煤炭的气化技术已经成为煤炭开发和利用方式转变的重要措施，煤气化技术目前主要应用于联合循环发电技术(IGCC)电站和煤基化工领域。德士古气化炉作为成熟气化炉装置的代表，被我国多数企业采购用于工业生产，为了改进和提高气化过程，详细的数值模拟必不可少。

Choi等[1]针对气流床气化炉的操作参数，分析了其对气化结果的影响；于海龙等[2]针对水煤浆浓度这一操作参数，利用二维几何模型研究了其对水煤浆气化结果的影响；Watanabe等[3]针对氧煤比这一操作参数，研究了其对合成气组分、碳转化率及冷煤气效率造成的影响；吴玉新等[4]采用简化的PDF模型模拟德士古气化炉气化过程；Chui等[5]采用简化后的4步反应机制模拟均相反应；Ajilkumar等[6]研究了压力对气化过程的影响；Andrew Slezak等[7]验证了DPM模型在追踪粒子时的精确性；Silaen 等[8]比较了Standard k-ε、RNG k-ε等湍流模型对两段式气流床气化炉气化过程的影响，结果显示Standard k-ε计算速度更快；文献[9]针对欧拉-拉格朗日方程研究其对气化过程的影响；Luan等[10]采用Finite Rate/Eddy-Dissipation模型求解气相湍流化学反应；陈金花等[11]就中心氧配比(中心氧占氧气总量的体积分数)这一参数对气化炉冷态流场的影响进行了分析。杨俊宇等[12]以反应动力学模型和流场简化模型为基础建立了流场简化模型，计算量大大降低，得出了最佳的氧煤比。

以往的气化炉几何简化模型一般以简单的二维矩形为主，忽视了喷嘴和球封头对气化炉流场的影响，并且多数采用简化PDF模型，对焦炭与CO2 、H2O 等物质发生的焦炭异相反应难以模拟，因而不能很好地反映气化炉内部组分分布的情况。本文在气化炉反应过程全局分析中，采用Finite Rate/Eddly-Dissipation模型结合离散相模型，不断验证和经验选取动力学参数，相比非预混的概率密度函数法，计算结果更加准确和真实。氧煤比和水煤浆浓度是影响气化结果的主要参数。很多文献已经给出了氧煤比对于气化结果的影响规律。但对于水煤浆影响气化结果的研究，忽视了煤浆流量、氧气流量和水煤浆浓度之间的耦合关系，单纯改变水煤浆浓度，必然会引起氧煤比的变化，从而不能有效分析出煤浆浓度对于气化结果的影响。目前的研究主要是针对中心氧配比对气化炉内冷态流场的影响，对气化结果产生影响的报道很少。本文以德士古气化炉为模拟对象，具体分析了煤浆流量、氧气流量和水煤浆浓度三者对于气化结果的影响，并且数值模拟出中心氧配比对于气化结果的影响，为保证生产的安全性、高效性提供了参考。

1 物理模型

1.1 数值模拟对象的描述

本文研究对象为日负荷500 t原煤的德士古水煤浆气化炉，气化剂为纯氧，气化炉出口温度范围为 1 150～1 380 ℃。表1给出了气化炉的某一特定操作条件[13]。

 

表1 气化炉操作条件Table 1 Operating condition of the gasifier

  

Gasificationpressure/MPaCoalslurryflow/(m3·h-1)w(Coalslurry)/%Coalslurrydensity/(kg·m-3)Oxygenflow/(m3·h-1)φ(Oxygen)/%4．028．8601185．61461999．9

使用Gambit软件对气化炉进行建模，为了更加合理地反映气化炉内部参数场分布情况，引入喷嘴结构和球封头结构。德士古水煤浆气化炉为轴对称结构，因此选择了二维轴对称计算网格，气化炉几何尺寸如图1所示，炉膛高度 4 800 mm，炉膛直径 1 676 mm，球封头直径 1 846 mm，出口直径840 mm。

该气化炉使用三通道雾化喷嘴，氧化剂通过外环通道和中心通道进入气化炉，外环通道的氧气称为主氧，中心管通道的氧气称为中心氧。水煤浆从内环通道流出后，先与中心氧在烧嘴口前预先混合，在喷嘴口处被高速的主氧气流冲击、混合从而达到剪切雾化的效果。图2示出了三通道雾化喷嘴的几何形状[11]，表2给出了喷嘴的几何尺寸，其中，Dc为中心喷嘴直径，Di,in、Di,out分别为环隙喷嘴的内、外径，Do,in、Do,out分别为外环喷嘴的内、外径。

