高炉三维气固湍流和煤粉燃烧过程数值模拟

基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化方程,建立并发展了高炉风口回旋区湍流气固两相流动和煤粉燃烧的三维数学模型.用所建模型分别对冷态模型内气固两相流动和某企业750 m3高炉风口回旋区内的气固两相三维流动与煤粉燃烧进行了数值模拟.采用三维激光相位多普勒分析仪(PDA)对冷态模型内气固两相流场进行了测量,实验结果与冷态两相流动的模拟结果基本一致.热态模拟结果给出了气相温度和组分浓度分布,模拟结果与实验测量结果较吻合,揭示了风口回旋区内气固两相流动和煤粉燃烧的基本性质和特点.     

入口结构对超短接触旋流反应器流场影响的数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型,结合欧拉双流体模型对不同入口结构的超短接触旋流反应器内的气固两相流场进行数值模拟,考察混合腔内气相流动特点及固相浓度分布。计算结果表明:斜向下进气结构由于存在较大区域的颗粒屏蔽死区并且各部位浓度梯度较大,不适合用做反应器入口结构型式。切向水平进气和斜向上进气结构混合腔内的气固混合效果较好,但切向水平进气结构易发生入口颗粒滞留以及混合腔顶灰环现象,斜向上进气结构混合腔内速度较小,不易实现超短接触操作要求。     

多喷嘴对置式煤气化炉内气固两相流动及壁面沉积

对我国具有自主知识产权的多喷嘴对置式煤气化炉内的气固两相流进行了数值模拟分析.在合理简化和假设基础上建立了基于Eulerian-Lagrangian模拟方法的炉内气固两相流动模型,采用Realizable k-ε模型描述炉内复杂气相湍流运动,应用颗粒轨道模型随机追踪煤粉颗粒在湍流气流中的运动.通过数值计算获得了炉内气固两相的速度矢量、颗粒分布、颗粒运动轨迹,以及颗粒碰撞并沉积于壁面的通量分布.揭示了该型气流床煤气化炉内气固两相流动特征,并分析了入口速度和炉体上部高度对气固两相流动和颗粒在壁面沉积的影响规律.结果表明:对撞流显著增强炉内气固流动湍动,强化气固相互作用,并使煤粉颗粒在炉内有效分散,有利于化学反应高效进行;在喷嘴入口及顶部的壁面处颗粒沉积率较大.     

矿井乏风逆流氧化床温度分布和工作特性研究

为了给矿井乏风逆流氧化装置设计提供理论依据,数值模拟研究了逆流氧化床温度分布和工作特性.结果显示：逆流氧化床内固体蜂窝陶瓷的蓄热和释热效应,使得含甲烷气体成分极低的模拟矿井乏风在其内能够自维持逆流高温氧化.数值模拟中逆流氧化床轴向中心线上M形温度分布特点与实验结果一致.逆流氧化床轴向中心线上温度分布、出口温度值、化学反应速率分布、气固两相间单位容积换热量分布主要受往复半周期、混合气体中甲烷气体质量分数和混合气体质量流量等参数影响.     

环管反应器内液固两相流的数值模拟

为了对环管反应器内液固两相的流动形态进行研究,建立以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型。在浆液流速远大于自由沉降速度的情况下,模拟不同浆液入口速度时的环管反应器上升段压力降,同时对管道内液固两相流中的一些重要参数进行数值研究：在入口液固两相体积分布均匀的情况下,环管反应器上升段、弯管段以及下降段液固两相体积分布和液固两相速度均不一样,在弯管段由于离心力引起管道内二次流,使得固相颗粒甩向弯管的外侧壁,引起固相体积分数在弯管外侧壁明显增大,管道内固体颗粒相分布不均。在浆液速度v=3m.s-1时,液相和固相的速度有一定的速度差,随着入口速度增大,速度差变小;当浆液速度v=7m.s-1时,固体颗粒相速度分布与液相速度基本相同,两者之间的滑移速度可以忽略。计算结果与传统经验公式的比较表明模型能有效地描述环管反应器内压力降和反应器内浆液流动形态。     

渣油催化裂化提升管反应器气固两相流动、传热、反应模型的建立

根据提升管气固两相湍流流动模型和渣油催化裂化反应动力学集总模型,全面系统地考虑了气固两相之间复杂的流动、传热、传质以及各种操作因素对催化裂化提升管反应器内化学反应的影响,确立了ｋεｋｐ流动物理模型和渣油回炼油反应集总模型,建立了渣油催化裂化提升管反应器三维气固两相流动、传热及反应模型,编制了大型模拟计算程序,并对工业提升管反应器进行了数值模拟计算。     

渣油催化裂化提升管反应器气固两相流动,传热,反应模型的建立

根据提升管气固两相湍流流动模型和渣油催化裂化反应动力学集总模型,全面系统地考虑了气固两相之间复杂的流动、传热、传质以及各种操作因素对催化裂化提升管反应器内化学反应的影响,确立了κ－ε－κｐ流动物理模型和渣油－回炼油反应集总模型,建立了渣油催化裂化提各管反应器三维气固两相流动、传热及反应模型,编制了大型模拟计算程序,并对工业提升管反应器进行了数值模拟计算。     

