移動(dòng)床式氣化爐燃燒氣化地仿真與分析報(bào)告

SanmingUniversityDiplomaWork(Project)Title:ThesimulationandanalysisofcombustionandgasificationforaMoving-bedgasifierGrade&Major: Grade2006,MachineDesign&ManufacturingandTheirAutomationNumber： 20060663129Name:Instructor:2010-03-06畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）承諾書我仔細(xì)閱讀了畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）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(jì)）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(jì)）規(guī)定，以自己的真實(shí)水平認(rèn)真做好畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。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(jì)）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。本論文屬于不保密口。（請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“丁”作者簽名： 日期：導(dǎo)師簽名： 日期摘要 1.緒論 1煤.炭1資源 1.煤1炭.資1源及其利用1煤.氣1化.方2法:...1氣.2化爐結(jié)構(gòu) 1.移2動(dòng).床1氣化爐..軟件軟件概述程序的結(jié)構(gòu)移動(dòng)床氣化爐的仿真與分析數(shù)值模擬研究方法基本控制方程：利用 建立網(wǎng)格2.參2數(shù).的值確定...利用 求解器求解顯序網(wǎng)格仿真分析顯示結(jié)果結(jié)論與展望致謝參考文獻(xiàn)移動(dòng)床式氣化爐燃燒氣化的仿真與分析［摘要］：本文從型煤富氧連續(xù)氣化這個(gè)角度入手，調(diào)研氣化爐的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行規(guī)律，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件 ，對(duì)氣化爐爐內(nèi)的氣化與化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果與實(shí)際狀況相符合，可用于優(yōu)化氣化爐的運(yùn)行參數(shù)，并為今后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。［關(guān)鍵詞］：移動(dòng)床氣化爐仿真分析計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Thesimulationandanalysisofcombustionandgasificationfora

Moving-bedgasifier[Abstract]:Inthispaper,westartfromtheperspectiveofOxygenRichContinuousGasification,surveygasifierstructureandoperationrules,usingcommercialsoftwareFluenttocaculatefluiddynamics,andtosimulatethegasficationandchemicalreactionprocessinthegasifier.Thesimulationresultscorrespondwiththeactualsituation,soitcanbeusedtooptimizethegasifieroperatingparameters,aswellastomakethefoundationforfuturedesignoptimizationandimprovementofitsinternalstructural.[Keywords]:moving-bedgasifiersimulationanalysiscomputationalfluiddynamics1.緒論在世界經(jīng)濟(jì)的高端發(fā)展階段，面對(duì)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(duì)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1.1.1煤炭資源及其利用煤炭資源是我國進(jìn)行社會(huì)主義建設(shè)的能源基石之一。我國煤炭儲(chǔ)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(shí)造成污染，首先，必須對(duì)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(shí)，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(duì)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(diǎn)高、灰熔點(diǎn)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(duì)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(shí)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(diǎn)，實(shí)施煤的熱解、氣化和燃燒分級(jí)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(píng)價(jià)模型還未見報(bào)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(duì)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(diǎn)，以煤為原料的中小氮肥企業(yè)屬于勞動(dòng)密集型和符合我國能源分布特點(diǎn)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(jià)格上漲等因素，因此在面對(duì)當(dāng)前節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本的發(fā)展趨勢下，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(duì)煤的利用方式中有，如氣化、燃燒等，實(shí)踐證明氣化方式對(duì)煤的利用比較全面，利用率高，在現(xiàn)代高科技的支持下更加環(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(shí)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: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，由于發(fā)現(xiàn)和取得了大量的天然氣，人們對(duì)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(duì)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362x106?373xl06j/m（標(biāo)）它的主要成分是甲烷和少量的一氧化碳、二氧化碳及氮?dú)?。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10.1x106?22.4xl06j/m3（標(biāo)）?？拷藷嶂迪孪薜拿簹猓渲饕煞质且谎趸己蜌錃?，少量的二氧化碳?？拷藷嶂瞪舷薜拿簹?，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?yàn)樗囊谎趸己亢芨撸荒芘c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3.4X106?5.6x106j/m3（標(biāo)）它的可燃組分是一氧化碳和氫，然而這種一氧化碳和氫是被二氧化碳和氮?dú)庀♂屃?。燃用這種煤氣，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)1.2.1移動(dòng)床氣化爐煤從移動(dòng)床氣化爐爐頂加入，并向下移動(dòng)，從爐底進(jìn)入的氣化劑（O和ho）逆流相遇。加入22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0.305?3.05m/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(shí)間為1?10h,需保持料床高約為3.05m。一般來說，停留時(shí)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3.45X1000000Pa的范圍內(nèi)。由于煤沿氣化爐下移，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(gè)床層高度有一個(gè)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。