  

图1 气化炉几何尺寸Fig.1 Geometry of the gasifier

  

图2 三通道雾化喷嘴几何形状Fig.2 Geometric shape of three-channel atomizing nozzles

 

表2 三通道喷嘴几何尺寸Table 2 Geometric dimension of three-channel nozzles

  

PositionDc/mmDi，in/mmDi，out/mmDo，in/mmDo，out/mmInlet156200500544794Outlet100185185208272

1.2 水煤浆

气化炉实际生产中使用神府煤作为原料，煤的工业分析与元素分析如表3所示。在离散相模型中水煤浆采用group射流源，颗粒直径分布满足Rosin-Rammler[14]分布，平均粒径为100 μm，范围为 50～140 μm，燃烧粒子的气化温度为773 K。

 

表3 神府煤工业分析与元素分析Table 3 Proximate and ultimate analysis of Shenfu coal

  

w1)/%FCdVdAdw2)/%CdHdOdNdSdAd58．933．97．274．565．3111．480．990．467．2

1) Proximate analysis; 2) Ultimate analysis; d—Dry basis; FC—Fixed carbon; V—Volatile matter; A—Ash

2 数学模型

2.1 连续性方程与动量方程

连续性方程与动量方程如下：

 

(1)

 

(2)

基于以上结论，得到以下几点政策建议：一，加大对农民培训力度，提高农户文化水平及技术素质，适应市场变化，促进土地流转。二，政策在宣传推进过程中要尊重农民，保障农民的各项权益。三，大力发展第二三产业，增强其吸收农村剩余劳动力能力，鼓励农民创业或进城务工，提高农民收入。

式中:αmir=-ln(R1R2)/(2L)是腔镜有效损耗因子,αcav是腔内总损耗因子。阈值与总损耗的关系是:在其他条件不变的情况下,阈值随总的损耗的增加而增加。当铒纤的增益等于腔内的总损耗的时候,就会有激光激射出来,激光波长等于布拉格光纤光栅的反射波长。当外界的温度发生变化时,经过涂覆的温度敏感性光纤光栅的中心波长发生变化,导致激光激射波长发生变化,这种变化会经过传输光纤到达信号探测系统。

2.2 湍流模型和辐射模型

选择了具有使用范围广、收敛性和精确性都符合工程计算的Standard k-ε模型。气化炉内的光学厚度aL>1，其中L为计算域长度，a为吸收系数。为了节省计算量，选择较为简单的P-1辐射模型计算炉内的辐射传热。

2.3 挥发分析出模型

水煤浆制备中使用的神府煤属于烟煤的一种，因此选择了适应性较广的双竞争模型[15]，该模型的两个相互竞争的一级反应的速率如下:

Ri=Aie-(Ei/RTp)， 1≤i≤2

(3)

式中：Ai表示指前因子；Ei表示反应活化能；R为摩尔气体常数；Tp表示颗粒温度，K。

总的挥发分析出质量关系式可以表示为

 

 

(4)

为防止过衰减信号造成不良的影响,通常将对信号的最大衰减限制在某一值Gfloor,可取Gfloor=-20 dB,这样增益函数修正为:

2.4 表面反应模型

采用未反应核缩芯模型来模拟颗粒表面的化学反应，其化学反应速率公式如下:

 

表4 双竞争模型参数设置Table 4 Parameter setting of double competition

  

ReactionA/[kg·(m2·s-1·Pa-N)-1]E/(J·kmol-1)α/%13．7×1057．4×1040．3821．46×10132．5×1050．8

 

(5)

式中：N为反应级数;Rj,r为单位面积颗粒表面j组分在r反应中的消耗速率，kg/(m2·s)；Rkin,r为反应r的本征化学反应速率，kg·m2/(PaN·s)；Ar与Er为反应r的指前因子和活化能;βr为反应r的温度指数；D0,r为气相反应物扩散速率，kg·m2/(Pa·s)；T∞为气相温度；dp为颗粒直径；pn为气相反应物的分压，气体扩散控制常数C1,r=5×10-12s·K-0.75。在气化炉内部，热解后的焦炭与O2、CO2，H2O和H2发生非均相化学反应。由于焦炭与H2的化学反应速率较小，故只考虑了焦炭与氧气、CO2和H2O的非均相反应。表5所示为非均相反应动力学常数。

