T e x a c o氣化爐混合過程及化學(xué)反應(yīng)過程中的控制因素分析
作者/來源：吳玉新，張建勝，岳光溪，呂俊復(fù) (清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 日期： 2009-11-30 點(diǎn)擊率：1360
摘 要： 氣流床煤氣化爐內(nèi)的湍流流動(dòng)和反應(yīng)過程存在強(qiáng)烈耦合作用， 為確定氣化爐不同區(qū)域中起主導(dǎo)作用的控制因素， 通過對(duì)T e x a c o 氣化爐進(jìn)行三維數(shù)值模擬以及對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析， 詳細(xì)列出了氣化爐中與流動(dòng)、 反應(yīng)相關(guān)的主要長度尺度和時(shí)間尺度． 通過對(duì)這些特征尺度進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)在火焰區(qū)不能忽略因氣體組分脈動(dòng)而對(duì)焦炭異相反應(yīng)產(chǎn)生的影響； 在非火焰區(qū)， 盡管慢反應(yīng)控制氣相反應(yīng)過程， 但總體來說， 同相反應(yīng)的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于宏觀混合過程的時(shí)間尺度， 這說明采用快反應(yīng)假定對(duì)氣化爐內(nèi)的化學(xué)機(jī)理進(jìn)行簡化能夠合理預(yù)測(cè)氣化爐的運(yùn)行特性．
關(guān)鍵詞： 氣流床煤氣化爐； 數(shù)值模擬；時(shí)間尺度 ； 長度尺度
氣流床氣化爐流場(chǎng)屬于典型的高速受限射流， 且處于旺盛的湍流狀態(tài)． 由于湍流的存在， 爐內(nèi)混合過程被大大強(qiáng)化． 根據(jù)湍流理論， 湍流流動(dòng)中存在一系列不同特征尺度的渦團(tuán)， 大尺度渦團(tuán)的行為對(duì)流場(chǎng)的發(fā)展和宏觀混合過程起著顯著作用， 湍動(dòng)能從大尺度渦團(tuán)逐漸向小尺度渦團(tuán)輸運(yùn)， 并在 K o l mo g o r o v尺度渦中發(fā)生耗散． 對(duì)于湍流有反應(yīng)流動(dòng)問題， 不同尺度渦團(tuán)對(duì)反應(yīng)影響的過程也不一樣． 積分尺度渦團(tuán)主要通過流動(dòng)過程來影響各組分濃度及溫度等標(biāo)量的分布； K o l m o g o r o v尺度渦具有最大的拉伸率， 在該尺度下發(fā)生分子尺度耗散， 因而直接影響反應(yīng)過程．
為研究氣化爐中流動(dòng)與反應(yīng)的耦合問題， 需要根據(jù)湍流信息討論流動(dòng)中的特征尺度， 并將這些特征尺度同反應(yīng)過程中的特征尺度進(jìn)行對(duì)比， 從而確定哪些物理過程在煤氣化過程中起著關(guān)鍵作用．
葉正才等采用α—萘酚與對(duì)氨基苯碘酸重氮鹽的耦合競(jìng)爭(zhēng)串聯(lián)二級(jí)反應(yīng)體系對(duì)氣流床氣化爐冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究， 同時(shí)采用κ—ε—E模型對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬， 詳細(xì)分析了氣流床氣化爐內(nèi)的混合過程，認(rèn)為宏觀混合過程在氣化爐混合過程中占主導(dǎo)地位， 并分析了爐體高徑比、 出口面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)爐內(nèi)混合過程的影響． 賀阿特、 劉向軍、 C h e n等對(duì)氣流床煤氣化爐的數(shù)值建模研究也表明， 采用快反應(yīng)假設(shè)， 即認(rèn)為混合過程決定反應(yīng)進(jìn)程， 能夠建立簡單的流動(dòng)一 反應(yīng)模型， 并得到合理的預(yù)測(cè)結(jié)果．
事實(shí)上， 由于溫度是決定反應(yīng)速率的最重要因素， 在氣化爐內(nèi)不同溫度區(qū)域中， 決定氣化過程的因素并不相同． 為確定哪些因素在氣化爐不同區(qū)域中起著控制作用， 需要在掌握氣化爐爐內(nèi)溫度、 組分濃度等標(biāo)量分布的基礎(chǔ)上， 結(jié)合流動(dòng)特征和反應(yīng)過程進(jìn)行詳細(xì)分 析． 為此， 筆者在已有數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上， 根據(jù)湍流理論和化學(xué)反應(yīng)模型， 詳細(xì)比較了在氣化爐不同區(qū)域中與流動(dòng)、 反應(yīng)相關(guān)的時(shí)間尺度和長度尺度，....
