T e x a c o气化炉混合过程及化学反应过程中的控制因素分析
作者/来源：吴玉新，张建胜，岳光溪，吕俊复 (清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 日期： 2009-11-30 点击率：1346
摘 要： 气流床煤气化炉内的湍流流动和反应过程存在强烈耦合作用， 为确定气化炉不同区域中起主导作用的控制因素， 通过对T e x a c o 气化炉进行三维数值模拟以及对计算结果进行分析， 详细列出了气化炉中与流动、 反应相关的主要长度尺度和时间尺度． 通过对这些特征尺度进行比较， 发现在火焰区不能忽略因气体组分脉动而对焦炭异相反应产生的影响； 在非火焰区， 尽管慢反应控制气相反应过程， 但总体来说， 同相反应的时间尺度远小于宏观混合过程的时间尺度， 这说明采用快反应假定对气化炉内的化学机理进行简化能够合理预测气化炉的运行特性．
关键词： 气流床煤气化炉； 数值模拟；时间尺度 ； 长度尺度
气流床气化炉流场属于典型的高速受限射流， 且处于旺盛的湍流状态． 由于湍流的存在， 炉内混合过程被大大强化． 根据湍流理论， 湍流流动中存在一系列不同特征尺度的涡团， 大尺度涡团的行为对流场的发展和宏观混合过程起着显著作用， 湍动能从大尺度涡团逐渐向小尺度涡团输运， 并在 K o l mo g o r o v尺度涡中发生耗散． 对于湍流有反应流动问题， 不同尺度涡团对反应影响的过程也不一样． 积分尺度涡团主要通过流动过程来影响各组分浓度及温度等标量的分布； K o l m o g o r o v尺度涡具有最大的拉伸率， 在该尺度下发生分子尺度耗散， 因而直接影响反应过程．
为研究气化炉中流动与反应的耦合问题， 需要根据湍流信息讨论流动中的特征尺度， 并将这些特征尺度同反应过程中的特征尺度进行对比， 从而确定哪些物理过程在煤气化过程中起着关键作用．
叶正才等采用α—萘酚与对氨基苯碘酸重氮盐的耦合竞争串联二级反应体系对气流床气化炉冷态实验台进行研究， 同时采用κ—ε—E模型对该实验系统进行数值模拟， 详细分析了气流床气化炉内的混合过程，认为宏观混合过程在气化炉混合过程中占主导地位， 并分析了炉体高径比、 出口面积等结构参数对炉内混合过程的影响． 贺阿特、 刘向军、 C h e n等对气流床煤气化炉的数值建模研究也表明， 采用快反应假设， 即认为混合过程决定反应进程， 能够建立简单的流动一 反应模型， 并得到合理的预测结果．
事实上， 由于温度是决定反应速率的最重要因素， 在气化炉内不同温度区域中， 决定气化过程的因素并不相同． 为确定哪些因素在气化炉不同区域中起着控制作用， 需要在掌握气化炉炉内温度、 组分浓度等标量分布的基础上， 结合流动特征和反应过程进行详细分 析． 为此， 笔者在已有数值模拟结果的基础上， 根据湍流理论和化学反应模型， 详细比较了在气化炉不同区域中与流动、 反应相关的时间尺度和长度尺度，....