(6)

 

(7)

Rkin,r=ArTβre-(Er/RTp)

 

表5 非均相反应动力学常数Table 5 Kinetics data for the heterogeneous reactions

  

ReactionA/[kg·(m2·s-1·Pa-N)-1]E/(J·kmol-1)C+O231．3×108C+CO22．21．6×108C+H2O31×108

2.5 均相反应

选择有限速率模型/涡耗散模型 [10] 模拟气化炉内的气相反应，均相反应的化学动力学常数如表6所示。

 

表6 均相反应动力学常数Table 6 Kinetics data for the homogeneous reactions

  

ReactionA/[kg·(m2·s-1·Pa-N)-1]E/(J·kmol-1)CO+O23．5×10101．9×108H2+O22．5×10141．9×108

2.6 边界条件与计算方法

出口延长段边界条件简化为等温条件，壁温为 1 500 K。计算过程如下：先计算冷态流场，待计算数据收敛后，激活反应方程和离散相模型，然后开始计算热态流场。计算过程依次采用一阶迎风和二阶迎风格式，基于微元中心有限容积法离散连续相控制方程，通过SIMPLE算法求解压力速度耦合。根据出口、入口质量差小于入口质量的千分之一和控制方程峰值残差小于千分之一作为判断计算结果收敛的条件。

3 数值模拟与仿真

3.1 模型验证

德士古气化炉属于高温高压反应器，目前的技术水平还不能对其内部的热态流场进行有效的测量，能检测到的指标主要有气化炉出口的碳转化率(CC)、气体成分组成和温度。表7给出了气化炉的工业数据和模型预测数据。从表7可以看出，预测数据(PD)与工业测量数据(ID)基本吻合，该模型可以运用于德士古气化炉的热态流场模拟。

[1] CHOI Y C, Li X Y, PARK T J, et al. Numerical study on the coal gasification characteristics in an entrained flow coal gasifier[J]. Fuel, 2001, 80(15): 2193-2201.

 

表7 工业数据与模拟数据的比较Table 7 Measurement data and CFD simulation data

  

Typeφ/%COCO2H2H2OT/KCarbonconversion/%ID 33．7814．0226．2424．12154897．5PD 34．8215．3625．7622．01549．597．6

ID—Industry data; PD—Predict data

  

图3 气化炉内温度等高线Fig.3 Contour graph of temperature in gasifier

气化炉内存在射流区、回流区和管流区[16]，图3示出了气化炉内的温度等高线。从图3可以看出，气化炉喷嘴出口附近温度偏高，管流区温度分布比较均匀(也是最低温度处)。从喷嘴处喷出的煤粉颗粒，受到中心氧气流的冲击和主氧气流的剪切作用，达到雾化状态。由于中心轴线处氧气相对充足，煤粉颗粒及其挥发分发生燃烧反应，释放大量热量，因而这一区域温度偏高。图4示出了气化炉内主要气体浓度分布。从图4(a)到图4(e)可以看出，当气化炉内存在的氧气耗尽时，燃烧过程结束，吸热的焦炭气化反应逐渐占据主导地位，因而温度逐渐下降，特别是焦炭与H2O的吸热反应很剧烈。在气化炉顶部，挥发分在析出的同时裂解CH4、CO、H2等可燃组分，并快速燃烧产生CO2和H2O，球封头部位CO和H2的含量较低，H2O和CO2的含量较高。可燃组分的燃烧反应消耗了大部分的氧气后，气化炉内温度升高，此时焦炭的非均相反应占据主导地位，影响出口合成气中的组成。

在党培养的40多年里，他始终以一个共产党员的标准严格要求自己，按照党纪规定，规范自己的行为，专业地面对工作，才有了今天的成就，得到了上级党委的肯定和好评。

  

图4 气化炉内主要气体浓度分布图Fig.4 Contour graphs of major gas distribution in gasifier

3.2 喷嘴通道氧气分配对气化过程的影响

中心管道和外环管道氧气量占氧气总量的比例是影响气化炉内流场分布的重要参数[17]，受制于喷嘴的工艺水平，中心氧气占总氧气的体积分数为14%～20%，环隙主氧气占总氧气的体积分数为80%～86%。本文分别对中心氧体积分数为14%、16%、18%、20%的情况进行仿真，得到在上述条件下气化炉出口温度、碳转化率、合成气组成的模拟数据(图5)。如图5所示，随着中心氧体积分数增加，中心管中氧气流速变大，射流射入炉体剪切、雾化时间缩短，炉体下部氧气含量增加，燃烧反应加剧，气化炉出口温度逐渐升高，产生的CO2与H2O占合成气的比例增加。由于中心氧含量增加，外环管道氧气流速减小，削弱了对水煤浆的雾化作用，上部氧气含量降低，降低了燃烧反应的程度，从而降低了水煤浆的碳转化率。从气化炉反应的全局来看，氧气含量并没有变化。图6示出了中心氧体积分数对气化炉出口气体组分的影响。从图6可以看出，中心氧体积分数对出口气体含量的影响很小。

