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關于煤高效制合成氣裝置的數值模擬
1 引言
我國經濟在快速的發展中，面臨著能源資源和環境限制的瓶頸，鑒于我國富煤缺油少氣的特點，煤氣化就更成為煤炭能源清潔高效轉化的重要基礎[2]，現有煤氣化技術可分為氣流床、流化床和固定床三大類。但是上述煤炭氣化轉化方法是以單一轉換利用為主。在這些單一轉化過程中要取得較高的轉化效率,往往需要復雜的工藝和苛刻的運行條件,從而導致利用技術過于復雜,投資和運行費用過高，為了提高煤的煤炭轉化效率,合理利用煤炭資源,人們開始采用分級轉化技術，即燃燒和氣化分離進行，易于氣化的部分先氣化，難氣化的碳進入燃燒段燃燒，為煤的氣化反應所需的能量，但是現有采用燃燒段與氣化段分離的煤循環氣化技術，熱量利用低，燃燒產生的廢氣和合成氣混合在一起，后期分離處理工藝復雜，成本較高。
在前人的基礎上，以節能為目的，我們提出了煤高效制合成氣裝置。其主體由同心內外筒組成，內筒進行煤燃燒放熱，內外筒的環形區域內進行煤流化床氣化，燃燒放熱通過物料循環和筒壁傳熱傳遞給環形區域進行煤氣化。具有熱量利用率高，氣化部分產生的產品氣和燃燒產生的廢氣分離，后續工藝簡單等優點[3~5]。
2 裝置描述
煤料先由環型進煤口，經過慣性分離器進入上環室L 閥中，在慣性分離器中經過預熱溫度由40-80℃升高為570-600℃，在上環室L 閥的推動氣的推動下被推入流動床氣化外筒內進行氣化，氣化劑為過熱水蒸汽，過熱水蒸汽經過蒸汽入口進入流動床氣化外筒，在氣化外筒中，過熱水蒸汽由過蒸汽入口進入流動床氣化外筒，熾熱的煤料與過熱水蒸汽進行氣化反應，氣化反應產生的煤氣通過煤氣出口管輸出，再經煤氣旋風分離器進行氣固分離后經煤氣出口輸出；未氣化反應的煤焦由氣化外筒下部的下環室L 閥的推動氣的推動下，被推入流化床燃燒提升內筒，在流化床燃燒提升內筒中氣化外筒中未氣化反應的煤焦部分燃燒，部分煤焦隨燃燒氣流進入慣性分離器經慣性分離出的煤焦進入上環室L 閥中，在上環室L 閥的推動氣的推動下，被推入流動床氣化外筒進行循環氣化。在流化床燃燒提升內筒中燃燒煤焦產生的高溫廢氣在慣性分離器中與煤粉逆流換熱加熱煤粉，然后由廢氣出口排出至燃燒廢氣旋風分離器，流化床燃燒提升內筒中燃燒產生的灰渣從底部排灰管排出[1]。
3 幾何模型
考慮的計算機的計算能力，結合實際情況，對原有結構進行合理的簡化，以便于合成氣裝置更適合于Fluent 中的模擬。簡化后的幾何模型和結構尺寸見圖2。邊界設置及名稱見圖4，其中p-1 為燃燒內筒氣體的壓力出口，p-2 為氣化外筒的合成氣出口，wall-heat 為燃燒內筒和氣化外筒之間的傳熱界面。V-mid 為燃燒內筒的進風口，進風口進風溫度設置為1000K，以模擬內筒燃燒時產生的高溫，V-out 為氣化外筒的進風口，在內外筒底部初始化0.3m 高的固體顆粒物。由于計算時間的限制，對于整個計算區域進行統一的網格劃分，對邊按照30mm 的尺寸進行網格劃分，對計算區域采用四面體網格。
4 計算結果及分析
4.1 顆粒直徑對傳熱效果的影響
由于受計算機運算能力和計算時間的限制，本次模擬只是計算了煤高效制合成氣裝置運行由0 到15s 內的運行狀態。
顯示了煤高效制合成氣裝置在15 秒內，在不同顆粒直徑的條件下，氣化外筒的平均溫度，氣化外筒溫度隨時間的變化關系見擬合曲，由圖5 可以看到，到10 秒以后，溫度變化變緩，15s 以后基本達到穩定狀態；在其他參數相同的條件下，由于氣固兩相流隨著顆粒直徑的變小，兩相混合程度加劇，從而加強了兩相間的熱傳導，因此氣化外筒的平均溫度會隨著顆粒直徑的變小而升高。
4.2 徑高比對傳熱效果的影響
在初始狀態參數相同的情況下，表3 是在不同徑高比的條件下，氣化外筒內平均氣溫隨時間變化的關系，平均氣溫和時間的函數關系的擬合曲線見。
由上述數據可以得出：當徑高比變化時，氣化外筒的平均氣溫變化不大，從圖6 中可以看到，三種不同徑高比的條件下，溫度和時間的擬合曲線基本重合。徑高比由1/6 變化至1/10，15s 的氣化外筒平均溫度僅相差1K。由此可以得出：徑高比對氣化外筒的傳熱效果的影響很小。
5 靜止床層高度對傳熱效果的影響
在初始狀態參數相同的情況下，表4 是在不同的靜止床層高度的條件下，氣化外筒內平均氣溫隨時間的變化關系，平均氣溫和時間的函數關系的擬合曲線見圖7。由數據分析可得：
靜止床層高度對氣化外筒內的平均溫度的影響不大，從圖7 中可以看到，三種不同景致床層高度的條件下，氣化外筒的平均溫度隨時間變化的擬合曲線基本重合。
盡管靜止床層高度由0.3m 增大到0.5m，但是在15s 時的氣化外筒平均氣溫僅相差1K，由此可以得出：靜止床層高度對氣化外筒的傳熱效果的影響很小。
6 結論與討論
本文應用雙流體模型和fluent 軟件成功模擬了顆粒直徑（d）、徑高比（Ri/H）和靜止床層高度對煤高效制合成氣裝置的傳熱效果的影響，通過對數據的可視化處理，直觀的反映出了顆粒直徑（d）、徑高比（Ri/H）和靜止床層高度變化時對氣化裝置的傳熱效果以及顆粒分布的影響，由前面的分析可以看出，在三個因素當中，顆粒直徑對傳熱效果的影響最大，徑高比和靜止床層高度對煤高效制合成氣裝置的傳熱效果來說是次要因素，因此，在以后實驗臺的搭建過程中，主要要考慮顆粒直徑對煤高效制合成氣裝置傳熱效果的影響，避免試驗中不必要的人力和物力的浪費。
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