impact of the strong flow region, the next in the third piece of the gasifier are around a stove backflow through the whole area, is due to vent air from jet out through the center has the central area of the gasifier, then slowly spread, but because the flow field in the center of the airflow velocity is very high, and away from the furnace wall air velocities are relatively low, because of the speed difference between the upper part of the gasifier produced a backflow area. And the fourth piece is to be located in the central gasifier and lower stable and uniform v-wind area. This is due to the high speed of the jet spout among the flow of air in the middle of the jet from to process its momentum has nearly constantly consumption, cause of the furnace in the whole section its speed gradually area even.

This research mainly through numerical simulation in that bed in the gasifier airflow gas-solid and in different Angle of vent when in the spout of different and the subsystem, the gas-solid gas mixture in the mixture of internal furnace, the distribution of flow field, solid particle movement. Through numerical simulation concludes that the gas-solid two-phase flow in the jet will produce hydrocyclone , after the meeting smoothly. And with the constant change of the vent Angle, from 0 degrees to 30 degrees, the flow field of the gasifier mixed things will change by the poor, the worse. And the best of the flow field distribution appeared in, nozzle Angle for the 15 degrees. But along with the nozzle air flow in since the changes, found the flow field of the situation there are similar situation.

Key words：Entrained coal gasification, Texaco entrained gasifier, Numerical simulation, Gas-solid

flow pattern, Nozzle Angle

II

目录

第一章 绪论 ............................................................................. 1

第一节 研究背景 ........................................................................................................................................... 1 第二节 研究概况 ........................................................................................................................................... 3 第三节 研究内容 ........................................................................................................................................... 4 第四节 本章小结 ........................................................................................................................................... 5 第二章 CFD计算模拟软件介绍 ............................................................. 6

第一节 计算流体力学介绍 ........................................................................................................................... 6 第二节 GAMBIT ........................................................................................................................................... 7 第三节 FLUENT 介绍 ................................................................................................................................. 9 第四节 本章小结 ......................................................................................................................................... 10 第三章 几何建模及模型选择 .............................................................. 11

第一节 几何建模及网格划分 ......................................................................................................................11 第二节 流体模型 ......................................................................................................................................... 12 第三节 数学模型 ........................................................................................................................................... 13 第四节 本章小结 ......................................................................................................................................... 14 第四章 气化炉中的相关设置 .............................................................. 15

第一节 GAMBIT中的模型边界条件设置： ............................................................................................. 15 第二节 FLUENT的计算模型设置 ............................................................................................................. 16 第三节 本章小结 ......................................................................................................................................... 19 第五章 实验结果分析 .................................................................... 20

第一节 网格独立性 ..................................................................................................................................... 20 第二节 结果分析 ......................................................................................................................................... 21 第三节 喷嘴的角度变化对煤气化的影响 ................................................................................................. 23 第四节 喷口流量的变化对煤气化的影响 ................................................................................................. 31 第四节 本章小结 ......................................................................................................................................... 36 第六章 结论与展望 ...................................................................... 37

第一节 本文的主要研究成果 ..................................................................................................................... 37 第二节 不足之处和研究展望 ..................................................................................................................... 37 参考书目 ................................................................................ 39 致 谢 .................................................................. 错误！未定义书签。

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第一章 绪论

第一节 研究背景

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭占全国常规能源探明储量的90%，由于煤炭利用过程中产生了非常严重的环境污染问题，所以必须改变对煤炭的利用方式，发展洁净煤技术（CCT）。目前我国环境政策正在日趋严格，洁净煤技术的相关法律法规也相继出台，因此洁净煤技术在我国有广泛的发展前景[1]。

虽然我国从20世纪80年代就开展洁净煤技术的研究工作，但目前的发展水平与发达国家仍然有一定的差距。洁净煤技术的市场化和商业化也刚起步不久，目前全国每年气化用煤量仅约60Mt，且以中小型气化为主，现有大型煤气化主要以技术引进为主，可见我国洁净煤技术的发展形势十分严峻。

