多段分级转化流化床流动特性的数值模拟

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1、国幽密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文二零一三年四月ByHaiyanWangAThesisSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofChemicalEngineeringInstituteofCoalChemistry,ChineseAcademyofSciencesTaiyuan，Shanxi，P．R．ChinaApril，20

2、13致谢本论文是在房倚天研究员和郝振华助理研究员的共同精心指导下完成的。两位导师渊博的知识，严谨的治学态度，敏捷的学术思维都使我受益匪浅。值此论文完成之际，谨向两位导师致以衷心的感谢!感谢杨建丽研究员、邓蜀平研究员、张荣副研究员、杜新博士、尉迟唯高工在开题、中期汇报中给予的指导和建议。衷心感谢王洋研究员、黄戒介研究员、赵建涛研究员、程中虎副研究员、张永奇副研究员、李庆峰副研究员、张林仙副研究员、王志青副研究员、张磊助理研究员和李春玉助理研究员在课题选题、研究方案、研究结果分析等方面给予的指导和帮助。感谢王伟、陈富艳、冀少华、聂伟、吕红、宋新朝、夏立森、张尚武、毛子

3、刚、胡振、郑伟、王鸿瑜、白秀刚、郭金霞、宋双双、董立波等气化工程中心工作人员的大力支持和帮助。硕士三年期间，在科研工作和日常生活中都得到了张邰、王志雨、高松平、方惠斌、刘哲语、阎琪轩、李俊国、张乾、王建飞、景旭亮、刘朋飞、余钟亮、朱全红、郭娇娇、杨鑫、丁亮、周福勋、宋素芳、黄国宝、张军伟、陈伟博等诸位师兄弟(姐妹)的无私帮助与鼓励，在此表示衷心的感谢。感谢研究生部梁萍、原辉、韩丽娜、孔鹏等老师几年来给予的无微不至的关怀；感谢仪器分析测试中心、图书馆、物资处等部门提供的诸多方便和热情帮助。感谢父母家人多年来的理解与支持，使作者可以安心学习和工作，得以顺利完成学业!王

4、海艳2013年4目摘要我国“富煤贫油少气”的能源结构决定了煤炭在能源供应中的地位仍举足轻重，洁净煤技术是实现全面、协调、可持续发展必经之路，其中煤炭气化技术是实现煤炭高效清洁利用的关键技术。为了适应高灰、高灰熔点煤种的气化需求，国内外多家研发机构正在开发新型的流化床煤气化技术。中科院山西煤炭化学研究所新开发的多段分级转化流化床气化炉(MFB)，是在已开发成功的灰熔聚流化床煤气化技术的基础上，将鼓泡射流流化床与快速流化床进行耦合，保留灰熔聚流化床选择性灰分离的特性，又克服了其半焦细粉在炉内转化率低的问题，具有碳转化率高、处理能力大、操作灵活的特点。因此，为加快此气化

5、技术的操作优化以及工程放大，阐明气化炉内部的气固流动及其随反应器结构的变化规律是很重要的。本文采用计算流体力学的方法对多段分级转化流化床内的气固流动进行了初步研究，通过数值模拟得到以下结论：1．多段分级转化流化床CFD模型的建立通过比较分析三种模拟方法的优劣及其适用范围，确定选择欧拉双流体模型对多段分级转化流化床进行计算，并采用颗粒动理学理论对模型进行封闭求解。选用三种曳力模型以及不同的弹性恢复系数，计算得到流化床内的浓度、压降等分布特性，并与实验结果比较，表明：Gidaspow曳力模型和弹性恢复系数为0．95时，模拟计算得到的结果更接近于实验值，更能真实地反映实

6、际情况。2．鼓泡床内的气固流动特性通过分析鼓泡床内的颗粒浓度、速度以及压力分布情况，表明：流化床内呈现明显的鼓泡流动状态，受气泡影响分布板附近截面上，边壁处的颗粒浓度波动较大，中心处较小，而床面附近截面则相反；固体颗粒中心区域向上、边壁区域向下的运动趋势形成了遍及整个床层的循环流动，促进了气固之问的充分接触；床层压降随操作条件(表观气速：／／g；固体循环速率：G。，下同)的T多段分级转化流化床流动特性的数值模拟变化表现出不同的变化规律，当“。较小时(“。=0．93m·SJ)，鼓泡床的压降随G。的增加变化较小；当“。适中时(tag=1．1．1．25m·S。1)，鼓泡

7、床的压降随G。的增加逐渐增大，然后趋于平缓；当／．／。较大时(ug=1．4m·S。1)，G。较小时(G。<87kg·m-2．s。1)，压降几乎为0。进一步增大G。，压降随G。增加而迅速增大。3．快速流化床内的气固流动特性流化床内轴向上，颗粒浓度在回料口之上呈指数型分布，在回料口附近达到一最大值，不同于传统的快速流化床内的浓度分布；径向上呈现出床中心颗粒浓度低且向上运动、边壁浓度高且向下运动的不均匀分布，边壁区域由于聚团的生成与破裂，浓度波动较大，且随操作条件的变化较剧烈。颗粒浓度径向分布模拟结果与实验结果在中心区域较接近，速度较实验结果偏小；床层压降在表观气速不变

8、的情况下，