1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)Sanming UniversityDiploma Work (Project)Title: The simulation and analysis of combustion and gasification for a Moving-bed gasifier Grade & Major: Grade 2006, Machine Design & Manufacturing and Their Automation Number: Name: Instructor: 2010-03-06精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)畢業(yè)論

2、文畢業(yè)論文( (設(shè)計設(shè)計) )承諾書承諾書我仔細(xì)閱讀了畢業(yè)論文（設(shè)計）的有關(guān)文件規(guī)定。我知道，抄襲別人的成果是剽竊行為，是可恥的，也是違反畢業(yè)論文（設(shè)計）規(guī)定的。如果引用別人的成果或其他公開的資料（包括網(wǎng)上查到的資料） ，必須按照規(guī)定的參考文獻(xiàn)的表述方式在正文引用處和參考文獻(xiàn)中明確列出。我鄭重承諾，嚴(yán)格遵守學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）規(guī)定，以自己的真實水平認(rèn)真做好畢業(yè)論文（設(shè)計） 。如有違反規(guī)定的行為，我將接受嚴(yán)肅處理。我的畢業(yè)論文（設(shè)計）題目為：學(xué)生簽名： 日期:導(dǎo)師簽名： 日期:論文版權(quán)使用授權(quán)書論文版權(quán)使用授權(quán)書本論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送

3、交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于 不保密。 （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“” ）作者簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目目 錄錄摘要 . 精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)移動床式氣化爐燃燒氣化的仿真與分析移動床式氣化爐燃燒氣化的仿真與分析 摘要摘要 ：本文從型煤富氧連續(xù)氣化這個角度入手，調(diào)研氣化爐的結(jié)構(gòu)與運行規(guī)律，借助計算流體動力學(xué)商業(yè)軟件 Fluent，對氣化爐爐內(nèi)的氣化與化學(xué)反

4、應(yīng)過程進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果與實際狀況相符合，可用于優(yōu)化氣化爐的運行參數(shù)，并為今后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 ：移動床 氣化爐 仿真 分析 計算流體動力學(xué)The simulation and analysis of combustion and gasification for a Moving-bed gasifier Abstract: In this paper, we start from the perspective of Oxygen Rich Continuous Gasification, survey gasifier structure and o

5、peration rules, using commercial software Fluent to caculate fluid dynamics,and to simulate the gasfication and chemical reaction process in the gasifier. The simulation results correspond with the actual situation, so it can be used to optimize the gasifier operating parameters, as well as to make

6、the foundation for future design optimization and improvement of its internal structural.Key words: moving-bed gasifier simulation analysis computational fluid dynamics精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1.緒論緒論在世界經(jīng)濟(jì)的高端發(fā)展階段，面對各種危機(jī)的挑戰(zhàn)，而能源危機(jī)越來越凸顯了，如今能源問題很受人們熱議，上至政治高層，下至黎民百姓。對此，如何合理并有效利用這有限能源是最為關(guān)鍵的，所以在這方面的技術(shù)開發(fā)也是最為前沿，備

7、受關(guān)注。本文利用 FLUENT 軟件分析煤氣化爐氣化方面問題，研究煤的合理有效利用。1.1 煤炭資源煤炭資源1.1.1 煤炭資源及其利用煤炭資源及其利用煤炭資源是我國進(jìn)行社會主義建設(shè)的能源基石之一。我國煤炭儲量豐富，分布極廣，品種齊全。目前煤的利用主要以直接燃燒發(fā)電為主，有效利用率低，能耗高和環(huán)境污染嚴(yán)重而制約著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了合理利用這一寶貴資源，充分發(fā)揮其效益，避免使用時造成污染，首先，必須對煤的組成及性質(zhì)有足夠的了解。特別是在進(jìn)行煤的加工，例如氣化、燃燒時，無論是根據(jù)煤種來選擇工藝方法，還是有了成熟工藝方法來選擇煤種，對煤的組成、性質(zhì)及煤的種種特性的深入了解就更為重要。而福建省擁

8、有十幾億噸的煤炭貯量，但 98%為低活性、高變質(zhì)程度的劣質(zhì)無煙煤，其揮發(fā)分低、著火點高、灰熔點低、粉碎性強(qiáng)及燃燒性差。因此，如何合理有效利用這些劣質(zhì)煤對發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)及至中國煤炭能源的潔凈轉(zhuǎn)化具有特殊意義。近些年世界各國都在致力于研究開發(fā)新型高效的煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，歐美現(xiàn)已開發(fā)的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及其煤氣化裝置，技術(shù)上雖已完善，但將煤視為“單一”物質(zhì)的完全氣化，工藝條件過于苛刻。隨著煤氣化理論和工業(yè)實踐的不斷發(fā)展，目前眾多研究者認(rèn)為若依據(jù)煤轉(zhuǎn)化階段反應(yīng)性不同的特點，實施煤的熱解、氣化和燃燒分級轉(zhuǎn)化，提高總體碳的利用率，則可使煤炭氣化技術(shù)簡單化而成本降低，且經(jīng)濟(jì)地解決燃煤中污染物的控制，從而

