大规模气化过程系统模拟、集成及优化基础研究

该研究主要进展包括:(1)建立了水煤浆水冷壁气化炉降阶模型,计算了气化炉内温度分布,水冷壁表面渣层厚度分布,以及水冷壁内温度分布,同时模型计算量小,可以满足在整体系统流程中的耦合优化计算;(2)开发了气化岛整体系统动态仿真机;(3)建立了工业多喷嘴对置式气化炉的分区模型,模型计算快速,模拟结果经与工业气化炉运行结果比较,模拟结果准确可靠;(4)通过对煤、煤灰、气化生成灰渣以及废水中氯元素含量的实验分析以及热力学分析,获得了气流床煤气化过程中氯元素的迁移特性;(5)采用Aspen Plus建立了两种以石油焦为原料的气化制氢模拟流程,通过对两个方案进行了模拟分析和评价,获得了两个方案的能量转换热效率和火用效率。     

两段式气流床煤气化炉内熔渣壁面沉积数值模拟

为了研究我国自主研发的两段式干煤粉气流床气化炉内熔渣壁面沉积规律,对该气化炉进行了三维数值模拟.在合理假设的基础上,建立了基于Eulerian-Lagrangian模拟方法的炉内湍流多相反应流动模型,采用Realizable k-ε模型计算炉内气相湍流流场,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与壁面沉积过程.通过数值计算获得了炉内气相流场、煤粉颗粒运动轨迹及其浓度分布,以及熔渣颗粒在炉膛壁面上的沉积率分布,揭示了该炉型内熔渣颗粒壁面沉积特性,并分析了不同进料方式对熔渣壁面沉积的影响规律.结果表明:两喷嘴对置进料使得熔渣主要沉积在喷嘴高度处两喷嘴之间的壁面上;四喷嘴对置进料使得一段壁面熔渣沉积率高于两喷嘴进料时的熔渣沉积率,且沉积率在圆周上的分布更加均匀,有利于形成均匀渣层对壁面进行有效保护;四喷嘴切圆进料使得炉内几乎所有熔渣颗粒都沉积在炉膛壁面上,且停留时间较短.     

Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动的数值模拟

应用Eulerian-Lagrangian方法对国内某工厂实际运行的Texaco气流床煤气化炉内气固两相流动进行了模拟.采用Realizable k-ε模型计算炉内复杂气体湍流运动,应用颗粒轨道模型追踪煤粉颗粒在湍流气流中的运动轨迹.通过数值计算取得了炉内气相速度矢量、颗粒运动轨迹、颗粒碰撞壁面并沉积于壁面的沉积通量和颗粒在炉内的停留时间分布.揭示了该气化炉的气固两相流动特性,并分析了运行工况对壁面沉积通量分布的影响规律.结果表明:气化炉内的气体流场存在回流,回流延长了颗粒在气化炉内的停留时间,颗粒沉积通量最大的位置为筒体段下部和锥体段上部; 绝大部分颗粒在气化炉内的停留时间在5 s以内,气体流量降低时颗粒在炉内的停留时间减少.     

锅炉水冷壁两种壁温波动特点及其原因分析

针对锅炉水冷壁金属管壁温度的波动与水冷壁管横向裂纹失效,以 Ｓ Ｇ１０００ 和 Ｈ Ｇ２００８ 锅炉水冷壁壁温测量试验的结果为对象,根据不同的管壁温度波动特点,结合炉内、锅内传热分析,提出了不同的壁温波动原因：炉内不稳定结渣的脱落造成了 Ｈ Ｇ２００８ 控制循环锅炉水冷壁壁温的波动;蒸干传热恶化导致 Ｓ Ｈ１０００直流锅炉水冷壁壁温的波动．     

锅炉水冷壁两种壁温波动特点及其原因分析

针对锅炉水冷壁金属管壁温度的波动与水冷壁管横向裂纹失效,以ＳＧ１０００和ＨＧ２００８锅炉水冷壁壁温测量试验的结果为对象,根据不同的管壁温度波动特点,结合炉内,锅内传热分析,提出了不同的壁温波动原因：炉内不稳定结渣的脱落造成了ＨＧ２００８控制循环锅炉水冷壁壁温的波动;蒸干传热恶化导致ＳＨ１０００直流锅炉水冷壁壁温的波动。     

煤粉炉水冷壁结渣故障特征提取

以电站锅炉为对象,研究提取合适的炉内结渣故障特征参数。建立了考虑结渣的膜式水冷壁温度场的计算模型。计算结果表明背火侧鳍端温度受炉内结渣影响显著,并有较好的温度特性曲线,而受其他因素影响较小。因此,提出了以背火侧鳍端温度作为诊断炉内结渣严重程度的故障特征量。文中介绍了所建模型及其与试验数据的比较结果,分析了各个因素对鳍端温度的影响,为解决炉内结渣的诊断提供了一个良好的新途径。     

双炉膛直流炉蒸发系统的分布参数建模

通过建立双炉膛内水冷壁二维表面非均匀蒸发系统模型,利用炉膛三维温度场可视化检测系统获得的炉内实时烟气温度分布,研究双炉膛直流锅炉蒸发受热面的分布参数变化规律.提出用假想受热面处理双面水冷壁的方法,仿真研究证明了模型的正确性.双炉膛直流锅炉现场实测参数的模型检验表明:在90%负荷下前墙靠双面水冷壁附近角的壁温高于边缘处的壁温,计算的质量流量与设计值最大误差为8.56%,理论推算与电厂实际运行结果较一致.     