  

图5 中心氧体积分数对温度和碳转化率的影响Fig.5 Effect of the center oxygen ratio on temperature and carbon conversion

3.3 水煤浆浓度对气化过程的影响

水煤浆浓度(煤浆质量分数，全文同)的变化需要具体考察煤浆流量、氧气流量、煤浆浓度相互间的耦合关系对气化过程的影响。煤浆浓度目前仍然受制于煤浆制备设施和煤浆黏度的限制[18]，煤浆浓度的提高会影响水煤浆的流动性。目前工业生产采用的水煤浆浓度在54%～65%，本文气化炉工作运行中水煤浆浓度为60%，考虑到安全性与操作性，对浓度为56%、58%、60%、62%、64%的水煤浆进行了气化过程的数值模拟。

由图5可以看出，3种氧化剂都具有良好的除硫效果，随着氧化剂浓度的增加，除硫率明显增大，当氧化剂浓度达到一定程度后除硫率不再变化，说明氧化剂氧化效果基本饱和。3种氧化剂的氧化效果为:Cl O2＞NaClO＞H 2 O2。因此，优选ClO2作为水处理工艺的添加剂，使用质量浓度为50 mg/L，在此质量浓度下除硫率可达到95%。

(Ⅰ) 固定煤浆流量和氧气流量不变

图7所示为情况(Ⅰ)下煤浆浓度对温度和碳转化率的影响。从图7可以看出，随着煤浆浓度的增加，进入气化炉的干煤流量增加，提高了焦炭与CO2和H2O的非均相反应程度，由于这两个非均相反应属于吸热反应，降低了气化炉内的温度，氧煤比(进料氧气与进料干煤质量流率的比值)降低，反应速率下降，碳转化率降低。图8所示为情况(Ⅰ)下煤浆浓度对出口合成气组成的影响。从图8中可以看出，因为两个吸热的非均相反应程度增强，出口的CO与H2的含量上升，干煤气中的有效气(CO与H2)收率升高，H2O和CO2的含量下降。

  

图6 中心氧体积分数对出口气体组分的影响Fig.6 Effect of the center oxygen ratio on product gas compositions

  

图7 情况(Ⅰ)下煤浆浓度对温度和碳转化率的影响Fig.7 Effect of mass fraction of coal slurry on temperature and carbon conversion rate for case (Ⅰ)

  

图8 情况(Ⅰ)下煤浆浓度对出口合成气组成的影响Fig.8 Effect of mass fraction of coal slurry on product gas compositions for case (Ⅰ)

(Ⅱ) 固定煤浆流量不变，氧煤比不变

式中：t表示时间；mv(t)表示挥发分析出的质量;αi表示产率因子;mp,0表示煤颗粒初始质量;ma和fw,0表示煤颗粒中的灰分质量和水的质量分数。该模型参数设置如表4所示。

保持氧煤比不变，随着煤浆浓度增加，煤的质量分数上升，水的质量分数下降，进入气化炉的水含量减少，水分蒸发所消耗的热量也会减少。如图9所示，气化炉内温度上升，碳转化率上升，反应速率加快。图10示出了情况(Ⅱ)下煤浆浓度对出口合成气组成的影响。从图10可以看出，合成气中CO2、CO、H2的含量上升，H2O的含量下降，干煤气中的有效合成气产率基本不变。

  

图9 情况(Ⅱ)下煤浆浓度对温度和碳转化率的影响Fig.9 Effect of mass fraction of coal slurry on temperature and carbon conversion rate for case (Ⅱ)

  

图10 情况(Ⅱ)下煤浆浓度对出口合成气组成的影响Fig.10 Effect of mass fraction of coal slurry on product gas compositions for case (Ⅱ)

[3] WATANABE H, OTAKA M. Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier[J]. Fuel, 2006, 85(12): 1935-1943.