工业级MIP提升管反应器气固两相流动特性的数值模拟

以工业上多产异构烷烃催化裂化工艺(MIP)装置的提升管反应器为研究对象,采用欧拉-欧拉双流体模型对反应器的气固两相流动行为进行三维冷态数值模拟。采用计算流体力学(CFD)模拟方法分析了预提升段、一反段和二反段的气固流动特性,并对比了催化剂颗粒入口的质量流量与原料油入口的质量流量之比(剂油比)分别为6、7、8时反应器内的流动特性。模拟结果表明MIP提升管反应器内存在典型的非均匀流动特点。随着剂油比的增加,催化剂颗粒的轴向速度降低,固相体积分数增加。     

流化床烟气脱汞气固两相流动的可视化研究与数值模拟

为了探究流化床烟气脱汞反应器内气固两相的流动过程,通过可视化显形实验对不同主流化风速、床层物料高度、颗粒粒径和活性炭喷口速度下反应器内气固流动的行为和特征进行了研究.通过计算流体动力学方法对气固两相流动过程进行了数值模拟,并与实验进行比较.结果表明,数值模拟具有流动模拟的可靠性.主流化风速增加或颗粒粒径减小,均会加剧气固两相流动的剧烈程度,活性炭喷口气流会造成气固两相的局部湍动,但床层物料高度由于受到壁面与颗粒的摩擦力和内部气泡大小的综合作用,对气固流动行为的影响不显著.     

氧热法电石生产复合床反应器预热区的设计计算

针对氧热法电石生产工艺中复合床反应器预热区高温CO和原料层进行热交换的体系,建立了计及原料颗粒内热阻的移动床气固两相换热模型。重点考察了反应器预热区气固两相温度的分布,计算了不同原料粒径和不同预热区直径条件下,达到反应器换热要求所需要的换热高度,并得到了气固两相温度分布的解析解。结果表明:(1)颗粒粒径较大时(ε的值小于3.3),颗粒内热阻成为气固两相换热过程的控制步骤,综合考虑床层透气性和床层压降等制约条件,在可选范围之内应优先选用直径为1 cm的原料;(2)移动床气固换热过程主要受控于ε、β和γ这3个无因次参量,并且主要受控于ε;(3)气固两相温度分布的解析解,能为此类颗粒移动床换热过程提供初步设计依据。     

蜂窝体催化燃烧反应器中流动特性的数值模拟

研究了伴有反应条件下蜂窝体催化反应器的流动性能。建立了包括流动、传热和传质的反应器模型,使用有限体积法求解模型方程组,基于模拟结果分析了进口浓度、进口温度、进口流速、反应活性等操作参数对流动性能的影响,结果表明通道内速度分布仍为抛物线型;对压降的模拟结果与哈根泊谡叶方程的计算结果的比较表明,后者用于反应器压降设计偏差较大,文中分析了产生偏差的主要原因.     

碳氢燃料燃烧热效应的化学平衡算法

基于化学平衡计算方法，提出了计算燃料燃烧热效应的新方法。以甲烷（CH4）为例求解了其在不同空燃比和反应温度条件下的产物组分及浓度。从化学热力学的角度，在较完整反应式的基础上，得到了CH4的反应热与反应温度和计量空气系数的关系，从而揭示了CH4环保、经济的燃烧条件是反应温度低于2400K，且过量空气系数大于1。对压缩天然气的燃烧计算和模拟结果表明：在发动机燃烧计算和模拟中，采用化学平衡分析热效应处理方法比低热值定等处理方法更合理。     

二甲醚均质压燃燃烧化学反应动力学机理数值模拟

应用单区燃烧模型对二甲醚(DME)均质压燃燃烧(HCCI)的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究.通过分析在内燃机压燃燃烧边界条件下DME燃料氧化反应过程中的关键基元反应速度、关键中间产物以及自由基的浓度随曲轴转角的变化,得到了DME燃料燃烧氧化的反应途径.结果表明,DME燃料均质压燃燃烧具有明显的两阶段放热特性,即低温反应放热和高温反应放热;燃料脱氢产物的两次加氧反应是低温反应发生的关键;脱氢产物的第一次加氧反应转向脱氢产物的裂解反应是高温反应的主要途径.DME低温反应阶段的主要氧化产物包括甲醛(CH2O)和甲酸(HOCHO).     

