原位固碳制氢煤气化的数值模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 吕静 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-03-12 |
| 授予单位 | 中国科学院过程工程研究所 |
| 授予地点 | 过程工程研究所 |
| 导师 | 张锁江 |
| 关键词 | 原位固碳制氢 煤气化 数值模拟 EDC模型 |
| 其他题名 | Numerical Simulation of Coal Gasification for Hydrogen Production and in-situ CO2 Fixation |
| 学位专业 | 应用化学 |
| 中文摘要 | 原位固碳制氢煤气化新工艺是近十多年来洁净煤利用技术的研究热点之一。新工艺将煤气化与二氧化碳固定集成在一个反应器中，得到高浓度的氢气产品同时实现二氧化碳的固定。目前文献报道的新工艺的研究主要应用于实验室装置的工艺开发，而对于煤气化的数值模拟研究鲜有报道。由于该工艺中二氧化碳吸收剂CaO的加入，使得反应器中气固两相流动及反应动力学网络更复杂。本文旨在建立有效的考虑详细化学反应过程的原位固碳制氢煤气化的计算流体动力学模型，分析了煤气化反应器内的流场和反应信息进行，从而为原位固碳制氢煤气化反应器的改进及放大提供可靠的理论基础。本文的主要研究内容与创新结论如下： （1）开发了基于欧拉-拉格朗日方法的原位固碳制氢煤气化的流体动力学模型，模型除了包含传统的气相与颗粒相的质量、动量、能量及物料守恒方程与气相湍动模型外，为了更真实地反映气化反应过程，还加入了颗粒湍动扩散模型、气相湍动反应模型、异相反应模型及辐射模型。由于新工艺中CaO的加入，煤气化反应器操作温度相对于传统煤气化反应器至少低150 K，反应网络更加复杂且反应速率相对更低，需要同时考虑反应动力学与湍流流动。而传统的湍动反应模型由于模型本身的粗略或模型假设，往往低估或忽略了湍流中反应动力学的影响。本文首次将Eddy Dissipation Concept（EDC）模型应用于煤气化器的湍动反应模拟。EDC模型将详细的化学反应加入湍流模型中，可以同时考虑反应与湍流流动，由于其模型方程非线性强，数值计算收敛困难且计算量大，主要用于湍动时间尺度与反应时间尺度相当条件下的简单的气相燃烧体系，如甲烷或氢气的燃烧等。针对应用EDC模型时难收敛问题，本文先数值模拟了无反应发生假设下反应器的冷态，将得到的冷态流场作为反应器热模模拟的初始流场，并控制各变量的松弛因子增长速度，达到稳定收敛的目的。应用开发的数值模型对连续式原位固碳制氢煤气化进行数值模拟，模拟结果与文献报道的试验数据吻合较好，证明了所开发模型的可靠性。 （2）将开发的数值模型应用于循环流化床煤气化的模拟，详细的分析了循环流化床煤气化反应器流场中流动反应相关参数分布，主要包括温度、气相速度、颗粒停留时间、气体湍动强度、均相与异相反应速率分布，详细的阐述了反应器中原位固碳制氢的流动-反应耦合机理，发现入口处气速变化明显，且由于颗粒入射，气相湍动在反应器下部比较明显，反应器底部主要发生CaO的水合与碳酸化反应及焦炭的燃烧反应，沿反应器上升继而发生水气变换反应与焦炭气化反应。在所得模拟结果与实验现象吻合较好。 （3）将开发的数值模型应用于原位固碳制氢循环流化床煤气化的模拟，考察了入口气速、操作温度及CaO含量对煤气化器原位固碳制氢性能的影响。研究发现入口气速在0.4 m/s -1.2 m/s的范围内，入口气速越小，气体与颗粒物料停留时间越短，碳转化率越高，产品气体中氢气的含量越高。当入口气速为0.4 m/s时，碳转化率可以达到97%，氢气摩尔百分数可达90.3%，一氧化碳与二氧化碳含量很小，接近于0。操作温度升高，强化了焦炭气化反应与甲烷的水蒸汽重整反应，氢气的含量增加，当操作温度高于1050 K时，H2摩尔百分数变化很小，并且一氧化碳与二氧化碳的摩尔百分数明显增加。反应器中添加氧化钙，气相湍动强度明显增加，促进了气相物料的扩散，及气相物料在固体颗粒表面的扩散。同时，氧化钙的碳酸化反应促使水气转换反应平衡不断正向移动，促进了焦炭气化反应与甲烷的水蒸汽重整反应以生成氢气。当CaO/煤 (wt%)为4时，产品气体中H2的摩尔百分数可达87%，一氧化碳与二氧化碳的含量接近于0。通过对入口气速、操作温度及CaO添加量的敏感性分析，可以得到，在入口气速0.4 m/s，操作温度1050 K及CaO/煤 (wt%)为4时为较优的操作条件。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-13 |
| 页码 | 143 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1051]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吕静. 原位固碳制氢煤气化的数值模拟研究[D]. 过程工程研究所. 中国科学院过程工程研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。