洗滌冷卻室內(nèi)氣液固三相流動及熱質(zhì)傳遞規(guī)律研究.pdf

1、持續(xù)、安全和可靠的能源供應越來越受到全世界的廣泛關(guān)注，并已成為全球經(jīng)濟穩(wěn)定與發(fā)展的基礎。而能源消費所造成的能源短缺和環(huán)境問題使人類的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。在煤炭利用領(lǐng)域，潔凈煤技術(shù)的應用己成為合理、高效和潔凈的利用煤炭資源，促進資源、經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。在潔凈煤技術(shù)體系中，煤氣化技術(shù)占有十分重要的地位。目前我國在該領(lǐng)域的基礎研究尚落后于工業(yè)技術(shù)開發(fā)與應用，少有基礎研究成果可借鑒和應用。因此大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎研究

2、課題已于2004年被列為國家重點基礎研究發(fā)展計劃的研究內(nèi)容，具有重要意義。
　　 氣流床煤氣化技術(shù)是煤高效潔凈利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，煤氣化爐是整個煤氣化技術(shù)的核心所在，而洗滌冷卻室又是激冷式氣流床煤氣化爐內(nèi)的核心組成部分。合成氣在洗滌冷卻室內(nèi)完成洗滌和冷卻，以滿足后續(xù)工藝的要求。在洗滌冷卻室內(nèi)存在著多相流動、分離和熱質(zhì)傳遞等多個復雜過程，但相關(guān)的規(guī)律和機理的認識還不夠全面。要實現(xiàn)氣流床煤氣化技術(shù)中復雜多相產(chǎn)物分級凈化處理，就必須對

3、洗滌冷卻室內(nèi)存在的多相體系中的流動、分離和熱質(zhì)傳遞等基礎性問題展開全面、深入的研究，具有現(xiàn)實意義。本文采用理論分析、數(shù)值模擬為主要研究手段，結(jié)合相關(guān)實驗研究驗證，圍繞洗滌冷卻室內(nèi)氣體穿越液池過程所涉及的復雜多相體系中的流動、分離及熱質(zhì)傳遞等多個關(guān)鍵基礎問題展開研究，探討其內(nèi)在機理。本文研究內(nèi)容主要包含以下幾個方面：
　　 以洗滌冷卻室內(nèi)氣體穿越液池過程中的氣液兩相流為研究對象。基于氣液兩相流理論和數(shù)平衡理論，先在Euler-Eu

4、ler框架下建立分別描述氣液兩相湍流流動的歐拉模型，然后在此基礎上引入氣泡數(shù)平衡模型、氣泡聚并和破碎模型，創(chuàng)建耦合機制，實現(xiàn)氣泡尺寸變化對相間作用力模型的在線修正，最終建立改進的CFD-ABND耦合求解數(shù)學模型，從而能描述在湍流驅(qū)動下的氣泡自由碰撞以及湍流渦旋下的撞擊所產(chǎn)生的聚并、破碎效應，反映出氣泡聚并、破碎行為對氣液流動、氣泡特性及氣液界面面積的影響。采用所建立的數(shù)學模型對洗滌冷卻室液池內(nèi)的氣液兩相流動規(guī)律進行研究。定量揭示并分析了

5、洗滌冷卻室內(nèi)的氣液兩相速度、兩相濃度、氣液兩相湍動能、氣泡特性及氣液界面面積等參數(shù)的分布及變化規(guī)律。探討了不同運行工況對液池內(nèi)氣液流動特性的影響。研究表明：氣相在液池內(nèi)存在分布不均的現(xiàn)象，其主要在冷卻管外壁面附近聚集，并具有較大的上升速度；氣液湍動能主要發(fā)生在冷卻管出口及冷卻管外壁面附近;在洗滌冷卻室內(nèi)加入構(gòu)件能促進氣體在液池中的擴散，并可有效抑制液面的波動；隨著池內(nèi)表觀氣速的增加，液池內(nèi)局部氣含率、氣泡尺寸以及氣液界面面積呈增大的趨勢

6、，并趨于平緩。將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，兩者吻合較好，從而驗證了所建數(shù)學模型的適用性及其計算結(jié)果的合理性。
　　 為研究洗滌冷卻室內(nèi)含渣氣體在穿越液池過程中的氣液固三相流動及分布規(guī)律，在本文前面所開展的氣液兩相流動研究的基礎上，引入離散顆粒相，在Euler-Lagrange框架下，將計算氣液兩相流動的歐拉模型、追蹤自由界面的氣液界面計算模型和跟蹤離散顆粒運動碰撞的確定性顆粒軌道模型三者相結(jié)合，建立適于描述含渣氣體穿越液池

7、過程中氣液固三相流動的CFD-VOF-DSMC數(shù)學模型。與相關(guān)實驗研究結(jié)果進行對比，在驗證所建立數(shù)學模型及其計算結(jié)果適用性和合理性的基礎上，對洗滌冷卻室內(nèi)含渣氣體穿越液池過程中的氣液固三相流動過程作深入的數(shù)值模擬研究，得到了洗滌冷卻室內(nèi)氣液連續(xù)相和離散顆粒相的流動形態(tài)、流動特征及分布規(guī)律。直觀的揭示出了該洗滌過程中離散顆粒在洗滌冷卻室內(nèi)沉降、懸浮、被氣體夾帶及被飛濺液滴捕獲的機理和過程。研究發(fā)現(xiàn)：在沿洗滌冷卻室高度方向，顆粒濃度分布總體