煤气化技术是一种重要的洁净煤技术。煤炭气化主要是指煤中的碳与气化剂（氧、水蒸气、二氧化碳和水等）的反应，也有碳与产物以及产物之间进行的反应[2]。

煤气化工艺根据气化炉的类型可以分为固定床气化、流化床气化和气流床气化等等。固定床气化、流化床气化和气流床气化等三种典型的煤气化的技术比较如下。

固定床煤气化技术是以空气、水蒸气、氧气为气化剂，将固体燃料转化成煤气的技术。自1882年第一台常压固定床煤气发生炉在德国投产以来，该项技术不断得到完善。在冶金、建材、机械等行业被广泛的用于制取燃气，在中小型合成氨厂用于制取合成气。目前该技术不断更新，企业生产规模不断扩大。这种气化技术由于对原料要求严格、生产能力小、能耗高等缺点，其面临巨大挑战，但是该气化技术成熟可靠，投资少，建设期短，使其在国内外仍被广泛推广使用[3]。鲁奇炉(Lurgi)是典型的固定床煤气化炉。

流化床煤气化技术是煤粉气化的主要方法，其主要特点有：气化剂从气化炉底部进入，炉内的煤粒被气化剂流化起来，在一定温度下发生煤的气化反应。流化床气化过程易于控制，有利于大规模生产，但由于流化床煤气化过程偏低的操作温度和较多的粉尘含量、灰渣含碳量，其仅适用于活性高的褐煤、年轻的烟煤。另外，为了回收利用飞灰和灰渣，还需要建立辅助的沸腾燃烧炉，设备复杂。常见的流化床气化炉有温克勒(Winkler)、灰团聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床(PFB是PFBC的气化部分)以及灰熔聚气化炉等[4]。

气流床气化炉，按供料方式可以分为湿法进料和干法进料两种。湿法进料的有属于第二代煤气化技术的Texaco方法和Destec煤气化方法，干法进料最为成熟的是常压操作Koppers-Totzek(K-T)法和后来又开发成功加压的shell法以及Prenflo法。

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气流床煤气化是指煤粉与气化剂均匀混合通过特殊的喷嘴进入反应器瞬间着火，直接发生气化反应，火焰区温度高达2000℃，形成液态炉渣。粉煤和气化剂在火焰中作并流运动，粉煤急速通过高温区，来不及熔结而迅速气化，反应时间极短。在高温下，所有干馏产物都迅速分解，转变为水煤气反应的组分，因而生成的煤气中只含有很少的CH4。气流床气化的最大特点是消除了燃料的粘结性对气化过程的影响。气流床煤气化工艺的主要特点为：煤在气流床中的停留时间短，单台设备处理能力大；煤种适应性强，原则上各种煤均可使用；生产的合成气中不含焦油、酚类及重烃化合物，几乎没有污染物的排放；气化碳转化率高。气流床煤气化技术可分为水煤浆气流床煤气化技术和干煤粉气流床煤气化技术。

目前世界上用的最多的几种气化炉为：Texaco（Texaco）炉、谢尔（Shell）炉、鲁奇（Lurgi）炉、恩德(Ende)炉。表1-1为国外四种典型气流床煤气炉比较。

表1-1 国外四种典型气流床煤气炉比较

项目 Texaco(Texaco) 灰熔点

<1300℃、水分<8%、粒度<200目煤浆灰分<13%、可磨性和活性相对高 耐火衬里烧嘴 2.65~6.5 1350~1400 液态 98~99 5000 0.3 80~82 较简单 复杂、费用高

1500

Shell（谢尔） 灰熔点<1500℃、水分：褐煤<8%、烟煤<2%灰分<13%可磨性和活性

好

相对烧嘴水冷

壁 2.0~3.0 1400~1700

液态 >99 >8000 0.225~0.255

>90 简单 复杂、费用高

2000

Lurgi（鲁奇） 恩德粉煤气化 原料煤

基本结构 操作压力/MPa 操作温度/℃ 排灰方式 碳的转化率% 生产强度/m3/h 耗氧/m3 有效成分（CO+H2）% 煤气处理 原料准备 单炉最大生产能力/t/d

自由膨胀指数<7%、灰熔可以使用高灰分的劣质点>1400℃、水褐煤、不黏煤、弱黏煤和分<20%碎煤灰长焰煤，使煤源得到很大分无限制原料，的拓展 适用广，成本低 水夹套布煤、搅恩德气化炉为常压循环拌器旋转炉篦 碳化床技术 2.0~3.1 常压气化 1100~1300 900~1000

固态、灰渣和飞灰含碳量

固态

<10%

98 85~96

单炉每小时产气量达到4

3000~4500

万m3/h

0.18 0.33

62~65 量大、复杂 简单、费用低

600

66~70 量大、复杂 简单、费用低

600

从表1-1我们可以看出Texaco气化炉，其综合性能尤其是它的生产转化率更是在所有炉子中名列前茅，而起操作较简单的特性更是决定了它将拥有非常广阔的发展前景。而其各种较为苛刻的适用条件，复杂的原料准备，较高的运行费用，更是为该炉子的进一步改进指明了方向。