9、產(chǎn)生了煤炭部分氣化，燃燒集成方式聯(lián)合生產(chǎn)煤氣和熱能的新概念。目前有關(guān)煤部分氣化、燃燒集成優(yōu)化的評價模型還未見報道1-3。當(dāng)前，國外的煤氣化技術(shù)大部分集中應(yīng)用于煤粉潔凈燃燒的電廠、化工等較大負(fù)荷環(huán)境中，且煤炭資源在發(fā)達(dá)國家的主要能源結(jié)構(gòu)中并不占主導(dǎo)地位。但是對于我國而言，由于解放后長期受西方技術(shù)封鎖，以及我國資源分布的特點，以煤為原料的中小氮肥企業(yè)屬于勞動密集型和符合我國能源分布特點的行業(yè)，占全國氮肥總產(chǎn)量的 65%左右，并且造就了大批以煤為原料的間歇式氣化生產(chǎn)氮肥企業(yè)，占世界同類型企業(yè)總數(shù)的 90%。由于存在著環(huán)境污染較大和當(dāng)前原材料價格上漲等因素，因此在面對當(dāng)前節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本的發(fā)展趨

10、勢下，采用符合我國國情的型煤連續(xù)富氧氣化技術(shù)，是企業(yè)擺脫困境的解決辦法。面臨目前煤的利用率低的問題，在提高利用率方面要首先從利用方式分析入手，從對煤的利用方式中有，如氣化、燃燒等，實踐證明氣化方式對煤的利用比較全面，利用率高，在現(xiàn)代高科技的精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)支持下更加環(huán)保、方便等。本文著手于煤氣化的研究，借助相應(yīng)的軟件進(jìn)行仿真與分析，以求能在實際中更加充分利用煤資源。煤的氣化是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一,備受各國學(xué)術(shù)界和工程界的重視。1.1.2 煤氣化方法煤氣化方法: 由煤制取氣體燃料，用于居民住宅、商業(yè)及工業(yè)，已有一百多年的歷史了。然而，在第二次世界大戰(zhàn)的年代里

11、，由于發(fā)現(xiàn)和取得了大量的天然氣，人們對煤的氣化的興趣也就隨之衰退。但是，近代由于能源緊張，又引起人們對它的注意，并致力于開拓新的煤氣化方法。由煤制氣，按煤氣的熱值分類有：高熱值煤氣。這種煤氣與天然氣或管道煤氣一樣，其熱值為（標(biāo)） 。它366/ J103 .37102 .36m的主要成分是甲烷和少量的一氧化碳、二氧化碳及氮氣。高熱值煤氣一般可與天然氣互換，可集中進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，然后，并入天然氣管網(wǎng)。因此，稱為代替天然氣（SNG） 。特別適合于建立大型坑口煤氣廠，煤氣又需遠(yuǎn)距離輸送，并有現(xiàn)存的天然氣管網(wǎng)的國家和地區(qū)的需要。中熱值煤氣，這種煤氣的熱值為(標(biāo))。靠近此熱值下限的煤氣，其主366/J10

12、4 .22101 .10m要成分是一氧化碳和氫氣，少量的二氧化碳。靠近此熱值上限的煤氣，除了含有一氧化碳和氫氣之外，尚需有一定數(shù)量的甲烷和其他烴類。由于中熱值煤氣燃燒迅速，火焰溫度比天然氣高，因而在機(jī)械制造工業(yè)上用途十分廣泛。但是，它不能并入天然氣管網(wǎng)，因為它的一氧化碳含量很高，不能與天然氣互換。當(dāng)然，這種缺陷可以采取一定得措施加以克服。然而它的主要用途，在于綜合性的工業(yè)區(qū)和大規(guī)模的機(jī)械制造工廠和建立區(qū)域性的煤氣廠，為大、中城市提供城市煤氣。低熱值煤氣。通常的熱值為（標(biāo)） 。它的可燃組分是一氧化碳和氫，366J/m106 . 5104 . 3然而這種一氧化碳和氫是被二氧化碳和氮氣稀釋了。燃用這