8、呈下降趨勢；在液池內(nèi)，顆粒濃度分布呈現(xiàn)波動形式；粒徑較大的顆粒在液池中易于沉降，對其具有較好的洗滌分離效果，而粒徑較小的顆粒沉降生較差，易在液池中懸浮；顆粒級配的改變對液池內(nèi)的顆粒濃度分布影響較大，而對液面以上空間的顆粒濃度分布影響較小。
　　 為研究洗滌冷卻室內(nèi)氣液固三相體系中的相間分離特性，基于本文前面所建立并得到相關(guān)實驗驗證的CFD-VOF-DSMC數(shù)學模型，建立適于描述洗滌冷卻室內(nèi)含渣氣體穿越液池過程中多相間分離行為的數(shù)

9、學模型。首次對洗滌冷卻室內(nèi)含渣氣體穿越液池過程中所存在的相間分離過程及行為進行了數(shù)值模擬研究，定量揭示并分析了其中的相間分離特性，得到了不同操作參數(shù)對氣固分離性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：含渣氣體穿越液池的洗滌凈化過程對顆粒具有較高的捕集效率，依據(jù)本文的計算條件，計算得到的顆粒捕集效率可達97％以上；顆粒捕集效率隨著顆粒粒徑的增大而提高；隨著氣流速度以及冷卻管浸沒液池深度的增加，顆粒捕集效率相應提高，但其對顆粒捕集效率的影響逐漸減弱。<

10、br>　　 壓力波動是影響設備穩(wěn)定運行的重要因素之一?；诒疚囊陨纤⒌腃FD-VOF-DSMC數(shù)學模型，采用數(shù)值模擬的技術(shù)手段，對洗滌冷卻室內(nèi)氣體穿越液池的非定常流動過程進行數(shù)值實驗研究，從中測得室內(nèi)壓力信號。研究發(fā)現(xiàn)：在洗滌冷卻室內(nèi)氣體穿越液池的過程中存在著具有一定周期性的壓力波動。通過快速傅里葉變換，分析了氣流速度、液池靜態(tài)液位等重要操作參數(shù)對室內(nèi)壓力波動特性的影響。將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，兩者取得一致。研究還發(fā)現(xiàn)：隨著

11、氣流速度及液池靜態(tài)液位的增加，壓力波動幅度增大，主頻能量提高，頻率改變不明顯，主要集中在3～4Hz范圍;相對于液池靜態(tài)液位，氣流速度對壓力波動的影響更加顯著。
　　 洗滌冷卻室內(nèi)存在的氣體帶液問題是干擾系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題之一。在分析氣體帶液及氣液分離機理的基礎上，將流體力學和液滴動力學理論相結(jié)合，在三維Euler-Lagrange框架下建立氣體-液滴流動分離數(shù)學模型?；谠撃Ｐ投拷沂静⒎治隽讼礈炖鋮s室氣液分離空間內(nèi)的氣體-

12、液滴流動及分離特性。模型中考慮了液滴的碰撞聚并行為。將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比驗證，二者符合較好。發(fā)揮數(shù)值實驗的優(yōu)勢，研究了洗滌冷卻室氣液分離空間內(nèi)的氣液流動分離過程，全面考察了液滴的運動規(guī)律，揭示了氣液分離空間高度、氣流速度和液滴速度等重要因素對液滴分離效率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：液滴在飛濺進入氣液分離空間后作減速運動；氣液分離空間高度對液滴分離效率的影響是有限的，當分離空間增加到一定高度后其對液滴分離效率的影響減弱;隨著

13、液滴初始飛濺速度的提高，獲得最大液滴分離效率所需的分離空間高度增大；在相同表觀氣速下，對于具有不同初始速度的液滴，其穩(wěn)定后的分離效率幾乎一致。
　　 在氣化爐洗滌冷卻室內(nèi)，經(jīng)冷卻環(huán)、冷卻管激冷降溫后的合成氣在隨后穿越液池的流動過程中，仍然存在著與冷卻水之間的直接接觸熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象?；诒疚那懊鏆庖簝上嗔鲃拥难芯砍晒⑦m用于洗滌冷卻室液池內(nèi)氣液兩相間流動與熱質(zhì)傳遞體系的數(shù)學模型，對洗滌冷卻室液池內(nèi)的傳熱傳質(zhì)機理作了細致的分析。建

14、立了單個高溫氣泡與冷卻水之間的傳熱傳質(zhì)理論模型，從微觀層面對洗滌冷卻室液池內(nèi)高溫氣泡與冷卻水之間的傳熱傳質(zhì)規(guī)律進行了數(shù)值實驗研究。獲得了高溫氣泡在液池內(nèi)上升冷卻過程中的傳熱傳質(zhì)特性。探討了氣液間傳熱傳質(zhì)過程中的氣泡尺寸、氣泡溫度、冷卻水蒸發(fā)速率以及冷卻水蒸發(fā)量等參數(shù)的變化規(guī)律；利用所建立的氣液兩相間動量、熱量及質(zhì)量同時傳遞數(shù)學模型，對高溫、高壓條件下氣體穿越液池過程中的傳熱傳質(zhì)進行了數(shù)值模擬，從宏觀層面揭示了洗滌冷卻室液池內(nèi)多氣泡與液體