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《等离子体煤气化反应器内部流动数值模拟及设计优化的初步研究①》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第3期(总第100期)煤 化 工No.3(TotalNo.100)2002年6月 CoalChemicalIndustryJun.2002等离子体煤气化反应器内部流动数值模拟①及设计优化的初步研究冀春俊 孙 晋 张英姿(大连理工大学动力工程系,大连116023) 摘 要 本文对一种等离子体煤气化反应器内部湍流、两相流动和燃烧化学反应等复杂流动现象进行了三维数值模拟,得出了其内部的温度分布、速度分布和组分浓度分布,在对计算结果进行分析的基础上,提出了等离子体煤气化反应器的一种优化设计方案,并对此方案进行了不同等离子体流速下的数值模拟和比较分析,以确定气流参数的最佳
2、匹配;数值分析结果表明:改进的设计方案和气流参数匹配提高了等离子体热源利用的效率和煤气转化的效率。关键词 三维数值模拟 等离子体反应器 湍流两相流 煤燃烧文章编号:100529598(2002)0320017205 中图分类号:TQ545 文献标识码:A[2]布和流动对等离子体的均匀性有强烈的影响,从引 言而很大程度上影响了反应器的效率。因此,本文利用流体分析软件包STAR2CD对我国有丰富的煤炭资源,但目前我国煤炭的利一种等离子体煤气化反应器的内部流动做了初步的用以直接燃烧为主,效率低、环境污染严重;为提高三维数值模拟,得出了反应器内温度分布、速度分布煤炭利用效
3、率,降低燃煤环境污染,急需发展煤的气和组分浓度分布等,在对计算结果进行分析的基础化这种“洁净转化技术”。电弧等离子体作为一种高上,提出了等离子体煤气化反应器的一种优化设计温电离气体,具有能量高度集中并且富含大量高活方案,并对此方案进行了不同等离子体流速下的数性的带电粒子等特点。利用此种等离子体作为辅助值模拟和比较分析,以确定气流参数的最佳匹配。热源进行煤气化有一系列优点:反应速度快、反应程度高、煤种适应范围广、对环境友好等。因此,等离子1 数值模型体煤气化技术可望成为一种高效、清洁的煤炭转化新技术。实现这种技术的关键部件之一就是等离子1.1 基本模型体煤气化反应器,
4、反应器设计的好坏直接决定了等本文所模拟的等离子体煤气化反应器装置简图离子体热源利用的效率和煤气转化的效率。对反应如图1所示。器进行数值模拟可以大大降低设计费用,缩短设计这个等离子体煤气化反应器内部的流动受到气周期;传统上,等离子体反应器的数值模拟集中在放2固两相流、复杂的化学反应和等离子体效应等多种电物理和等离子体产生等问题上,而忽略了气体流因素的制约,因此其流动现象十分复杂;根据反应器[1]动的相关问题,但近来大量的实验表明:气体的分实际工作情况和等离子体的物理特性,在对反应器内部流动的数值模拟中,引入如下假设:收稿日期:2002201223(1)该反应器接在直流
5、电弧等离子体发生器的作者简介:冀春俊,副教授,1962年生,1997年获得英国纽卡[3]后方,可以认为反应器中无电流通过。因而在流体素大学(UniversityofNewcastleuponTyne)博士学位。1997控制方程中无需求解电流密度方程或电位方程;动年回国后在大连理工大学动力工程系任教。自1984年以来,量方程中的Lorentz力项以及能量方程中的Joule一直工作在叶轮机流场的数值模拟和实验研究领域。近期在热与电流输运的能量项也将消失。等离子反应器内部流动数值模拟方面作了大量工作。(2)等离子体为连续的理想气体。并为光学薄等注:①本课题为国家“973”
6、重点基础科研项目。·18·煤 化 工 2002年第3期图1 等离子体煤气化反应器装置简图离子体,处于局部力学平衡状态。不必分别对电子和过程对气相中湍流反应模拟的影响;第三是有反应重粒子写出能量方程。的颗粒相自身的模拟问题;第四是湍流对颗粒反应[6](3)反应器内部的流动为定常流。相应地,控制的影响,把化学反应模型主要分为煤挥发的模拟、方程也都不是时间相关的。气相挥发物同相燃烧的模拟和固态碳粒子异相氧化[5]通常情况下,这些假设与真实情况相差很小,不的模拟三部分。会引起大的计算误差。在这些假设条件下,等离子体1.2 网格划分以及边界条件和初始参
7、数的设置物性对流场的影响不大,可先把等离子体和载气流整体计算域和边界的设置如图2所示;其网格处理为同一种气体,对流场进行初步模拟,得到大致划分见图3。网格根据计算的需要采用六面体网格,的温度、速度、组分浓度的分布。在进一步的研究工并使用了网格局部细化技术,在预想的主反应区域作中再加入等离子体效应的影响。使用加密的网络,从而使三维模拟既有较高的计算经过以上简化,可建立以下数值模型。精度,又有较高的计算效率。1.1.1 气相模型 由于煤粉、空气混合气从等离子体流的径向喷入,使反应器内部流动具有三维流动特点,因此必须使用三维流体控制方程进行模拟,建立三维模型。对于湍流