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?yàn)椋魵馐怯脕硐拗茽t內(nèi)所能達(dá)到的最高溫度的。因而，這個(gè)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(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中得出的氣化爐內(nèi)溫度分布狀況，對(duì)于FLUENT軟件的仿真模擬很有價(jià)值，是對(duì)照參考，判斷仿真模擬出來的結(jié)果是否與實(shí)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(shí)，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。

-粗煤氣干燥co,C02,H21H20干憾焦油，油，-粗煤氣干燥co,C02,H21H20干憾焦油，油，co,co2氣化燃燒—主要?dú)怏w L+［」2二L［」22C+02=2C0L+H20=L(j+H2i>LO2=2i：O灰層氣體 固體灰渣」l〔干法或濕法空氣或氧氣水蒸氣圖1-2氣化爐內(nèi)分層不過，在實(shí)際過程中，分界面并不像圖示那樣整齊化一，而是犬牙交錯(cuò)，參差不齊的。爐頂干燥層影響著煤的水分蒸發(fā)。溫度在360€c以上時(shí)，煤中可揮發(fā)的氣體、油和焦油開始析出。所以稱脫揮發(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260€c?540€C。顯然，在這個(gè)溫度下出來的粗煤氣會(huì)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(huì)引起麻煩。為了便于煤氣凈化，有些移動(dòng)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(dòng)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(duì)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(jì)和選擇氣化爐時(shí)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(gè)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(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步更合理的仿真分析。在從試驗(yàn)到實(shí)際運(yùn)用的過程中，為進(jìn)一步掌握氣化爐內(nèi)具體情況，如溫度場分布、主要成分的質(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⑵。1.3FLUENT軟件20世紀(jì)70年代以來,CFD技術(shù)因大型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)得以迅速發(fā)展。CFD技術(shù)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有其獨(dú)特優(yōu)勢，如:研究成本低，周期短，無實(shí)驗(yàn)儀器干擾，能夠得到完整的數(shù)據(jù)，能將計(jì)算情況在計(jì)算機(jī)屏幕上形象地再現(xiàn)等。其工程應(yīng)用對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)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PHDENICS,Fluent,STAR-CD,CFX與NUMECA等。在這些眾多的CFD軟件中，F(xiàn)LUENT軟件獨(dú)占40%以上的市場份額，具有絕對(duì)的市場優(yōu)勢。FLUENT是常用的CFD軟件，其廣泛應(yīng)用于流動(dòng)、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(diǎn)［7］。FLUENT軟件概述FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè)CFD(ComputationalFluidDynamics計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件包之一。FLUENT是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專用軟件。FLUENT提供了靈活的網(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(duì)二維問題支持三角形網(wǎng)格或四邊形網(wǎng)格；針對(duì)三維問題支持四面體、六面體、棱錐、楔形、多面體網(wǎng)格；同時(shí)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(jì)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(dòng)。只要是涉及流動(dòng)、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(jì)、船舶、能源動(dòng)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］。程序的結(jié)構(gòu)1.3.2.1FLUENT程序軟件包由以下幾個(gè)部分組成：GAMBIT——用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。FLUENT——用于進(jìn)行流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器。PrePDF——用于模擬PDF燃燒過程。TGrid——用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。Filters(Translators)——轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算。1.3.2.2FLUENT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(jì)算二維和三維流動(dòng)問題，在計(jì)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：可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問題。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題。無黏流，層流及湍流問題。(4)牛頓流體及非牛頓流體。對(duì)流換熱問題(包括自然對(duì)流和混合對(duì)流)。(6)導(dǎo)熱與對(duì)流換熱偶合問題。(7)輻射換熱。(8)慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)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(jì)算。(11)兩相流問題。(12)復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)問題。1.3.2.3利用FLUENT軟件進(jìn)行求解的步驟如下：確定幾何形狀，生成計(jì)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。選擇求解器(2D或3D等)。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。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(jì)算控制參數(shù)。(8)流場初始化。(9)求解計(jì)算。(10)保存結(jié)果，進(jìn)行后處理等[8]-[10]。2.移動(dòng)床氣化爐的仿真與分析2.1數(shù)值模擬研究方法數(shù)值模擬根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)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(jì)算機(jī)和特定的軟件，對(duì)微分方程進(jìn)行時(shí)間和空間離散，并作一定數(shù)量的迭代計(jì)算來逼近一個(gè)近似解。2.1.1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(dòng)及煤渣煤微粒的影響(3)忽略溫度對(duì)氣體密度的影響，即€為常數(shù)。2.1.2基本控制方程：1).2.1數(shù)值模擬研究方法數(shù)值模擬根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)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(jì)算機(jī)和特定的軟件，對(duì)微分方程進(jìn)行時(shí)間和空間離散，并作一定數(shù)量的迭代計(jì)算來逼近一個(gè)近似解。2.1.1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(dòng)及煤渣煤微粒的影響(3)忽略溫度對(duì)氣體密度的影響，即€為常數(shù)。2.1.2基本控制方程：1).連續(xù)性方程?(pU)i ?xi2-1)上式是定常流動(dòng)的，式中：€，u，ix分別表示氣體的密度，速度和i方向坐標(biāo)［13］。i(2).動(dòng)量方程(N-S方程)?xi?P?+一?x ?xjjeff?u、 i_?xj+-

