超临界水中煤气化关键设备的数值模拟研究

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1、天津大学硕士学位论文超临界水中煤气化关键设备的数值模拟研究Numericalmodelingofkeyequipmentforcoalgasificationinsupercriticalwater学科专业：化学工程研究生：王宏那指导教师：张金利教授天津大学化工学院2014年6月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表

2、示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要随着全球能源危机逐渐加重，石油和煤炭等一次能源的直接利用而导致的环境恶化问题日益凸显。因此，采用高效的利用手段对煤炭资源进行二次转化生产清洁能源已经成为亟待解决的重大问题

3、。近些年来，作为一种比较高效的煤炭资源的清洁利用途径，在超临界水环境下进行低温催化煤气化制造清洁能源（氢气和天然气）引起了国内外大量学者的关注和研究。超临界水煤气化的关键设备涉及多相体系的流动、换热和反应，存在颗粒沉积和设备磨蚀等问题。本文应用计算流体力学（CFD）模拟方法建立了超临界水煤气化关键设备模型，探究了设备中颗粒的沉积状况，模拟了反应器中温度场以及换热器中相变过程。首先，建立了超临界水和煤颗粒固体两相体系在超临界水煤气化水平盘管中的三维瞬态CFD模型，利用IAPWS物性数据库对超临界水的物性进行计算，通过对比不同水煤比和温度下的实验和模拟得出的压降值验证了该模型的可靠性

4、，分析了盘管中的流动状况。研究表明，温度是影响压降的主要因素，压降随温度和管壁粗糙度的增加而增大。弯管段的外侧和底部腐蚀较为严重。对竖直放置弯管中颗粒沉积的数值模拟表明，不同粒径颗粒的输送类型不同，并给出了颗粒积累量随时间的变化。采用同样方法对竖直放置的超临界水煤气化管壳式换热器的管箱中的沉积状况进行了模拟，并根据沉积状况对其结构进行了优化。研究表明，立式换热器管箱垂直进料优于侧边进料和倾斜进料，合适的管箱高度可以减少颗粒的沉积。其次，建立了超临界水煤气化反应器模型，对反应器中乙醇氧化提供煤气化反应点火的高温区和反应器的预热进行了模拟，给出了不同乙醇进料条件下的高温区的大小以及预

5、热炉内温度。同时给出了最佳的乙醇进料量，为煤气化点火高温区的实现和保证反应器实现自供热平衡提供了借鉴。最后，建立了包括管程和壳程同时流动和换热的三维管壳式换热器模型，模拟了在不同超临界水流量条件下换热器壳程和管程的压力分布、温度场和传热系数，给出了超临界水相变的位置。结果表明，随着壳程流量增大，壳程压降和传热系数随之增大；增大挡板间距对强化传热效果不明显；辐射传热的影响不可忽略。关键词：超临界水；煤气化；数值模拟万方数据ABSTRACTWiththeaggregationoftheglobalenergycrisis,thedirectuseofprimaryenergy,inc

6、ludingoilandcoalresourcescausestheenviromentdegradationincreasingseriously.Therefore,itisurgenttousehighlyefficientprocesstotransformthecoalresourcesintocleanenergy.Inrecentyears,thetechniqueofcoalgasificationinsupercriticalwater(SCW)hasdrawnmuchattentionasaneffectivemethodtoconvertcoalintocl

7、eanfuelgas,suchasCH4,H2.SCWcoalgasificationprocesswouldbeinvolvedinmultiphaseflow,heattransferandreaction.Theparticledepositionandtubewearproblemswouldbeaninevitableproblem.Inordertoalleviatethoseproblems,CFDsimulationshavebeenadoptedtostudyt