煤气化炉动态数学模型的建立与分析

以Texaco气化炉为研究对象,分析气化炉内流动、燃烧和气化反应特性,将Texaco气化炉膛分成3个模拟区域,即燃烧区、气化区和回流区,分别对各区运用质量守恒和能量守恒方程,得到集总参数动态数学模型。该模型考虑了气固两相流动、煤热解、辐射换热及包括均相和异相在内的气化反应过程。在模型基础上进行动态与静态仿真,并进行参数化研究和仿真结果分析,得出了一些重要参数的变化趋势和结论。模型的优点在于能对气化炉内喷动区的组分及温度分布进行更加准确的预测,从而具有较好的工程应用价值。     

甲烷催化燃烧NOx排放特性的数值模拟

采用详细表面反应机理与气相反应机理GRI 3.0对甲烷-空气混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行二维数值模拟,讨论了不同甲烷浓度对NO_x排放量的影响,并对不同孔径内的浓度场、温度场与流场进行了研究。模拟结果表明：甲烷浓度的提高增加了反应器的排烟温度和NO_x排放量;孔道内径通过影响气相反应速率和催化反应速率改变了孔道内的温度场和速度场,进而影响了NO_x的生成;孔径的减小使得反应器的单位面积放热量和NO_x排放量均降低。以上结果可为优化催化反应器设计、降低其NO_x排放量提供参考。     

烧结矿竖罐内气固传热过程数值模拟与优化

以某钢铁企业360 m~2烧结机年产390万t烧结矿为研究对象,建立了竖罐内气固传热过程的数学模型,模拟研究了影响竖罐内气固传热过程的主要因素及其影响规律,得到了竖罐适宜的操作参数.研究结果表明:随着气体表观流速的减小和空气进口温度的增加,烧结矿出口温度和空气出口温度均逐渐增加;烧结矿颗粒直径的减小导致烧结矿出口温度的降低和空气出口温度的增加.竖罐适宜的操作参数为:空气进口标况流量45.5万m~3/h,颗粒当量直径0.025 m,空气进口温度130℃.     

Swiss-roll燃烧器传热特性的模拟和试验研究

建立了用于处理煤矿通风瓦斯的Swiss-roll燃烧器的二维湍流热平衡模型,求解模型方程得到了换热通道的温度分布,分析了进口流速、通道尺寸、燃烧室直径对传热特性的影响,并通过试验验证模型的合理性.结果表明,在甲烷体积分数为1%时,反应区温度达1346 K;通道宽度对反应区温度的影响最大而进口流速的影响最小;改变进口流速和换热通道尺寸能改善燃烧器的部分性能同时又会不利于另一些性能,在燃烧器的设计中,应根据实际情况,综合考虑温度、流阻、成本等因素来选择合适的参数.     

甲烷部分氧化制合成气反应中热点位置的研究

将热电偶插入La2 O3 Ni/MgAl2 O4 催化剂反应床层 ,通过移动热电偶详细考察了反应炉温、空速、原料气组成和加入水蒸气对甲烷部分氧化制合成气反应床层温升的影响。结果表明 ,反应热点位于催化剂床层入口处 ,而且热点位置不受上述反应因素的影响。但是 ,其温升值随空速的增大而升高 ,随反应炉温的升高而降低。反应中引入水蒸气可以降低反应热点的温度 ,但同时使产物中CO2 含量增大。根据反应热计算了燃烧重整机理和直接转化机理的绝热温升 ,与实验结果的对比表明 ,反应床层的温升主要来自于部分氧化反应的放热 ,即甲烷部分氧化制合成气可能是按直接转化机理进行的。极高空速时低甲烷转化率下合成气的选择性并未发生明显的变化 ,这也进一步证明了上述结论     

甲醇重整气发动机HCCI燃烧的数值模拟

对甲醇重整气发动机的HCCI燃烧过程进行模拟计算,找出其化学反应路径,探讨利用增压实现甲醇重整气HCCI燃烧的可行性.采用单区模型和详细化学反应动力学机理模拟燃烧,比较计算结果与试验结果,验证模型正确性;分析主要中间产物生成率的变化,确定关键反应,得出主要反应路径;计算增压对放热率、缸压、指示功率的影响.研究表明,甲醇重整气的HCCI燃烧呈单阶段放热,计算的着火时刻、缸内压力和NOx排放与试验值吻合;OH、H、O、HO2和H2O2是关键中间产物,它们的生成和消耗构成循环,是燃烧的主要路径;对进气适当增压可保证压燃进而省掉进气加热器并能提高指示功率,增压比过低、过高或进气中冷均不可取.     

二甲基醚发动机HCCI燃烧与排放的计算

构建了可应用于均质充量压燃（HCCI）发动机的二甲基醚（DME）详细化学反应动力学M燃烧模型,该模型包含97种物种和457个基元反应．拓展M模型的应用范围,分析了DME发动机HCCI条件下关键基元反应和重要物种随曲轴转角的变化关系,获得了DME氧化反应的主要历程．研究了NOx的生成机理,结果表明NOx排放中NO生成量达到最大值后出现“冻结”现象,NO2与N2O最终排放浓度极少且受缸内温度影响不大．随着缸内温度的增加,NOx排放中NO所占比例逐渐增加．基于化学反应速率及敏感度分析,得到了DME发动机HCCI燃烧的NO排放主要受扩大Zeldovich机理和N2O途径控制．