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2)可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格； 3) 可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量；

4)新增PRO/E、CATIA等直接接口，使得导入过程更加直接和方便；

5)强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度；

6)G/TURBO模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格；

7)强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格； GAMBIT划分网格：

1)先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量；

2)居于行业领先地位的尺寸函数（Size function）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更

加合理，最大限度地满足CFD需要。 而常见的网格如图2-1所示。 图2-1 常见的网格类型

3)GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格；

4)新版本中增加了新的附面层网格生成器，可以方便地生成高质量的附面层网格；

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5)可为FLUENT、POLYFLOW、FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式[12]。

第三节 FLUENT 介绍

Fluent是目前处于世界领先地位的CFD软件之一，Fluent软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，Fluent软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。从本质上来说，Fluent只是一个求解器。Fluent本身提供的主要功能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料的特性、求解和后处理。Fluent支持的网格生成软件包括GAMBIT、TGrid、GeoMesh等其他CAD/CAE软件包。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体和六面体及混合网格。Fluent能够根据计算的结果调整网格，这种网格自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。 Fluent软件具有以下特点：

Fluent软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能。 Fluent 前处理网格划分：

Fluent软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是Fluent所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；

Fluent软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口(UDF)；Fluent软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。

在CFD软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于CFD计算机软件群的概念。针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时 Poly Flow和Fluent Dynamical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司)[13]。

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第四节 本章小结

本章首先对所应用的模拟软件进行了简单介绍，描述了模拟软件的特点、优点、运用的条件以及我们在使用软件过程中所要遵循的一些基本的准则。

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第三章 几何建模及模型选择

本章主要对Texaco气化炉进行建模，然后在冷态状态下对炉子的流动状态进行了理论分析，进而提出模拟炉内冷态煤气化过程的数理模型和相应的定解条件；最后根据数值模拟需要对研究对象进行几何建模，并确定数值求解方案。

第一节 几何建模及网格划分

本文的计算对象为KIDEC[14]型的实验室规模的Texaco气流床气化炉，具体结构见图3-1、图3-2、图3-3以及表3-1。炉膛上部0~1.2m为高温段，大部分燃烧和气化反应在此进行。炉壁包有多层保温材料；1.2m~2.05m温度较低，炉壁有循环水冷却，在本文工况下，冷却水流量为1m3/h，带走热量为30.189kJ/s，中心喷孔为水煤浆喷日，圆环形为氧气喷日。水煤浆和氧气从气化炉炉顶喷入炉内，混合、加热进而燃烧气化。

图3-1 结构图

表3-1 炉子的设计参数

H1 1550

H2 0

D1 200

D2 60

D3 13.28

D4 12

D5 3

图3-2 喷嘴剖视图 图3-3 喷嘴俯视图

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第二节 流体模型

本文以KIDEC型实验室规模的Texaco气流床气化炉为研究对象，主要研究气化炉内的气固两相流动。在气化炉运行的程中，炉膛内是煤粉颗粒和气体组成的气固两相流动。且由于气化炉的喷嘴开口小，使得在喷嘴附近的流体流场状况非常复杂。

气流床气化炉内是伴随复杂传热传质、化学反应的剧烈的湍流多相流动。多相流动问题的求解，一直是数值计算的热点和难点之一。 1、 欧拉－欧拉方法

在欧拉－欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相所占的空间无法再被其他相占有，故此引入相体积率（phasic volume fraction）的概念。体积率是时间和空间的连续函数，各相的体积率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭，另外，对于小颗粒流（granular flows ），可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭[15]。

2、 欧拉－拉格朗日方法

离散相模型是一种典型的欧拉－拉格朗日方法。流体相被设置为连续相，直接求解纳维-斯托克斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子或液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。离散相模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率很低，即便如此，较大的质量加载仍能满足。粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的，它们被安排在指定的间隙完成。本文模拟对象的燃料是煤粉颗粒，煤粉颗粒的体积分数一般说来要小于10-12%，选择离散相模型在拉格朗日坐标下描述颗粒行为。通过计算颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量或者质量传递，可以预测连续相中由于湍流旋涡的作用而对颗粒造成的影响，离散相的加热或冷却，液滴的蒸发与沸腾，液滴的迸裂与合并，模拟煤粉燃烧，以及连续相与离散相的耦合等[16]。 3、综合比较