?xi+pgi2-2)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；g為重力加速度［⑶。eff i(3).湍動(dòng)能(K)方程?(puk)_ ?eff2-3) i — eff2-3)?x?xii式中：k為湍流動(dòng)能；￡為湍流動(dòng)能耗散率［⑶。(4)?湍動(dòng)能耗散率(￡)方程Q(pu￡)i￡￡2+Q(pu￡)i￡￡2+cG—c1k2k2-4)其中G?Qu”duj iQx“QxijQujQxi2-5)k2eff2-6)式中：…t和…f分別為湍流黏度系數(shù)和有效黏度系數(shù)冋”QT QTQT‘Q”QT‘Q” QT‘Q”QT‘,Cu +v+w”K+K+”Kp“Qx QyQzJQx“effQx丿Qy“咁Qy丿Qz“effQzJ（2-7）[11]式中：C為比定壓熱容；T為氣體溫度；K為有效傳熱系數(shù)；x,y,z為張量表示的方向；uP eff為動(dòng)力學(xué)黏度；,為氣體的密度網(wǎng)。2.2利用GAMBIT建立網(wǎng)格要對(duì)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(duì)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：

爐壁對(duì)稱軸氣化爐結(jié)構(gòu)簡圖取上圖一對(duì)稱部分，作為研究分析對(duì)象，其中包含有：入口（i:爐壁對(duì)稱軸氣化爐結(jié)構(gòu)簡圖取上圖一對(duì)稱部分，作為研究分析對(duì)象，其中包含有：入口（i:all）氣化爐內(nèi)反應(yīng)的元素有：煤（C）、氧氣et）、出口（outlet）、對(duì)稱軸（symmetry）、爐壁（化碳（CO）等，從入口進(jìn)入爐內(nèi)的有：煤、氧氣、水蒸氣、二氧化碳2<O）、水蒸氣（H0）、二氧222.2.1參數(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,速率為O.lm/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：C?O…CO22C?丄O…CO2 2(2-8)C?CO…2CO(2-8)2C?HO…CO?H22C?2HO…CO?2H222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（Co）、氫氣（H）、少量二氧化碳（CO），22生成物經(jīng)過氣化區(qū)、干餾區(qū)、干燥區(qū)從出口輸出，速率與入口同步，而溫度達(dá)到800K以上。FlDAPFLUENT/UNSFLUENT5/6FLUENT4RAMPANTNEKTONPOLVFLOWFLOWIZARDANSYSGeneric圖2-3圖2-2圖2-3設(shè)計(jì)好氣化爐結(jié)構(gòu)，確定好所選的氣化爐一對(duì)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(jì)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(duì)線段和面劃分網(wǎng)格，最后CreateStraightEdgeVerticesType; RealVirtuaLabe!|IAppl芋|.Res就|dose\CreateFacefromWireframeEdges；Type:令RealyVirtualCreateStraightEdgeVerticesType; RealVirtuaLabe!|IAppl芋|.Res就|dose\CreateFacefromWireframeEdges；Type:令RealyVirtualInitialFace-IGuideEdges_lGuideVerticesToleranceAutoLabelpApplyIResetjQese，j圖2-4圖2-5圖2-62.3利用FLUENT求解器求解2.3.1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。GridCheckDomainExtents:x-coordinateimin(m)= max(m)=1y-coordinateimin(m)= max(m)=6Uolumestatisticszminimumuolume(m3)i7.679E>49e-fiRJimaxiinumuolume(m3):1.21081E?e-0fi2totaluolume(m3)i8.64Efifi0e+fiE10FaceareastatisticsiminimumFacearea(n2)i2_190892e-0fi2maximumFace日廣eb(m2)i2-72638fie-fi01CheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingDone.numberofnodespercellnumberofFacespercell>threadpointers.CheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingCheckingDone.numberofcellsperFaceFacecells>bridgeFaces>right-handedcells-Facehandedness.Facenodeorderelementtypeconsistency.boundarytypeszFacepairs>periodicboundaries.nodecount.nosoluecellcount.nosolueFacecount.Facechildren-cellchildren-storage-圖2-7檢查網(wǎng)格圖2-7所示是一步相當(dāng)重要的步驟。