气化炉托砖环温度场的有限元分析

以通用的热传导模型为基础,对气化炉托砖环的温度场分布进行有限元计算,计算中考虑了炉内外温度对托砖环温度场的影响。计算结果表明：在炉内温度为1300℃时,托砖环温度最高接近650℃;耐火纤维在隔热方面作用显著;气化炉内部温度对托砖环温度分布影响很大,而外部环境温度变化对托砖环温度分布的影响有限。     

轴对称通道内超临界水对流换热数值模拟

为了研究高性能轻水堆堆芯冷却通道内超临界工质流动与换热特性,采用Fluent软件对竖直上升环形通道内超临界水与管壁间的换热过程进行数值模拟研究。通过计算结果与实验结果的对比,评估了不同网格数量、壁面第1层网格参考高度和湍流模型对数值模拟准确性的影响。对5个不同湍流模型进行对比计算。针对3种热流密度进行堆芯流动换热计算。模拟结果表明:随着网格数量的增加和壁面第1层网格参考高度的降低,预测准确度逐渐提高,但当壁面第1层网格参考高度小于0.07后,预测准确度与其无关;与其他湍流模型相比较,标准k-ω模型和剪切压力传输(SST)k-ω模型都能预测传热恶化现象,SST k-ω模型较标准k-ω模型计算结果更为准确;近壁面区域物性的剧烈变化是引起传热强化及传热恶化的主要原因。     

锅炉炉膛结渣问题的研究攻关

针对一台130t/h切向燃烧锅炉炉膛出现的结渣问题,提出一种可以消除结渣的燃烧器结构和燃烧器配风方式。数值计算结果表明,改造后的燃烧器,锅炉炉内实际切圆直径减小,炉膛温度水平降低,上二次风喷口附近水冷壁壁面O2浓度增加,都有利于抑制和消除炉膛的结渣。改造后的炉膛结渣基本消除,锅炉高负荷运行稳定性提高,数值计算结果与现场实测数据基本吻合。     

准东煤旋风燃烧的数值模拟

为掌握准东煤在液态排渣旋风炉中的燃烧特性,对准东煤旋风燃烧过程进行了数值模拟。通过建立传热传质模型求解熔渣层的热物性参数,并作为边界条件代入燃烧CFD模拟中构建联合迭代算法。结果表明,迭代收敛后火焰温度与热电偶测量值基本吻合,误差小于4%。大于10μm的飞灰颗粒与熔渣层碰撞并被黏附,颗粒沉积可简化为一次碰撞。熔渣层厚度沿筒长方向呈非均匀分布,最大厚度约为2 mm,可近似为牛顿流体的流动边界层。排渣口处熔渣温度大于黏度25 Pa·s对应的温度,能够实现稳定液态排渣。立式旋风炉捕渣率大于0.6,捕渣率分布主要受配风方式的影响。     

300MW机组直流锅炉调峰运行水冷壁安全性分析

用计算机辅助计算方法，以国产３００ＭＷ机组ＵＰ直流锅炉水冷壁为对象，在机组调峰运行过程中炉内火焰中心发生偏斜的非正常工况的热负荷分布情况下，对３００ＭＷ、２６０ＭＷ、２４０ＭＷ和２１０ＭＷ的不同机组负荷，计算水冷壁各管屏内工质的水力偏差和热偏差。并据此计算水冷壁管内工质的传热特性和管壁金属温度，以确定水冷壁发生爆管事故的条件。通过计算得出了不同机组负荷下所能允许的最大炉内火焰中心偏斜系数，为提出防止发生爆管事故的措施和机组的安全运行分析提供了根据     

基于欧拉多相流模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

以欧拉多相流模型为基础,气相采用k-ε湍流模型,固相采用基于颗粒动理学理论封闭模型,引入传热、传质、煤热解、气化过程反应模型,建立了流化床煤气化过程的三维数理模型,该模型同时考虑了稠密气固流动和相内、相间的化学反应.对直径0.22m的流化床煤气化炉不同操作参数下的气化过程进行了三维数值模拟,获得了气化炉内气化产物的组分分布、温度分布及化学反应速率变化规律.模型的计算结果与实验结果进行了比较,结果表明:数值模拟与实验吻合较好,最小相对误差仅为1%左右,最大相对误差为20%左右,平均相对误差小于14%.     