首先气体相的数学模型是以单相流体力学方程为其基础方程，并添加考虑两相作用的耦合相，即两相流的气相控制方程与单相流场的控制方程相比，只多了一个流体与颗粒相互作用源项[17]。而气固两相流系统中颗粒运动极为复杂，颗粒相的模拟研究主要集中于颗粒运动力学。颗粒的运动过程可以分解为颗粒在流体中的运动过程和颗粒与颗粒间的碰撞过程。在气固两相流中，颗粒运动受到曳力、重力、压力梯度力、浮力、附加质量力、Magnus力、Saffman力、Basset力等力的作用，其中，曳力是气体对颗粒运动影响最大的力，曳力的计算对流动结构的模拟非常重要[18]。

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图4-4 流体材料的设置

3、设置边界条件

在本论文所研究的Texaco煤粉气化问题中，由于气化炉内的温度非常之高以至于煤粉颗粒刚刚在整个气化炉中气化，在高温之下就会变成液体，而作为液体的每份颗粒一旦接触炉子的壁面就会顺着炉壁留下来同时发生各种化学反应。所以对于此类的壁面，其为WALL的边界条件全部设为trap。而对WB的壁面由于其距离喷嘴非常的接近，所以壁面温度不高，因此其WALL的边界条件设置为reflect。 4、设置喷嘴条件

进入Injections选项进行喷嘴条件设置，先创建Injection1对应喷嘴injection0，喷口类型为surface，微粒材料为anthracite，直径分布为rosin-rammler，具体设置如图4-5所示：

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图4-5 喷嘴条件的设置

第三节 本章小结

本章对相关的模型进行了实际模拟，并且在Fluent中对相关的选项进行了设置，规定了边界条件、初始条件。

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第五章 实验结果分析

本章对喷口的倾斜角度和进入炉子的流量对炉内气固两相流的影响规律进行了研究，找出最佳的喷口角度和最佳的流量大小。

第一节 网格独立性

在数值计算中，网格数量的选取对计算结果的精度有重要的影响。在计算中，要使用最少的网格数量以求获取最精确的计算结果。为了获取最佳的网格，需要在基准工况下，对不同数量的网格进行预计算，最终选择计算精度高、网格数量少的网格，这一过程称为网格独立性检验。

为了进行网格独立性检验，本文选定了网格数目为24万、38万、65万、82万、100万的几套网格并进行了计算。由于网格数目的不同，不同网格的计算精度有一定差别，同时网格数目不同其计算时间也各不相同，所以需要从计算精度和计算时间两个方面综合考虑，选择合适的网格来进行模拟计算。由于网格数量在82万以下的网格在计算迭代后总是出现一些奇点，出现一些明显错误的地方，不能够满足结果的需求。综合考虑后，本文从气化炉出口气体的速度场分布，颗粒分布等方面入手来比较几套网格，发现网格数为82万的网格得到的计算结果最为理想。

图5-1 24万网格的速度矢量图

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、炉内气体速度矢量图的分析

图5-2 65万网格的速度矢量图

5-3 82万网格的速度矢量图第二节 结果分析

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图

1

图5-4 气相速度分布图

图5-4为喷口为15气度化炉的速度分布图。从图中可以看出，根据气化炉内的速度分布可以将气化炉炉膛分为入口强烈的回流区、撞击流区、回流区和平流区四个部分。

其四个区域的具体特点如下所示：

1)强回流区：流体从喷嘴高速喷出后，由于同心的外部喷口的速度很高而与此相比内圆喷口出的流速则非常低，这样由于两者之间的速度差这会在喷嘴的出口处出现非常强烈的回流区域。

2)撞击流区：由于外环的高速气流随后会携带着颗粒在出了喷嘴后由于速度产生的压强差，会向中心靠近并且最终会汇集在一起，相互撞击形成撞击流区，而且在此期间，这股不稳定的流场会形成一些小漩涡。

3)回流区：回流区是因为整个炉子内高速流动的喷射气流由于其速度远远大于其周围环、境的流体速度。由于其高速的运转同时带动周围的流体会形成一个很大的回流区域。

4)平流区：在气化炉的中下部，由于射流中心的速度急剧下降且迅速与周围环境的流体速度接近，会渐渐形成一块速度分布十分均匀的流场区域，也就是平流区。 2、炉内速度场的分析