13、種煤氣，除非所用空氣經(jīng)過高度預(yù)熱，否則它的燃燒火焰溫度是很低的，所以它的用途受到很大的限制2。從煤氣化方法中分析來看，本文著手分析的適合挑選低熱值煤氣法。1.2 氣化爐結(jié)構(gòu)氣化爐結(jié)構(gòu)1.2.1 移動床氣化爐移動床氣化爐煤從移動床氣化爐爐頂加入，并向下移動，從爐底進(jìn)入的氣化劑（和）逆流相遇。加入2OOH2的煤通常為常溫。水蒸氣和空氣可以預(yù)熱，煤下移的速度通常為 0.3053.05m/h，這由爐底排灰的速度來控制。為了使煤在爐內(nèi)的總停留時間為 110h，需保持料床高約為 3.05m。一般來說，停留時間的長短是隨著操作壓力的增加而減短，而操作壓力一般是常壓到 3.45Pa 的范圍內(nèi)。由于煤沿氣化爐下

14、移，而受爐底燃燒層上來的氣體加熱。這樣就使得煤原料沿整個床層高度有一個溫度分布。如圖 1-1 所示。具體的溫度值取決于各種因素，如氣化爐的壓力和煤的反應(yīng)性等。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)然而，最重要的是進(jìn)入爐內(nèi)的水蒸氣與空氣（或氧氣）之比。因為，水蒸氣是用來限制爐內(nèi)所能達(dá)到的最高溫度的。因而，這個比值又決定了是采用干法排灰還是采用熔融狀的濕法排渣。如果采用干法排灰，就得加入足夠多的水蒸氣，以達(dá)到灰渣熔融的溫度。相反，如果要求濕法排渣（液態(tài)排渣） ，水蒸氣的數(shù)量就得大大減少。 圖 1-1 氣化爐內(nèi)溫度分布圖 1-1 是從長期的實驗與實際生產(chǎn)實踐中得出的氣化爐內(nèi)溫度分布狀況，對于 F

15、LUENT 軟件的仿真模擬很有價值，是對照參考，判斷仿真模擬出來的結(jié)果是否與實際情況相符合。氣化爐內(nèi)溫度線的走向是逐漸遞增到逐漸遞減。當(dāng)煤料沿氣化爐下移時，由于溫度的變化引起了各斷面上的煤原料發(fā)生相應(yīng)的變化，從而顯示出層次。如圖 1-2 所示。氣化爐簡單分有：灰層、燃燒層、氣化層、干餾層、干燥層等，每層分布的反應(yīng)物質(zhì)是不同的，產(chǎn)生的反應(yīng)也是不一樣的，溫度也是不一致的，這就與圖 1-1 所體現(xiàn)的達(dá)成一致。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 圖 1-2 氣化爐內(nèi)分層不過，在實際過程中，分界面并不像圖示那樣整齊化一，而是犬牙交錯，參差不齊的。爐頂干燥層影響著煤的水分蒸發(fā)。溫度在C 以上時，煤

16、中可揮發(fā)的氣體、油和焦油開始析出。所以360稱脫揮發(fā)分層或干餾層，再往下的區(qū)域就是脫揮發(fā)分后的半焦與燃燒層上升的氣體和水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)層。在燃燒層中，氣化后的殘余半焦燃燒，并與供入的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)。最后，是灰渣冷卻，即進(jìn)入的空氣和水蒸氣與赤熱的灰渣相遇，進(jìn)行熱交換，使灰渣冷卻。由于煤氣與煤原料逆流接觸，煤氣冷卻，氣化爐的出口溫度為CC。顯然，在這個602540溫度下出來的粗煤氣會含有一定數(shù)量的油、焦油和煤灰等，如不脫除，在后工段設(shè)備中冷凝，就會引起麻煩。為了便于煤氣凈化，有些移動氣化爐，采用兩段操作。即：一部分煤氣直接從氣化層抽出（圖 1-2）這樣就提供了一股無焦油和油的煤氣。其余部分煤氣帶

17、著熱量進(jìn)入上部料層，進(jìn)行脫揮發(fā)和干燥。這樣即使凈化爐頂煤氣，由于體積減少，也變得容易一些。因此，可供選擇的移動床氣化爐有：干法排灰或液態(tài)排渣、單段或兩段、常壓或加壓，用氧或用空氣、采用原煤或型煤等之分。針對不同的加煤方法和不同的排灰方法、不同的氣化劑、不同的操作條件和不同的原料等，在設(shè)計和選擇氣化爐時就有不同的考慮2。以上資料顯示，氣化爐內(nèi)反應(yīng)是分成的，各個階段都是不一樣的反應(yīng)，所達(dá)到的條件都是不一樣的，而且結(jié)果也是不盡相同，相當(dāng)復(fù)雜，如溫度場分布，就非常復(fù)雜，需要材料成分的調(diào)試。所以在以往的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，進(jìn)一步更合理的仿真分析。在從試驗到實際運用的過程中，為進(jìn)一步掌握氣化爐內(nèi)具體情況，如溫度場

