摘要
在用固体热载体为煤热解反应提供热量的“煤拔头”工艺反应单元中，颗粒的流动、混合与传热过程关系到煤的热解反应温度，进而影响到煤热解产物的产率分布。而反应器的类型和构造将直接影响到颗粒在其内部的运动和传热，因此本文应用离散单元法(DEM)模拟了热解反应器中颗粒的混合与传热行为，并改进反应器内部的结构设计，找到提高煤热解过程快速混合、快速升温的方法，并给实际的“煤拔头”工艺提供有效的操作参数，为工艺放大提供指导。 从模拟方法的角度出发，全文从颗粒流体的离散单元法模型的建立、模型的验证和模型的应用三个方面加以论述。 关于颗粒流体的离散单元法模型的建立，论文在第二章阐述了离散单元法的基本原理，并综述了颗粒单元的接触力学模型和传热学模型。在第三章中，论文以颗粒流体三维DEM计算程序开发过程为主线，对开发过程的各个步骤进行了详述。本文应用空间网格和颗粒之间的关联，给出了颗粒碰撞搜索的一套解决方案，也是模型建立与开发过程的一个创新。 论文紧接着对开发的离散单元法模型和颗粒流体三维DEM计算程序进行验证。首先通过颗粒物料从料仓中的卸载过程，来验证计算程序及其力学模型和运动学模型运用的正确性。论文还对照了颗粒物料在高温回转煅烧炉中的升温过程，来验证计算程序及其热力学模型和传热学模型运用的正确性。除此之外，论文还根据颗粒手册提供的数据，对“煤拔头”工艺中所用的煤颗粒和石英砂颗粒的一些力学性质进行了标定以便使用。 在离散单元法模型的应用这一部分，论文用第四章和第五章对下行床内构件影响煤和石英砂的混合与传热进行了研究。本文设计的内构件有两种类型:管排组和挡板组。经模拟计算，同一煤灰比的操作条件下，尽管管排式下行床出口处煤颗粒的热解温度略高于挡板式下行床出口处的，约22～57℃（和煤灰比有关），但是由于颗粒物料在挡板式下行床中的混合程度要好于在管排式下行床中的，挡板式下行床中的煤颗粒的平均升温速率(570℃·sec-1)大于管排式下行床中的(242℃·sec-1)，而煤颗粒在挡板式下行床中的平均停留时间(0.859sec)远小于在管排式下行床中的平均停留时间(2.122sec)。因此，根据下行床“煤拔头”工艺中快速加热的要求，挡板式下行床比管排式下行床好。 进而论文还对挡板组内构件的设计做了进一步优化，考察了挡板内构件的长度、阻碍角度和数量对颗粒物料混合效果和热解温度的影响。模拟计算结果表明:阻碍角度为30°，挡板数量为4时，煤颗粒在下行床中的平均升温速率最高，有利于煤颗粒的快速热解过程。 基于“煤拔头”工艺螺旋热解反应器的研究，论文第六章应用DEM模拟了颗粒物料在螺旋输送器中输运过程，并引入了输送效率的概念。输送效率不仅可以反映螺旋输送功能的发挥程度还可以间接衡量螺旋槽之间颗粒物料的返混情况，并借助非理想反应器理论中无量纲停留时间分布散度的概念来评价螺旋输送器主体中颗粒物料的返混情况。两种衡量指标所得结论是一致的。论文讨论了螺旋的操作转速和外形尺寸设计对颗粒物料的输送效率和停留时间分布的影响。计算结果表明:提高螺旋的操作转速，螺旋的输送效率升高，无量纲停留时间分布散度降低，表明高速螺旋的输送能力强，轴向返混弱。自由加料的情况下，转速一定的浅槽、大螺距、窄槽的螺旋输送效率高，无量纲停留时间分布散度小，表明浅槽、大螺距、窄槽的螺旋适合输送设备的使用，相反深槽、小螺距、宽槽的螺旋适合混合设备的使用。 论文第七章展开了对颗粒物料在螺旋混合器内微观混合情况的研究，进而增强并优化螺旋反应器的混合功能设计。计算结果表明，颗粒物料在螺旋槽中的混合效果来源于螺旋叶片对颗粒物料的摩擦作用所形成的对流混合。从混合空间角度出发，同一螺旋混合反应器，提高螺旋的操作转速，轴向位置各处的两种颗粒物料混合程度有所降低。与从输送效率和停留时间分布角度出发的结论是一致的，即提高螺旋操作转速，螺旋对颗粒物料的输送能力增强，而颗粒物料的混合程度下降。从混合时间角度出发，同一混合时间，也就是相同的输运螺旋槽中，高转速的螺旋有利于两种颗粒物料的混合。当螺旋反应器的工作负荷较小时，螺旋叶片对可能颗粒物料的扰动不充分，可以考虑在螺旋叶片上增加内构件以强化螺旋反应器的混合能力。本文设计的内构件为螺旋搅拌连杆，连杆数量的增加能够使颗粒物料在较为提前的轴向位置处达到一定的混合效果，连杆在螺旋叶片径向位置的布局在距离螺旋轴表面3/4～1个螺旋槽深为宜。对于工作负荷较大的螺旋反应器，螺旋搅拌连杆的数量要少。因为螺旋混合功能的提升要以牺牲输送功能为代价。螺旋搅拌连杆数量较多时，螺旋的输送能力相对较弱，在大工作负荷条件下容易造成反应器的拥堵。
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