图5-1为相同状况下喷嘴为15度的炉内速度矢量图，从图中可以看到，在喷嘴入口处速度很大而且其喷口的速度随着气流的不断推进速度不断降低。这是因为同心圆环喷嘴的厚度仅为0.64mm，而炉膛直径为200mm，在质量流量一定的情况下，速度与半径的平方成反比，所以当煤粉和空气刚喷入炉膛时速度非常高，而随着气流的不断推进，高速气流与周围的低速气流不断混合，气流速度不断降低。同时由于中心高速气流与周围低速气流的相互作用在炉

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图5-14 15°喷嘴速度云图

图5-15 20°喷嘴速度云图

通过比较不同喷嘴的速度云图我们可以发现，随着喷嘴角度从0°向30°的过程中不断变大，速度云图也渐渐的从狭长渐渐变宽，越来越使得整个炉子内面的流场区域更快地趋于一种平衡。

3、颗粒的轨迹分析：

下面将通过分析在不同喷嘴角度下煤粉颗粒的运动轨迹和颗粒在气化炉中的停留时间，从而分析那种角度的喷嘴更接近最佳工况。

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图5-16 0°喷嘴煤粉颗粒轨迹

图5-17 10°喷嘴煤粉颗粒轨迹

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图5-18 15°喷嘴煤粉颗粒轨迹图5-19 20°喷嘴煤粉颗粒轨迹

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图5-20 30°煤粉颗粒运动轨迹

图5-21 颗粒在炉体中的最长停留时间

通过对煤粉轨迹图和最长煤粉停留时间的分析，得出在喷嘴角度在15°的时候煤粉颗粒在整个气化炉中的停留时间最长。而且其煤粉在整个气化炉中的充满程度越好。

综上所述根据煤粉颗粒在气化炉中的停留时间越长、气化炉中整个流场的流场分布越利于煤粉在整个气化炉中分散，充满整个炉体、速度云图的分布越均匀来看。我们可以发现在煤粉停留时间这块15°的喷嘴为最佳。从速度矢量图来看10°的喷嘴为最佳。从速度云图来看20°的喷嘴为最佳。所以综合来看15°的喷嘴是一个最优的选择。

第四节 喷口流量的变化对煤气化的影响

本节在15°喷嘴的基础上开始分析在不同气体流量下，气化炉炉子内流场的分布情况、煤粉颗粒的停留时间等数据，从而选出一个最有的流量大小。

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1、速度矢量图的分析

图5-22 喷嘴气体速度为300m/s的速度矢量图

图5-23 喷嘴气体速度为150m/s的速度矢量图

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图5-24 喷嘴气体速度为275m/s的速度矢量图

图5-25 喷嘴气体速度为500m/s的速度矢量图

通过不同喷口流体速度的矢量图我们不难发现，在不同流量下整个炉体的速度矢量分布基本一致，呈现出中间位速度高的喷射区向周围扩散的趋势和随着炉体深度加深，整个流场的速度越来越区域均匀的趋势。

但是其中也有细微的不同，那就是喷口速度较低的流场其流场中的漩涡较多，而随着喷口速度的不断上升，其流场中的局部涡流区域越来越趋于零，甚至消失。同时速度越大的流场其喷射流的刚性就越强，越容易带动整个流场中的流体循环，而与此同时煤粉在整个炉子中的混合程度也会随着局部紊流的降低而降低，且其停留时间也会不断降低，不太利于煤粉在炉子内反应的进行。

