超臨界水中煤氣化關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著全球能源危機(jī)逐漸加重，石油和煤炭等一次能源的直接利用而導(dǎo)致的環(huán)境惡化問題日益凸顯。因此，采用高效的利用手段對(duì)煤炭資源進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化生產(chǎn)清潔能源已經(jīng)成為亟待解決的重大問題。近些年來，作為一種比較高效的煤炭資源的清潔利用途徑，在超臨界水環(huán)境下進(jìn)行低溫催化煤氣化制造清潔能源（氫氣和天然氣）引起了國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的關(guān)注和研究。超臨界水煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備涉及多相體系的流動(dòng)、換熱和反應(yīng)，存在顆粒沉積和設(shè)備磨蝕等問題。本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬

2、方法建立了超臨界水煤氣化關(guān)鍵設(shè)備模型，探究了設(shè)備中顆粒的沉積狀況，模擬了反應(yīng)器中溫度場(chǎng)以及換熱器中相變過程。
　　首先，建立了超臨界水和煤顆粒固體兩相體系在超臨界水煤氣化水平盤管中的三維瞬態(tài)CFD模型，利用IAPWS物性數(shù)據(jù)庫對(duì)超臨界水的物性進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)比不同水煤比和溫度下的實(shí)驗(yàn)和模擬得出的壓降值驗(yàn)證了該模型的可靠性，分析了盤管中的流動(dòng)狀況。研究表明，溫度是影響壓降的主要因素，壓降隨溫度和管壁粗糙度的增加而增大。彎管段的外側(cè)和

3、底部腐蝕較為嚴(yán)重。對(duì)豎直放置彎管中顆粒沉積的數(shù)值模擬表明，不同粒徑顆粒的輸送類型不同，并給出了顆粒積累量隨時(shí)間的變化。采用同樣方法對(duì)豎直放置的超臨界水煤氣化管殼式換熱器的管箱中的沉積狀況進(jìn)行了模擬，并根據(jù)沉積狀況對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明，立式換熱器管箱垂直進(jìn)料優(yōu)于側(cè)邊進(jìn)料和傾斜進(jìn)料，合適的管箱高度可以減少顆粒的沉積。
　　其次，建立了超臨界水煤氣化反應(yīng)器模型，對(duì)反應(yīng)器中乙醇氧化提供煤氣化反應(yīng)點(diǎn)火的高溫區(qū)和反應(yīng)器的預(yù)熱進(jìn)行了模擬

4、，給出了不同乙醇進(jìn)料條件下的高溫區(qū)的大小以及預(yù)熱爐內(nèi)溫度。同時(shí)給出了最佳的乙醇進(jìn)料量，為煤氣化點(diǎn)火高溫區(qū)的實(shí)現(xiàn)和保證反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)自供熱平衡提供了借鑒。
　　最后，建立了包括管程和殼程同時(shí)流動(dòng)和換熱的三維管殼式換熱器模型，模擬了在不同超臨界水流量條件下?lián)Q熱器殼程和管程的壓力分布、溫度場(chǎng)和傳熱系數(shù)，給出了超臨界水相變的位置。結(jié)果表明，隨著殼程流量增大，殼程壓降和傳熱系數(shù)隨之增大；增大擋板間距對(duì)強(qiáng)化傳熱效果不明顯；輻射傳熱的影響不可忽略。