18、分布、主要成分的精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，從本文研究的最終目的，選擇 FLUENT 軟件作為分析工具2。1.3 FLUENT 軟件軟件20 世紀(jì) 70 年代以來,CFD 技術(shù)因大型計算機(jī)的出現(xiàn)得以迅速發(fā)展。CFD 技術(shù)相對于實驗研究有其獨特優(yōu)勢，如:研究成本低，周期短，無實驗儀器干擾，能夠得到完整的數(shù)據(jù)，能將計算情況在計算機(jī)屏幕上形象地再現(xiàn)等。其工程應(yīng)用對設(shè)備的設(shè)計與改造起到了重要作用。各種 CFD 通用軟件的數(shù)學(xué)模型的組成都是以 Navier-Stok。方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、熱燒與化學(xué)反應(yīng)流模型及非牛頓流體模型等。著名的 CFD 通用軟件有

19、 PHDENICS, Fluent,STAR-CD, CFX 與 NUMECA 等。在這些眾多的 CFD 軟件中，F(xiàn)LUENT 軟件獨占 40%以上的市場份額，具有絕對的市場優(yōu)勢。FLUENT 是常用的 CFD 軟件，其廣泛應(yīng)用于流動、換熱過程的研究。它包含豐富而先進(jìn)的物理模型，具有建模迅速方便、求解精度高的特點7。1.3.1 FLUENT 軟件概述軟件概述FLUENT 是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè) CFD（Computational Fluid Dynamics 計算流體動力學(xué)）軟件包之一。 FLUENT 是一個用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域的流體流動與傳熱現(xiàn)象的專用軟件。FLUENT提供了靈活

20、的網(wǎng)格特性，可以支持多種網(wǎng)格。用戶可以自由選擇使用結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)來劃分復(fù)雜的幾何區(qū)域，例如針對二維問題支持三角形網(wǎng)格或四邊形網(wǎng)格；針對三維問題支持四面體、六面體、棱錐、楔形、多面體網(wǎng)格；同時也支持混合網(wǎng)格。用戶也可以利用 FLUENT 提供的網(wǎng)格自適應(yīng)特性在求解過程中根據(jù)所獲得的計算結(jié)果來優(yōu)化網(wǎng)格。FLUENT 軟件是目前市場占有率最大的 CFD 軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。只要是涉及流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等工程問題，都可以用 FLUENT 來進(jìn)行分析。FLUENT 采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。FLUENT 提

21、供豐富的物理模型、數(shù)值方法供用戶選擇，而且具有強(qiáng)大的前后處理功能，靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使 FLUENT 在航空航天、汽車設(shè)計、船舶、能源動力、化工、環(huán)境、電子、噪聲、材料加工、生物醫(yī)藥、燃料電池等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用4-6。1.3.2 程序的結(jié)構(gòu)程序的結(jié)構(gòu)1.3.2.1 FLUENT 程序軟件包由以下幾個部分組成：程序軟件包由以下幾個部分組成：（1）GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。（2）FLUENT用于進(jìn)行流動模擬計算的求解器。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)（3）PrePDF用于模擬 PDF 燃燒過程。（4）TGrid用于從現(xiàn)有

22、的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。（5）Filters(Translators)轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格，用于 FLUENT 計算。1.3.2.2 FLUENT 程序可以求解的問題程序可以求解的問題FLUENT 軟件可以采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格。FLUENT 軟件可以計算二維和三維流動問題，在計算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)調(diào)整。FLUENT 軟件的應(yīng)用范圍非常廣泛，主要范圍如下：（1）可壓縮與不可壓縮流動問題。（2）穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題。（3）無黏流，層流及湍流問題。（4）牛頓流體及非牛頓流體。（5）對流換熱問題（包括自然對流和混合對流） 。（6）導(dǎo)熱與對流換熱偶合問題。（7）輻射換熱。（8

23、）慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬。（9）用 Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等） 。（10）一維風(fēng)扇、熱交換器性能計算。（11）兩相流問題。（12）復(fù)雜表面形狀下的自由面流動問題。1.3.2.3 利用利用 FLUENT 軟件進(jìn)行求解的步驟如下：軟件進(jìn)行求解的步驟如下：（1）確定幾何形狀，生成計算網(wǎng)格（用 GAMBIT，也可以讀入其他指定程序生成的網(wǎng)格） 。（2）輸入并檢查網(wǎng)格。（3）選擇求解器（2D 或 3D 等） 。（4）選擇求解的方程：層流或湍流（或無粘流） ，化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。確定其他需要的模型，如：風(fēng)扇、熱交換器、多孔介質(zhì)等模型。（5）

