超临界水中煤气化关键设备的数值模拟研究

【摘要】：随着全球能源危机逐渐加重，石油和煤炭等一次能源的直接利用而导致的环境恶化问题日益凸显。因此，采用高效的利用手段对煤炭资源进行二次转化生产清洁能源已经成为亟待解决的重大问题。近些年来，作为一种比较高效的煤炭资源的清洁利用途径，在超临界水环境下进行低温催化煤气化制造清洁能源（氢气和天然气）引起了国内外大量学者的关注和研究。超临界水煤气化的关键设备涉及多相体系的流动、换热和反应，存在颗粒沉积和设备磨蚀等问题。本文应用计算流体力学（CFD）模拟方法建立了超临界水煤气化关键设备模型，探究了设备中颗粒的沉积状况，模拟了反应器中温度场以及换热器中相变过程。 首先，建立了超临界水和煤颗粒固体两相体系在超临界水煤气化水平盘管中的三维瞬态CFD模型，利用IAPWS物性数据库对超临界水的物性进行计算，通过对比不同水煤比和温度下的实验和模拟得出的压降值验证了该模型的可靠性，分析了盘管中的流动状况。研究表明，温度是影响压降的主要因素，压降随温度和管壁粗糙度的增加而增大。弯管段的外侧和底部腐蚀较为严重。对竖直放置弯管中颗粒沉积的数值模拟表明，不同粒径颗粒的输送类型不同，并给出了颗粒积累量随时间的变化。采用同样方法对竖直放置的超临界水煤气化管壳式换热器的管箱中的沉积状况进行了模拟，并根据沉积状况对其结构进行了优化。研究表明，立式换热器管箱垂直进料优于侧边进料和倾斜进料，合适的管箱高度可以减少颗粒的沉积。 其次，建立了超临界水煤气化反应器模型，对反应器中乙醇氧化提供煤气化反应点火的高温区和反应器的预热进行了模拟，给出了不同乙醇进料条件下的高温区的大小以及预热炉内温度。同时给出了最佳的乙醇进料量，为煤气化点火高温区的实现和保证反应器实现自供热平衡提供了借鉴。 最后，建立了包括管程和壳程同时流动和换热的三维管壳式换热器模型，模拟了在不同超临界水流量条件下换热器壳程和管程的压力分布、温度场和传热系数，给出了超临界水相变的位置。结果表明，随着壳程流量增大，壳程压降和传热系数随之增大；增大挡板间距对强化传热效果不明显；辐射传热的影响不可忽略。 【关键词】：超临界水 煤气化 数值模拟
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ545
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-6
• 目录6-9
• 第一章 文献综述9-19
• 1.1 煤制天然气技术综述9-11
• 1.1.1 煤气化利用现状9-10
• 1.1.2 超临界水中的煤气化技术研究现状10-11
• 1.2 计算流体力学模拟技术11-12
• 1.2.1 CFD 技术11-12
• 1.2.2 计算流体力学数值模拟的优势12
• 1.3 超临界水煤气化数值模拟研究背景12-13
• 1.4 超临界水煤气化换热器的研究背景13-14
• 1.4.1 换热器数值模拟研究进展13
• 1.4.2 数值模拟优化换热器结构的研究进展13-14
• 1.5 超临界水理化性质14-16
• 1.6 本文研究内容16-19
• 第二章 超临界水煤气化关键设备多相流动和沉积数值模拟研究19-49
• 2.1 超临界水煤气化盘管工段 CFD 三维模型建立19-24
• 2.1.1 建立几何模型19-20
• 2.1.2 网格划分20-21
• 2.1.3 模拟方法和控制方程21
• 2.1.4 相间作用力21-22
• 2.1.5 湍流封闭模型22-23
• 2.1.6 颗粒碰撞模型23-24
• 2.1.7 初始及边界条件24
• 2.1.8 求解控制24
• 2.2 超临界水煤气化弯管流场分析和沉积结果讨论24-38
• 2.2.1 模型验证24
• 2.2.2 盘管工段水平放置时的流动状况24-27
• 2.2.3 竖直弯管段 380℃沉积状况(0-25s)27-30
• 2.2.4 竖直弯管 380℃沉积状况 0-250s30-33
• 2.2.5 竖直弯管 350℃的沉积状况 0-250s33-38
• 2.3 超临界水煤气化换热器管箱沉积状况和结构优化38-41
• 2.3.1 超临界水中煤气化换热器多相流体系模型建立39
• 2.3.2 网格划分和模拟参数39-41
• 2.4 超临界水中煤气化换热器流场模拟和沉积结果分析41-47
• 2.4.1 不同流量对沉积的影响41-42
• 2.4.2 不同进料位置和进料角度对沉积的影响42-44
• 2.4.3 管程排列方式的影响44-45
• 2.4.4 管箱长度的影响45-46
• 2.4.5 颗粒尺寸的影响46-47
• 2.5 小结47-49
• 第三章 超临界水中煤气化反应器和换热器传热、反应的模拟49-63
• 3.1 超临界水煤气化反应器高温区预热模拟49-51
• 3.1.1 CFD 三维反应器模型建立49-50
• 3.1.2 反应条件50
• 3.1.3 超临界水中乙醇燃烧动力学50-51
• 3.1.4 数值模拟模型51
• 3.2 超临界水中反应器预热模拟结果与讨论51-54
• 3.3 管壳式换热器传热相变数值模拟方法54-55
• 3.3.1 换热器模型54-55
• 3.4 换热器换热及相变结果分析55-62
• 3.4.1 模型验证55-56
• 3.4.2 相变及温度场/压力场56-58
• 3.4.3 壳程不同热流体流量的影响58-59
• 3.4.4 挡板间距的影响59-61
• 3.4.5 辐射传热的影响61-62
• 3.5 小结62-63
• 第四章 结论63-64
• 参考文献64-69
• 发表论文和参加科研情况说明69-70
• 附录70-72
• 致谢72