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(diǎn)擊File—Read—Case…，在相應(yīng)目錄下找到.msh文件，在點(diǎn)擊Grid—Check,檢查網(wǎng)格，點(diǎn)擊Grid—Scale...,完成后重新點(diǎn)擊Grid—Check，最后點(diǎn)擊Display—Grid...顯示的。圖中邊界設(shè)定明顯，網(wǎng)格合理。2.3.2仿真分析首先按圖2-1氣化爐內(nèi)分層做個(gè)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(cuò)綜復(fù)雜。(1)燃燒層C+O=CO+409469kJ/kmol (2-9)22C+O=2CO-160773kJ/kmol (2-10)2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(shí)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(shí)間更短。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(dòng)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(duì)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CO還原為CO的還原2能力。氣化層C€HO=CO€H-117858kJ/kmol (2-11)22C€2HO=CO€2H-74944kJ/kmol (2-12)222CO€HO=CO€H+42915kJ/kmol (2-13)222對(duì)反應(yīng)(2-12)、(2-13)的熱力學(xué)研究表明，溫度較高時(shí)，正向反應(yīng)進(jìn)行的比較完全，當(dāng)溫度達(dá)到1000°C以上時(shí)可視為不可逆反應(yīng)。動(dòng)力學(xué)研究認(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-⑵快的多，所以提高溫度可以相對(duì)降低CO2而提高CO含量。對(duì)于反應(yīng)(2-13)來說，因氣體在爐內(nèi)停留時(shí)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CO和H［⑵。22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)定順次點(diǎn)擊Define—Models—Solver...,打開如圖2-9，設(shè)定求解器，將空間設(shè)置為二維軸對(duì)稱，即Space：Axisymmetric(軸對(duì)稱空間)。順次點(diǎn)擊Define—Models—Energy.，打開如圖2-10，然后選擇求解能量方程。順次點(diǎn)擊Define—Models—Viscous.…，打開設(shè)置粘性模型的對(duì)話框，選擇k-eqsilon湍流模型，面板將自動(dòng)擴(kuò)展成如圖2-11.順次點(diǎn)擊Define—Models—Species—Transport&Reaction.，打開對(duì)話框，進(jìn)行組分輸運(yùn)與化學(xué)反應(yīng)的模型設(shè)置。(2)材料屬性設(shè)定點(diǎn)擊Define—Materials.，打開控制面板對(duì)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)。圖2-10求解能量方程圖2-11設(shè)定湍流模型（3）邊界條件的設(shè)定點(diǎn)擊Define—BoundaryConditions...,打開邊界條件設(shè)置面板。對(duì)各邊界進(jìn)行仿真設(shè)定，如入口、出口、對(duì)稱軸等。對(duì)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)置順次點(diǎn)擊Solve—Initialize—Initialize.，打開對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置。順次點(diǎn)擊Solve—Controls—Solution.，打開對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置。順次點(diǎn)擊Solve—Monitors—Residual.，打開對(duì)話框，對(duì)收斂判據(jù)即殘差值進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成之后，點(diǎn)擊File—Write—Case.，保存所做的所有設(shè)置。點(diǎn)擊Solve—Iterate...，打開迭代控制對(duì)話框，進(jìn)行設(shè)置，開始迭代計(jì)算。