24、確定流體的材料物性。（6）確定邊界類型及其邊界條件。（7）條件計算控制參數(shù)。（8）流場初始化。（9）求解計算。（10）保存結(jié)果，進(jìn)行后處理等8-10。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2. 移動床氣化爐的仿真與分析移動床氣化爐的仿真與分析2.1 數(shù)值模擬研究方法數(shù)值模擬研究方法數(shù)值模擬根據(jù)計算流體動力學(xué)，利用相關(guān)微分方程，進(jìn)行一定的假設(shè)，給出足夠的初始條件和邊界條件，應(yīng)用計算機(jī)和特定的軟件，對微分方程進(jìn)行時間和空間離散，并作一定數(shù)量的迭代計算來逼近一個近似解。2.1.1 假設(shè)條件假設(shè)條件(1)中間氣體狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的粘性流體；(2)忽略中間氣體熱層面的波動及煤渣煤微粒的影響；(3

25、)忽略溫度對氣體密度的影響，即為常數(shù)。2.1.2 基本控制方程：基本控制方程：（1）.連續(xù)性方程 （2-0iixu1）上式是定常流動的，式中：分別表示氣體的密度，速度和 i 方向坐標(biāo) 13。iixu，（2）.動量方程(N-S 方程) （2-iijeffijieffjjijigxuxxuxxPxuu2）式中：P 為靜壓力；為層流粘性系數(shù)和湍流粘性系數(shù)之和；為重力加速度13。effig（3）.湍動能(K)方程 （2-Gxkxxkuikteffiii3）精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)式中：為湍流動能；為湍流動能耗散率13。k（4）.湍動能耗散率()方程 （2-kcGkcxxxuiteff

26、iii2214）其中 （2-ijjiijtxuxuxuG5） （2-2kcteff6） 式中：和分別為湍流黏度系數(shù)和有效黏度系數(shù)14。teff表 1 模型中常數(shù)值kTable 1 The constant of the modelk參數(shù) 取值 1.431c 1.922c 0.09uc 1.0k 1.0（5）.能量方程 zTKzyTKyxTKxzTwyTvxTuCeffeffeffp （2-7）11式中：為比定壓熱容；為氣體溫度；為有效傳熱系數(shù)；為張量表示的方向；PCTeffKzyx,為動力學(xué)黏度；為氣體的密度14。u精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2.2 利用利用 GAMBIT 建立

27、網(wǎng)格建立網(wǎng)格要對氣化爐內(nèi)反應(yīng)進(jìn)行仿真模擬，在了解氣化爐的基本結(jié)構(gòu)及氣化爐內(nèi)的基本反應(yīng)原理，加上對用來仿真模擬的軟件了解，還有明確各種需要的方程，就開始網(wǎng)格劃分、具體的模擬。如圖 2-1： 圖 2-1 氣化爐結(jié)構(gòu)簡圖取上圖一對稱部分，作為研究分析對象，其中包含有：入口（inlet） 、出口（outlet） 、對稱軸（symmetry） 、爐壁（wall） 。氣化爐內(nèi)反應(yīng)的元素有：煤（C） 、氧氣（） 、水蒸氣（） 、二氧2OOH2化碳（）等，從入口進(jìn)入爐內(nèi)的有：煤、氧氣、水蒸氣、二氧化碳。2CO2.2.1 參數(shù)的確定參數(shù)的確定（1）入口，煤是常溫狀態(tài)進(jìn)入，而氣體混合物的初始溫度為 500K，速率

28、為 0.1m/s；（2）中央氣化區(qū)，溫度至少達(dá)到 1500K； （3）出口，速率同比入口，溫度達(dá) 800K 以上。進(jìn)入爐中央就發(fā)生了相應(yīng)的反應(yīng)，主要是煤與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳，煤與水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，反應(yīng)方程式如下：精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) (2-8)22222222222221HCOOHCHCOOHCCOCOCCOOCCOOC反應(yīng)區(qū)條件要求比較苛刻，因溫度至少要在 1500K，需用氣化爐內(nèi)的攪拌器將反應(yīng)物攪拌均衡，利于反應(yīng)進(jìn)行，并得到理想的結(jié)果。反應(yīng)生成有：一氧化碳（） 、氫氣（） 、少量二氧化碳（CO2H） ，生成物經(jīng)過氣化區(qū)、干餾區(qū)、干燥區(qū)從出口輸出，速率與入