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

Shell煤气化技术(SCGP)的特点    郑振安

烟煤在超临界水中催化气化的研究    曹雅琴;李金来;谷俊杰;甘中学;

褐煤超临界水气化制甲烷的催化剂比较研究    夏凤高;田森林;谷俊杰;宁平;王奕雪;关清卿;

废弃生物质在超临界水中转化制氢过程的研究    任辉,张荣,王锦凤,孙东凯,毕继诚

CaO对褐煤在超临界水中制取富氢气体的影响    程乐明;张荣;毕继诚;

煤加氢气化技术研究进展    袁申富;曲旋;张荣;毕继诚;

Effect of supercritical water on the stability and activity of alkaline carbonate catalysts in coal gasification    Jinli Zhang;Xiaoxia Weng;You Han;Wei Li;Zhongxue Gan;Junjie Gu;

煤与生物质共超临界水催化气化制氢的实验研究    闫秋会,郭烈锦,梁兴,张西民

煤的催化气化技术研究进展    马涛;吕彦力;周丹;

余热蒸发工艺处理煤气发生站含酚废水    苑卫军;郭健;陈玲;

煤气发生炉炉出煤气含水量计算    苑卫军;秦利生;

两段式煤气发生炉控制系统的设计    李景慧

发生炉煤气在建筑陶瓷窑炉上的应用前景    孙亮

发生炉煤气栲胶法湿法脱硫设计实例    吕淑萍;史艳;李存富;

煤气发生炉在工业炉窑烟气治理中的应用    王凤阳,刘林,陆彦彬

论整体煤气化联合循环（IGCC）中煤气净化技术的选择    许世森

生物质气化制氢研究现状    郑安桥;张先中;苏亚欣;

气相色谱法分析超临界水中生物质气化制氢实验产物    苑塔亮,王景昌,陈淑花,孟庭宇,李志义

煤中氢对含碳球团还原的影响    李福民,薛漪,王成立,赵利国,吕庆

浅谈大型氧化铝厂煤气发生炉的选型    黄耀;唐继黔;

大型煤气化工艺技术在氧化铝生产中的探讨    王志强;

浅谈煤气发生炉余热利用    黄耀;

基于直接还原铁生产的煤气化技术进展    郭豪;赵志龙;全强;樊波;

微通道换热器新型扁管的热力学性能评价    徐坤豪;

V型喷氨混合装置结构优化研究    裴煜坤;吴卫红;苏秋凤;高翔;骆仲泱;岑可法;

地坑滤网堵塞效应对于堆芯燃料棒传热的影响    刘长春;何文翰;谭智雄;尹盛晖;张小英;

基于ReaxFF力场对超临界水处理焦化废水反应机理的研究    姜丹丹;张金利;李韡;张铭;韩优;

氢气在煤液化油中的溶解规律及其在煤高温快速液化中作用研究    罗化峰

配煤与新型助熔剂改进Shell煤气化工艺的研究    李继炳

气流床水冷壁气化炉熔渣沉积试验研究及水冷壁数值模拟    林伟宁

气流床煤气化工艺性能稳健优化与控制研究    张进春

生物质粗甘油混合高效制氢实验研究    赵丽霞

整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环关键部件的特性建模与实验研究    孙博

煤炭地下气化调控机理与计算机仿真技术研究    张彬

煤基能化联产系统集成优化与评价方法    徐振刚

煤加压部分气化试验研究与数值模拟    肖睿

车用燃料煤基二甲醚的生命周期能源消耗、环境排放与经济性研究    张亮

气流床煤气化灰渣的特性研究    卢珊珊

污水污泥气化特性研究    刘伟

氢气在煤液化初始高活性阶段的作用    王顺华

黑液煤浆的制备及其在连续式超临界水反应器中制氢    刘静雅

连续式超临界水中褐煤/焦化废水共气化制氢研究    左洪芳

纤维原料中木素及LCC的分离与表征及提高纤维保水性的研究    李静

稻壳的水热处理研究    蒋艳伟

Shell煤气化飞灰粘附特性影响因素及模拟过程研究    马飞

铁系复合助熔剂的开发及助熔机理的研究    张雷

Raney-Ni催化剂甘油重整制氢研究    柳申荣

在碱金属催化作用下煤焦与CO_2的气化反应    庞克亮;向文国;梁财;赵长遂;奚白;刘冬杰;