2.3.3顯示結(jié)果1.53e+03r1.47e+03,1.41e+03,1.36e+03.1.30e+03,1.24e+03>1.17e+03.1.11e+03,1.05e+03*9.95e+02.9.38e+02.8.82e+0Z8.23e+02?7.70e+02.7.19e+02,6.62e+0Z6.05e+02?I5.48e+02.4.90e+02.4.35e+02?ContoursofStaticTemperature(cj(kJDec11,2009FLUENT6.3(3d,pbns,eulertan,spe.skejIContoursofStaticTemperature(cj(kJDec11,2009FLUENT6.3(3d,pbns,eulertan,spe.skej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)：2C+O€2CO2與 C+O€CO22均為放熱反應(yīng)，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(gè)反應(yīng)，故而溫度逐漸的升高，至于后階段是吸熱反應(yīng)：C+CO€2CO2C+HO€CO+H22

與 C€HO=CO€2H222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)圖中情形很正常這說明FLUENT軟件仿真模擬的結(jié)果與實(shí)際情況相符合。Z.96e-01r.58e_017.19e-016.80e-016.4le-016.02e-015.64e~015.2.5e-014.86e-014.47e-014.08e-013.69e-013：.31e_01'：2--^2-e-012.63e_012.14e-011.75e-01C：o：o-tb；ursof-Volumefraction?醴jC：o：o-tb；ursof-Volumefraction?醴j_ De.c煜，^009FLUENT6.3.13d,pb'hs,eule-rian',.s-pe>ste-J圖2-8CO分布圖2圖2-8所示，是二氧化碳（co）在氣化爐內(nèi)的分布圖，可以看到，從入口（inlet）處到出口（outlet）2處，其濃度是從近乎零逐漸增至最大，在逐漸的降低。由于氣化爐內(nèi)產(chǎn)生二氧化碳的主要反應(yīng)有：C+O=CO22與 C+2HO=CO+2H222這兩個(gè)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(shí)際情況相符合。:-1e_01■-3.43e-01e-013.07：e-01：Xi9e-01'2..71e-012.,5-3e_012,3.5e_01遂］7e-011.99e-011.81e-011.63e-011.44e-011.^6e-0I1.08e-019.03e-CP2A2^e-02.5.4：2e-02逐后1e-0-21.81e-CP2O.OOe^OOKoQt-jaursof-：KoQt-jaursof-：y'olum:efrActionlc：oi-JFLEJENT6.3C3d,pbris；eule：rian；.sp&；sk^-J圖2-9CO分布圖圖2-9所示，是一氧化碳（CO）在氣化爐內(nèi)的分布圖，可以看到，從入口（inlet）處直至氣化爐中央的氣化區(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(gè)出口（outlet）處。出現(xiàn)這樣的情況是因?yàn)樵谶@爐內(nèi)的反應(yīng)生成一氧化碳的主要是:C+CO€2CO2與 C+HO=CO+H22這三個(gè)反應(yīng)，而這三個(gè)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軟件仿真模擬的結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

5.85e-015.56e-015.^8e-01S.OOe-O14.72e-014.44e-014.15e-01■3.87e_O19e_01瘞31e_O1■■3:/02；e-01^7.4e-01:^：46e-0118e-011.89e-011.61E-011.3.3e-011.05e-01I7.65e-Q-^4.82e-O-22：00e-G2ofVolumefractianIhS）：_ D^.cL2;-2009ofVolumefractianIhS）：FLUENT6.3I3.d,pbris;eulerian',.s：pesste-J圖2-10H分布圖2圖2-10所示，是氫氣（H）在氣化爐內(nèi)的分布圖，可以看到在入口（inlet）處氫氣的量是最少2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(shí)際上有差別），這是因?yàn)闅錃庵饕怯蒀€HO=CO€H22這反應(yīng)生成的，而這反應(yīng)是一個(gè)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(shí)際符合。3.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(diǎn)，它不但使模擬精度提高、計(jì)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(jì)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，一氧化碳分布圖，都與實(shí)際情況相符，而氫氣分布圖相對(duì)有點(diǎn)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(diǎn)出入。這提示在今后仿真模擬過程要盡量多考慮實(shí)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(shí)際狀況相符合，在用于優(yōu)化氣化爐的運(yùn)行參數(shù)，并為今后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)