在氧气流量保持不变，氧煤比保持不变的情况下，增加煤浆浓度，会降低煤浆流量，降低煤浆中的水分的含量，因此进入气化炉中的水分减少，水分蒸发所消耗的热量较少，如图11所示，气化炉出口温度升高。从图11还可看出，氧气流量不变，氧煤比不变，气化炉内的燃烧反应和非均相反应的速率基本相同，碳转化率在98.0%附近波动。图12示出了情况(Ⅲ)下煤浆浓度对出口合成气的影响。从图12中可以看出，气化炉出口处的CO、H2、CO2的含量增加，有效合成气的产率基本不变。

贾宝玉说：“女人是水做的骨肉，男人是泥做的骨肉。我见了女人便清爽，见了男人便觉浊臭逼人。”由此看来，女人的清爽、清澈、清丽是足以教众多男人倾倒的。女人似水，拥有水的温柔、清亮、流畅、体贴。但女人也像水一样多变，随圆即圆，随方即方，化作坚冰，便冷硬如铁；一旦沸腾，便可将人烫伤。恰到好处时，给人以滋润；狂躁愤怒时，可以将人湮灭。

  

图11 情况(Ⅲ)下煤浆浓度对温度和碳转化率影响Fig.11 Effect of mass fraction of coal slurry on temperature and carbon conversion rate for case (Ⅲ)

  

图12 情况(Ⅲ)下煤浆浓度对出口合成气的影响Fig.12 Effect of mass fraction of coal slurry on product gas compositions for case (Ⅲ)

4 结 论

气化炉出口处有效气产率的提高，可以降低后期对非有效气如H2O、CO2的脱除费用。在工业生产中，为了安全，一般要求出口温度高于灰熔点 50 ℃ 左右。提高中心管通道的氧气含量，气化炉出口温度升高，但碳转化率降低，可以通过调节中心管道氧气含量来获得合适的出口温度和碳转化率，保证生产的安全性与效益。改变水煤浆浓度，固定煤浆流量和氧气流量不变，提高煤浆浓度，可以提高出口气中的有效气含量，但是会降低出口温度和碳转化率，在碳转化率许可情况下，可以通过提高中心管通道氧气浓度来提升出口温度。固定氧煤比不变，固定煤浆流量不变或者固定氧气流量不变，出口有效合成气产率基本保持不变，碳转化率变化幅度也不大，在气化炉出口温度较低的情况下，可以通过增加水煤浆浓度来提升气化炉出口温度。

参考文献：

再见老胡是2015年9月初，我在上海图书馆目录大厅见得一颇有规模的展览——“文化抗战：民族危机之中的中国话剧人”，其中照片、资料之丰富足以让我确证办展人一定是上戏图书馆、一定是老胡他们。四周望去，果然在展览一角看到老胡正向读者讲解。打听得知他们不忍如此专业而精彩之照片等深居库房、散见于各收藏机构，便广征博览，竭力搜罗，以展览形式先期布告，教育大众，并计划逐步积累形成著作。

对于相邻双侧边盖驱动方腔流动, 在Reynolds数小于1 000的范围内, 还可以找到两对线性不稳定行波模态, 每一对模态在不同Reynolds数下的线性时间增长率曲线在图6(a)和图7(a)中给出.

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(Ⅲ) 固定氧气流量不变，氧煤比不变

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式中:ρ表示流体密度;u表示流体速度;f为质量力;pd为动压力;μ为黏性系数。

选取一、二期沥青心墙接头高程4 046 m处为典型剖面进行应力应变计算，计算剖面桩号0+661.45 m。

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对此，我是不敢苟同的。有次，我实在没忍住，跟她分享了自己的想法：“你总觉得自己是个姑娘，所以不该为生活奔波，理应坐享其成。可是生活从来不会因为你是姑娘就会对你格外开恩。”

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一般用户:语料检索；语料库管理员:语料库信息资料的实时更新，根据用户需求进行语料检索；系统管理员:主要任务包括对语料库信息资源的备份，语料库信息资料的实时更新，根据用户需求进行语料检索，新用户的创建等。

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在该平台下，为了完成对综合传动装置的虚拟装配以及准确真实的实时动力学仿真，需要建立包含多种信息，如零件几何信息、拓扑信息、层次结构信息、装配约束信息、基本物理属性信息、工程设计信息等的实时动力学仿真模型。这些信息通过Pro/E软件的二次开发，集成SQLite数据库来完成存储和信息的传递。

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