29、口同步，而溫度達(dá)到 800K 以上。2CO 圖 2-2 圖 2-3設(shè)計好氣化爐結(jié)構(gòu)，確定好所選的氣化爐一對稱部分的坐標(biāo)基準(zhǔn)，生成坐標(biāo)。開始在 GAMBIT軟件工具上建立計算區(qū)域和指定邊界條件類型，首先新建文件，如圖 2-2，選擇 FLUENT5/6 類型，如圖 2-3，接著進(jìn)行設(shè)定坐標(biāo)，如圖 2-4，建立線段和面，如圖 2-5，再對線段和面劃分網(wǎng)格，最后指定邊界條件類型，在 GAMBIT 軟件窗口上會形成形如圖 2-8 的網(wǎng)格圖，完成后保存后綴.msh 格式的文件。 精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 圖 2-4 圖 2-5 圖 2-62.3 利用利用 FLUENT 求解器求解求解器求

30、解2.3.1 顯示網(wǎng)格顯示網(wǎng)格打開 FLUENT 軟件，讀入.msh 格式的文件，首先檢查網(wǎng)格，如圖 2-7，設(shè)定網(wǎng)格尺寸，將網(wǎng)格改為設(shè)定的尺寸單位，然后顯示網(wǎng)格，如圖 2-8。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 圖 2-7 檢查網(wǎng)格圖 2-7 所示是一步相當(dāng)重要的步驟。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-8 氣化爐其中一部分的網(wǎng)格 圖 2-3 是在 FLUENT 的菜單中點擊 FileReadCase，在相應(yīng)目錄下找到.msh 文件，在點擊GridCheck，檢查網(wǎng)格，點擊 GridScale，完成后重新點擊 GridCheck，最后點擊 DisplayGrid顯示的。

31、圖中邊界設(shè)定明顯，網(wǎng)格合理。2.3.2 仿真分析仿真分析首先按圖 2-1 氣化爐內(nèi)分層做個簡單概述：型煤從煤鎖處按規(guī)定速率落入氣化爐內(nèi)，而混合氣化劑從入口進(jìn)入氣化爐，兩者接觸反應(yīng)。入爐氣化劑經(jīng)爐箅均勻分布，自下而上通過灰床預(yù)熱后，依次經(jīng)過燃燒層、氣化層、 、干餾層、干燥層，最后到爐出口轉(zhuǎn)變成煤氣和部分未分解的水蒸氣，爐內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)錯綜復(fù)雜。（1）燃燒層 C+=+kJ/kmol (2-9)2O2CO C+ = 2-kJ/kmol (2-10)2OCO 反應(yīng)(2-9)在高溫下進(jìn)行速度極快，因此氣化劑在該層的停留時間就比其它各層短得多，如果煤的活性高、灰份低、粒度小而勻，反應(yīng)速度就更快，停留時間

32、更短。反應(yīng)(2-10)熱力學(xué)研究認(rèn)為，提高溫度、降低壓力，有利于生成 CO。動力學(xué)研究表明，溫度越高反應(yīng)速度越快。燃料煤的活性對反應(yīng) (2-10)的影響較大，活性越高反應(yīng)速度就越快。因此把煤的活性定義為使還原為 CO 的2CO精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)還原能力。（2）氣化層 -kJ/kmol (2-11)22HCOOHC -74944kJ/kmol (2-12)22222HCOOHC +42915kJ/kmol (2-13)222HCOOHCO對反應(yīng)(2-12)、(2-13)的熱力學(xué)研究表明，溫度較高時，正向反應(yīng)進(jìn)行的比較完全，當(dāng)溫度達(dá)到1000以上時可視為不可逆反應(yīng)。動力學(xué)研

33、究認(rèn)為，反應(yīng)(2-11)的反應(yīng)速度常數(shù)隨溫度上升要比反應(yīng)(2-12)快的多，所以提高溫度可以相對降低而提高 CO 含量。對于反應(yīng)(2-13)來說，因氣體在2CO爐內(nèi)停留時間較短，達(dá)到平衡狀態(tài)是不可能的，因此它受反應(yīng)速度控制，提高溫度有利于水蒸汽的進(jìn)一步分解生成和12。2CO2H在 GAMBIT 網(wǎng)格生成后，進(jìn)入模型設(shè)定，材料屬性設(shè)定，邊界條件的設(shè)定，設(shè)定初始條件和其他求解控制參數(shù)設(shè)置等操作。（1）模型設(shè)定）模型設(shè)定 順次點擊 DefineModelsSolver，打開如圖 2-9，設(shè)定求解器，將空間設(shè)置為二維軸對稱，即 Space：Axisymmetric（軸對稱空間） 。順次點擊 Defin