气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究

煤气化工艺中,气流床气化炉内的熔渣对耐火衬里的高温侵蚀十分严重,是影响耐火衬里寿命的重要因素。在实验室条件下建立了熔渣在气化炉内沉积过程的模拟实验装置,以石蜡作为模拟介质模拟熔渣,通过改变反应条件研究了它在双喷嘴对置式气化炉内的沉积规律。结果表明：炉内渣层达到稳定状态需要一定的时间;气体温度高、流量大或模拟介质温度高均不利于熔渣沉积;模拟介质流量对熔渣沉积的影响较小;相对于水冷,氨冷更有利于熔渣沉积。     

COREX熔融气化炉内料柱的透液性指数及影响因素

休风时对COREX熔融气化炉进行风口取样,通过对风口试样的检测分析,用压差度的倒数表示炉内气相对料柱透液性的影响,用空隙度和温度强度的乘积表示炉内的渣铁液相对料柱透液性的影响,建立了表征熔融气化炉料柱透液性的公式.对两批风口试样的研究发现,熔融气化炉内不同位置风口试样的透液性指数与相应位置的滞留铁比呈现一致的对应关系.进一步分析了透液性指数的影响因素,发现在炉况不顺时,未反应完全的酸性脉石直接落入炉缸,导致沿风口径向部分位置的渣样熔化温度高于1500℃,影响了渣铁流动性.提出了增加料层厚度、采取合理的造渣制度、控制均匀的煤气流分布等技术措施,为改善熔融气化炉内料柱的透液性提供帮助.     

1139t/h超临界切圆锅炉气固两相流动数值模拟

为研究1139t/h四角切圆燃烧锅炉炉内气固两相流动问题,采用标准k-ε模型和DPM模型数值研究3种典型负荷下炉内流动特性及固体颗粒运动轨迹.研究结果表明:在不同负荷下四角射流均能形成稳定切圆,但炉内气流偏斜严重易引起水冷壁的结渣;100%负荷下在炉膛壁面产生漩涡,颗粒对水冷壁造成冲刷;炉内合适的煤粉粒径能够保证煤粉在炉内的停留时间.研究结果对锅炉的热态燃烧调整提供理论依据.     

考虑辐射强度沿截面方向减弱的炉内传热公式

分析了以2个平行平面辐射换热公式作为蒸汽锅炉炉内火焰对四周水冷壁进行辐射传热计算的基本公式,该式是在炉膛截面各处温度相同、从炉膛中心到四周水冷壁平面不发生辐射强度任何减弱的前提下获得的,因此,计算偏差在所难免.假设炉膛为横截面积和高度与近似矩形立方体的炉膛横截面积和高度相同的当量圆柱体,以辐射强度沿射线行程变化的能量方程,推导出一维(横截面的径向)的辐射能在从炉膛中心向四周壁面传递时因火焰介质的吸收、自身辐射和散射作用造成的辐射强度的减弱,并在此基础上推导出考虑了辐射能沿截面方向从炉膛中心向四周壁面减弱后的炉内辐射传热公式.分析了所得公式的特点和适用性.所提出的公式和现有某些计算方法,对大型煤粉电站锅炉燃用含灰量不同的3种典型烟煤时分别进行了炉膛出口烟温的计算,并进行了比较,分析了这些方法存在的不足.     

利用温度梯度分析COREX熔化气化炉内区域

建立了COREX熔化气化炉热态模型;利用石蜡模拟矿石,玉米颗粒模拟焦炭,通过温度传感器对炉内气相温度进行了测定.对测得的模型内温度信息进行处理,可以获得模型内温度梯度.对熔化气化炉在高度方向的温度梯度进行分析,可大致区分炉内填充床、软熔区域、半焦床以及风口回旋区的范围.该研究方法可以比较客观地描述COREX熔化气化炉内部的各区域,以便在进一步研究中分析操作条件变化对炉内各个区域的影响.     

单侧周期性温度边界下多孔介质方腔内自然对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化的边界条件下,应用SIMPLER算法数值模拟研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N、振幅A及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:方腔左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,壁面局部传热系数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=3,此时流体相壁面的平均Nu达到最大值;存在一个最佳的方腔高宽比M/L=0!1,使得多孔介质方腔内自然对流传热效果最好,增加或减小高宽比都会在一定程度上削弱多孔介质方腔内的传热效果;相对于温度均一的边界条件,正弦波温度边界条件能够增大壁面的平均Nu数,起到强化传热的作用。     

基于FEM及KIVA的内燃机耦合部件传热建模

为了更为准确地对内燃机耦合部件三维燃烧过程进行模拟,开发了一种内燃机燃烧室耦合部件三维传热有限元法（FEM）计算程序.建立了内燃机气-固传热模型;通过将该模型应用于KIVA程序,可获取用于有限元计算的燃烧室壁面的三维瞬态燃气温度分布及对流换热系数分布.以汽油机LJ377MV为例,计算了内燃机耦合部件的稳态温度场及瞬态温度场,结果表明：壁面附近瞬态温度边界条件的不均匀性对内燃机耦合部件稳态温度分布及瞬态温度波动有着重要影响.