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2、煤粉在炉内轨迹的分析

图5-26 喷口气体速度为150m/s的颗粒轨迹图图5-27 喷口气体速度为200m/s的颗粒轨迹图图5-28喷口气体速度为275m/s的颗粒轨迹图

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图5-29 喷口气体速度为350m/s的颗粒轨迹图

图5-30 喷口气体速度为500m/s的颗粒轨迹图 表5-1不同流量下煤粉颗粒在炉内的停留时间

空气喷嘴的速度 颗粒停留的时间 150 4.31 200 3.35 275 2.64 350 6.78 500 2.73

通过比较不同喷口空气进口速度的煤粉颗粒轨迹图，我们不难发现随着喷口空气速度的不断增加，煤粉颗粒的轨迹经历了一个从较为简单的喷射过程到煤粉颗粒在炉子中更加活跃的充满整个炉体，再回归到一种简单喷射这样一个过程。而这一过程也正好验证了之前的结论，那就是随着喷口空气速度的不断增加，速其喷射流的刚性就越强，越容易带动整个流场中的流体循环，而与此同时煤粉在整个炉子中的混合程度也会随着局部紊流的降低而降低，且其停留时间也会不断降低，不太利于煤粉在炉子内反应的进行。在整个模拟的过程中这两种作用相反的因素就一直在我们的整个炉子的流场分布中拉扯，而我们不难发现，从流量速度150m/s到500m/s的过程中，在整个流场中存在的大型旋流作用在不断增强，但是在超过了275m/s左右时这个增强的趋势就不是那么明显了。而另一方面，我们可以观察，煤粉颗粒在炉子中的停留时间，也会随着流量的增加而不断减小。最终我们比较了在各个流量下的煤粉颗粒轨迹图，综合的比较告诉我们，当空气的流量为275m/s左右时，其颗粒在炉子内的运

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动状况更加理想，能够更加充分地在炉内运动，并充满整个炉体，更充分地在炉子内参与反应。

第四节 本章小结

本章首先进行了网格独立性的验证，发现82万的网格能够满足本文的计算要求。并且利用计算结果得出气化炉内部分成入口的强回流区、撞击流区、回流区和平流区等四个部分，在每个区域内气固两相流动都有很明显的变化。

在完成网格独立性验证的基础上，研究了不同喷嘴角度对气化炉内流场分布、颗粒分布的影响和在不同流量下气化炉内流场分布、颗粒分布的不同。通过以上两方面的分析最终我们得出了适合这种气化炉的最佳喷嘴角度和最佳的空气流量大小。其最佳的喷嘴角度为15度，而其最佳的喷嘴空气流量为275m/s。

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第六章 结论与展望

大规模高效气流床煤气化技术是洁净煤技术的龙头和关键，是煤气化技术发展的主流方向。近年来，随着气流床煤气化技术的发展，以Texaco气流床煤气化技术为代表的气化炉气化技术成为煤气化技术的发展趋势。本文以韩国实验室KIDEC型的Texaco气流床气化炉作为基本模拟对象，建立了描述气流床气化炉内多相流动的数学模型，对Texaco气流床气化炉内的气固两相流过程进行了数值模拟研究，分析了喷口角度和空气喷口的流量大小对气流床气化炉气固两相流流动状况的影响。

第一节 本文的主要研究成果

针对国外煤气化技术的发展趋势，结合我国在气流床气化领域的研究现状，以韩国实验室KIDEC型Texaco气流床气化炉为研究对象，对其进行了深入的数值模拟研究。对Texaco气流床气化炉进行了模拟计算，研究了喷嘴角度变化对气化炉内流场分布的影响。研究发现如下：

1)气化炉的气相和固相流动区域可以分为强回流区、撞击流区、回流区和平流区，在每个区域内气固两相流动都有很明显的变化。

2)在流量大小一定的情况下，喷嘴角度从0°到30°的过程中，流场的最大流体速度先变大后减小，而其颗粒在炉体中的停留时间也是先增大后减小，其颗粒在炉体中的充满程度大体上也是先变好后转差。综合的来看最佳的喷嘴角度应该是定在15°。

3）在喷嘴角度一定的情况下，喷嘴气体流量的变化从150m/s到500m/s的过程中，随着喷口空气速度的不断增加，速其喷射流的刚性就越强，越容易带动整个流场中的流体循环，而与此同时煤粉在整个炉子中的混合程度也会随着局部紊流的降低而降低，且其停留时间也会不断降低，不太利于煤粉在炉子内反应的进行。而通过比较我们不难发现，当空气的流量为275m/s左右时，其颗粒在炉子内的运动状况更加理想，更容易被炉子的壁面所吸收。

第二节 不足之处和研究展望

Texaco气化炉内的反应可以说是非常复杂的，特别是其在高温情况下的化学反应更是很难模拟出来。因此本文对Texaco炉的模拟进行了一个非常大的简化过程，那就是忽略了其中的化学反应过程，而只研究其在冷态条件下的流场分布情况和颗粒轨迹的分布情况。

本文对气流床气化炉气化过程进行了研究，完成了对Texaco气化炉冷态的数值模拟。但由于时间、软硬件和本人能力等方面的因素，没有能够从化学反应方面入手，建立准确性较高的化学反应模型，有待于在化学反应方面进行深入的研究。

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