34、eModelsEnergy，打開如圖 2-10，然后選擇求解能量方程。順次點擊 DefineModelsViscous，打開設(shè)置粘性模型的對話框，選擇 k-eqsilon 湍流模型，面板將自動擴(kuò)展成如圖 2-11.順次點擊 DefineModelsSpeciesTransport&Reaction，打開對話框，進(jìn)行組分輸運與化學(xué)反應(yīng)的模型設(shè)置。（2） 材料屬性設(shè)定材料屬性設(shè)定點擊 DefineMaterials，打開控制面板對話框，在材料面板中可以修改材料的性質(zhì)。本文研究是混合物，有：煤炭、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等混合反應(yīng)，生成一氧化碳、氫氣等，從中設(shè)定它們的性質(zhì)。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為

35、你奉上專心-專注-專業(yè) 圖 2-9 設(shè)定求解器 圖 2-10 求解能量方程精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 圖 2-11 設(shè)定湍流模型（3）邊界條件的設(shè)定）邊界條件的設(shè)定 點擊 DefineBoundary Conditions，打開邊界條件設(shè)置面板。對各邊界進(jìn)行仿真設(shè)定，如入口、出口、對稱軸等。對于具體設(shè)定按材料要求進(jìn)行設(shè)定。（4）設(shè)定初始條件和其他求解控制參數(shù)設(shè)置）設(shè)定初始條件和其他求解控制參數(shù)設(shè)置順次點擊 SolveInitializeInitialize，打開對話框進(jìn)行設(shè)置。順次點擊 SolveControlsSolution，打開對話框進(jìn)行設(shè)置。順次點擊 SolveMoni

36、torsResidual，打開對話框，對收斂判據(jù)即殘差值進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成之后，點擊 FileWriteCase，保存所做的所有設(shè)置。點擊 SolveIterate，打開迭代控制對話框，進(jìn)行設(shè)置，開始迭代計算。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2.3.3 顯示結(jié)果顯示結(jié)果精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-7 溫度場分布圖圖 2-7 所示，是碳在氣化爐內(nèi)燃燒氣化的溫度場分布圖，可以看出，溫度是從入口（inlet）處逐漸升最高至氣化爐中央的氣化區(qū)，再從氣化區(qū)最高逐漸降下來。這是由于在氣化爐內(nèi)有放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)，碳與氧氣的反應(yīng)： COOC222與 22COOC均為放熱反應(yīng)，

37、而且是釋放出大量的熱量，尤其是碳的完全氣化（燃燒） ，在入口處到氣化爐中央氣化區(qū)之間主要是這兩個反應(yīng)，故而溫度逐漸的升高，至于后階段是吸熱反應(yīng)：COCOC2222HCOOHC與 2222HCOOHC占主要反應(yīng)，加上氧氣的逐漸稀薄，放熱反應(yīng)停止，因此溫度就降下了，出現(xiàn)圖中情形很正常，精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)這說明 FLUENT 軟件仿真模擬的結(jié)果與實際情況相符合。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-8 分布圖2CO圖 2-8 所示，是二氧化碳（）在氣化爐內(nèi)的分布圖，可以看到，從入口（inlet）處到出口2CO（outlet）處，其濃度是從近乎零逐漸增至最大，在逐漸

38、的降低。由于氣化爐內(nèi)產(chǎn)生二氧化碳的主要反應(yīng)有：22COOC與 22222HCOOHC這兩個反應(yīng)是放熱與吸熱反應(yīng)，碳與氧氣反應(yīng)從不完全反應(yīng)到完全反應(yīng)，導(dǎo)致二氧化碳濃度在氣化爐內(nèi)的變化，到氣化爐中央的氣化區(qū)，碳與氧氣反應(yīng)放出大量熱量，也慢慢地促使碳與水蒸氣反應(yīng)直至完全反應(yīng)，所以在氣化區(qū)二氧化碳的濃度達(dá)到最大，接下去由于氧氣濃度的驟減，碳與氧氣反應(yīng)慢慢緩和下來，溫度也慢慢的降下來，吸熱的反應(yīng)也減弱了，這樣二氧化碳的濃度自然逐漸降低。證明 FLUENT 軟件仿真模擬的結(jié)果與實際情況相符合。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-9 CO 分布圖 圖

