气体射流对气固流动与反应过程影响的数值模拟

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循环流化床锅炉和煤气化炉是实现我国煤炭清洁利用和转化,平衡我国能源结构以煤为主的问题的重要工业设备。改变以往粗放型的能源利用方式,改善这些装置中煤的燃烧效率,减少污染物的排放将是现阶段的发展中显得尤其重要。要实现这一目的,必须深入了解煤颗粒在反应器内与气体的相互作用,适当创新在现有设备基础上改变结构来改善反应器内气固两相的流场,强化相间混合与传热,提高反应效率。射流在工程实际有着广泛应用,高速气流通入炉内能迅速增强湍动能加强局部的气固混合,对整体流场亦有很大的影响。因此本文分别模拟了添加水平射流和垂直射流的流化床内的整体气固流场,并分析了射流对气固流场形成的影响。其次模拟了对置射流的煤气化炉内的气固流场,所不同的是本文中的煤气化炉的对置射流入口的速度随时间呈正弦规律变化,左右喷口射流速度相差180度相位角,本文称之为对置振荡射流。并分析了在对置振荡射流下反应器内颗粒浓度分布、气固速度等流场细节。本文的模拟选用Ansys Fluent商业软件,用欧拉-欧拉方法描述气固流动,湍流模型选用k-ε模型,对水平射流流化床,垂直射流流化床和对置振荡射流气化炉进行了三维瞬时模拟,得到了它们的气固流场,并且在水平射流流化床冷态模拟基础上,增加反应模型模拟碳颗粒与空气进行反应。由模拟结果可知,水平射流流化床中,射流的加入使得固体颗粒在流化床内流动呈顺时针漩涡流动,且射流速度越大,颗粒流动漩涡个数越少规模越大,相对的炉内颗粒分布越集中。垂直射流流化床中,垂直射流的使得炉内颗粒流化程度增强,流化床中间形成一条气流通道,通道宽度随射流速度增大而变大。在对置振荡射流气化炉内,速度相位相差180°的对置振荡射流可以使炉内的高浓度颗粒聚集区和气流滞止点以一定幅度振荡,且颗粒聚集区的振荡幅度略大于气流滞止点,且二者的幅度均随速度的频率增加而减小。
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