催化作用下流化床中煤部分气化的试验研究    周宏仓;金保升;仲兆平;肖睿;黄亚继;

超临界水生物质催化气化制氢实验系统与方法研究    郝小红,郭烈锦

超临界水中纤维素气化制氢的实验研究    毛肖岸,郝小红,郭烈锦,杜新武

金属氯化物对亚临界水中纤维素水解反应的影响    马艳华;朱宪;万雪亮;姬文琦;田玲;

KOH对低阶煤在超临界水中制取富氢气体的影响    程乐明;张荣;毕继诚;

煤气化工艺技术的选择    滑体之

Shell煤气化技术(SCGP)的特点    郑振安

BG─OG煤加氢气化──城市煤气化新工艺    李保庆

煤催化气化研究进展与煤-纸浆黑液共气化    廖洪强,邓德敏,李保庆,姚强清

超临界水中生物质气化制氢实验研究    苑塔亮

超临界生物质气化制氢反应过程研究    王琨

煤炭在超临界水中氧化的初步实验    朱小峰,王涛

聚丙烯的热分解与超临界水分解对比实验研究    孟令辉,黄玉东,张妍,梁志华

超临界水在降解废弃物及资源化中的应用    葛红光,甄宝勤,郭小华,赵思珍,陈开勋

超临界水与环境保护    续京;

超临界水的性质及氧化反应原理    赵保国;刘玉存;

丙烯酸废水超临界水氧化动力学研究    龚为进;李方;奚旦立;

超临界水降解聚丙烯机理及产物研究    葛红光;宋凤敏;赵蔡斌;舒陈华;孙妩娟;

法科学家测出超临界水形成的精确温度    高晟;

开辟低质煤利用新途径——超临界水反应器实现连续制氢    

废水超临界水热气化过程建模及优化    曾其林;

加热速率和粒径对聚乙烯在超临界水中转化的影响    苏晓丽;张荣;赵玉龙;毕继诚;

聚乙二醇废水催化超临界水气化产氢资源化研究    晏波;韦朝海;胡成生;吴超飞;谢成;

超临界水的物理化学性质及意义    苏根利;谢鸿森;丁东业;张月明;郭捷;

超临界水中褐煤制氢过程分析    程乐明;姜炜;张荣;毕继诚;

304NG在超临界水中腐蚀后氧化膜分析    尹开锯;邱绍宇;唐睿;张强;

环形燃料在超临界水堆中的应用分析    张勇;杨珏;单建强;朱元兵;卢冬华;

太阳能聚焦供热的生物质超临界水气化制氢技术经济性分析    郭烈锦;吕友军;金辉;

超临界水热结合固相煅烧法制备LiMn_2O_4正极材料    刘学武;汤洁;覃旭松;陈申;陈国华;

超临界水流动不稳定类型及动态特性分析    熊挺;闫晓;黄善仿;黄彦平;

超临界水中不锈钢的均匀腐蚀研究    罗新;龙冲生;苗志;彭倩;王莹;张强;

超临界水反应器实现连续制氢    徐岩

“超临界水”冷却核电站技术受关注    陶义

生物丙烷即将成为新能源    记者 王俊鸣

煤在超临界水反应过程中的污染物迁移特性研究    陈桂芳

基于超临界水热解氧化的有机物资源化研究    衣宝葵

藻与苯酚的超临界水气化过程与机理    关清卿

脲、腈和酰胺在超临界醇或醇水混合体系中的醇解反应研究    侯志强

纤维素在超临界水中糖化的研究    覃杏珍

超临界加氢装置的建立及超临界加氢反应的研究    楼芝英

生物质在超临界水中液化转化的实验研究    朱道飞

有机质超临界水热解特性的研究    陈桂芳

萘（苯）磺酸在超临界水中催化降解的研究    王军良

褐煤超临界水催化气化制甲烷    夏凤高

超临界水环境下电厂锅炉管道材料的腐蚀性能研究    荣质斌

超临界水中煤气化关键设备的数值模拟研究    王宏那

石蜡/萘/渣油在超临界水中的氧化反应特性    秦少鹏

聚乙烯在超临界水中的降解行为研究    吴学华