39、2-9 所示，是一氧化碳（）在氣化爐內(nèi)的分布圖，可以看到，從入口（inlet）處直至氣化CO爐中央的氣化區(qū)間，一氧化碳的量近乎零，而經(jīng)過氣化爐中央的氣化區(qū)后，一氧化碳的量劇增，慢慢的，充滿了整個出口（outlet）處。出現(xiàn)這樣的情況是因為在這爐內(nèi)的反應(yīng)生成一氧化碳的主要是:COCOC22與 22HCOOHC這三個反應(yīng)，而這三個反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，需要高溫狀態(tài)下，所以在氣化區(qū)反應(yīng)最為強(qiáng)烈，產(chǎn)生一氧化碳的量也為最多，再往氣化爐頂處，溫度逐漸降下來，沒辦法達(dá)到使一氧化碳繼續(xù)反應(yīng)下去的條件，因此，過氣化區(qū)，一氧化碳的濃度越來越大，到干餾區(qū)、干燥區(qū)，其量的變化不大。綜合各方因素，F(xiàn)LUENT 軟件仿真模擬

40、的結(jié)果與實際情況相符合。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-10 分布圖2H 圖 2-10 所示，是氫氣（）在氣化爐內(nèi)的分布圖，可以看到在入口（inlet）處氫氣的量是最2H少的，隨著往上進(jìn)入爐中央的氣化區(qū)，其濃度越來越大，量越來越多，直至干燥區(qū)氫氣量最多（但干燥區(qū)越接近出口，氫氣越變越少了，與理論、實際上有差別） ，這是因為氫氣主要是由22HCOOHC這反應(yīng)生成的，而這反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)過程，又氣化爐內(nèi)的溫度是從入口一直升高的，到中央氣化區(qū)最高，在逐漸降低到出口（outlet） ，所以很明顯就知道在中央氣化區(qū)反應(yīng)最激烈，產(chǎn)生的氫氣量也最

41、多，在往上的話反應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱。在這里還要考慮到氫氣被氧化等，主要考慮氫氣與氧氣和碳的反應(yīng)，由于氫氣和氧氣的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而且氣化爐越往上，氧氣越稀薄，所以反應(yīng)很難，再考慮碳和氫氣的反應(yīng)，此反應(yīng)需要特定的溫度和催化劑，故也很難反應(yīng)。綜合更方面因素的分析，得出 FLUENT 軟件仿真模擬的情況與實際符合。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3. 結(jié)論與展望結(jié)論與展望FLUENT 在流體數(shù)值模擬方面具有不可比擬的優(yōu)點，它不但使模擬精度提高、計算的前后處理規(guī)范，而且節(jié)省了大量程序編制工作，在氣化爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等研究中將得到廣泛應(yīng)用。 從顯示結(jié)果了解到，溫度場分布圖，二氧化碳分布圖，一氧化碳

42、分布圖，都與實際情況相符，而氫氣分布圖相對有點偏差，究其原因，是其控制參數(shù)的設(shè)定不夠精準(zhǔn)，加上氣化爐內(nèi)反應(yīng)的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性，所以得出的結(jié)果與假設(shè)有點出入。這提示在今后仿真模擬過程要盡量多考慮實際情況中的狀況參數(shù)。從整體上看，F(xiàn)LUENT 軟件仿真模擬的最終結(jié)果來看，與實際狀況相符合，在用于優(yōu)化氣化爐的運行參數(shù)，并為今后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與改進(jìn)方面奠定了基礎(chǔ)。在氣化爐的改進(jìn)方面有望提高，目前，我國工業(yè)上的氣化工藝存在效率低、污染環(huán)境嚴(yán)重等問題，亟需對現(xiàn)有設(shè)備和工藝進(jìn)行技術(shù)改造和更新?lián)Q代。國外技術(shù)如殼牌技術(shù)、德士古造氣技術(shù)、魯奇氣化技術(shù)等工藝成熟可靠，但投資較大，引進(jìn)費用較高。國內(nèi)技術(shù)較成熟的有富氧連續(xù)氣化和恩德粉煤氣化技術(shù)。本文著手研究就是富氧連續(xù)氣化技術(shù)優(yōu)化，但這是一項有難度且迫在眉睫的攻關(guān)項目，希望能提升國產(chǎn)氣化爐的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力，填補此類技術(shù)國內(nèi)空缺，形成實用技術(shù)。 在富氧連續(xù)氣化技術(shù)的前景展望可了解到：(1)針對富氧氣化所生產(chǎn)的煤氣中含量偏高這一特點，如能在設(shè)計時綜合考慮，將過剩的2CO提純，可作為一種產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā),增加企業(yè)效益；也可將一部分提純后的配入富氧空氣作氣2CO2CO化劑送入爐內(nèi)還原 C