低阶煤在离心双涡流反应器中的流动与传热过程

离心双涡流(CDV)反应器是内置离心力场与双涡流气旋的新型下行床反应器,契合低阶煤快速热解反应特性,但仍需理解其关键传热机制为传热速率调控提供参考。基于大涡模拟和MP-PIC(multiphase particle-in-cell)模型,研究载热颗粒为热源的CDV低阶煤热解器中气固相温度的时空分布特性。结果表明:煤颗粒升温速率可达700 K/s,满足快速热解需要,相比传统下行床,由离心力场在近壁区产生的局部高固含率可在较低的载热颗粒流量下将煤颗粒下行过程中的升温梯度提高到300 K/m以上;除了固含率,气旋长度对传热效果影响显著,相比顶部排气结构,底部排气结构的气旋长度更大,煤颗粒终温更高;底部排气结构的另一个优势在于中心区域气流温度显著低于边壁气流温度,在近壁高温区释放的初级热解产物受向心气流裹挟汇入中心低温区,由于初级热解产物二次反应的程度与其升温速率相关,中心区域的低温环境有利于抑制初级热解产物的二次反应,从而获得更高的焦油收率,且焦油含尘量也较低。

离心双涡流快速热解器的场流机制及协同强化传热

下行床是热解工艺的良好载体,但固含率低制约了传热速率的提高。对此,提出离心双涡流快速热解器(CDVFP)的构想予以解决。采用计算流体力学耦合离散单元法(CFD-DEM)研究CDVFP中气固两相的时空特征和传热过程。结果表明:离心力“场”对双涡“流”的削弱造成气固动量交换规律的逆转。气旋尾端以上,气流结构接近兰金涡,气流向颗粒传递动量;气旋尾端以下,气速低于颗粒速度,动量传递方向逆转。“场”将颗粒聚集在器壁,“流”减缓了颗粒下行速度,局部固含率得以提升。虽然CDVFP中二元颗粒混合的均匀性低于传统下行床,但传热速率更高且热损耗少,设备高度可因此削减约3/4.离心力场与双涡流的协同作用强化了下行床中二元颗粒间的传热。