合成气-煤粉气固两相火焰传播及灾变的协同动力学研究
批准号:
22078095
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
沈晓波
依托单位:
学科分类:
绿色化工与化工安全
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
沈晓波
中文摘要
气流床粉煤气化技术中采用合成气输送煤粉能有效解决载气污染产品问题,降低能耗并提高煤气中的有效气含量,推动煤气化制氢的高效化发展。但合成气-煤粉一旦泄漏,具有较高的燃爆危险性,成为其推广应用的最大障碍。相关安全科学研究还存在很大的不足。本项目综合利用实验、理论分析及CFD数值模拟等手段,首先研究合成气协同作用下的煤粉燃爆基本参数,建立反应动力学机理模型;再针对合成气-煤粉泄漏的不同阶段,分别研究射流火焰和非均相气粉云爆炸的动力学过程,剖析火焰诱导流场与反应动力学的相互作用机制,掌握合成气对煤粉火焰的耦合致灾效应,揭示不同阶段火焰传播及灾变机制,建立特征参量的理论预测模型;最后基于OpenFOAM平台,建立合成气-煤粉火焰传播及灾变的协同动力学模型,开展多尺度模拟和分析,揭示合成气与煤粉协同燃爆灾害的内在机理和临界控制条件。本项目成果可以为煤气化制氢工艺的本质安全化设计和事故防控提供科学指导。
英文摘要
Using syngas as carrier to convey the pulverized coal in entrained flow gasification can effectively avoid polluting the product by carrier gas, decrease the energy consumption, increase the content of syngas in the gasification product, and consequently propel the development of efficient hydrogen production from coal gasification. However, once syngas-pulverized coal mixture leaks, it would give rise to high risk of combustion and explosion, which therefore becomes the largest barrier to convey the pulverized coal with syngas. But relevant scientific research on the safety issues is scarce. In this project, experiment, theoretical analysis and CFD modelling will be employed in combination. Firstly, the fundamental combustion and explosion parameters of coal with synergetic effect of syngas will be collected and a comprehensive chemical kinetic mechanism will be established. Then, the dynamic processes of jet flame and heterogeneous gas-dust cloud explosion at different stages of leakage will be scrutinized, respectively. The interaction between flame-induced flow field and chemical kinetics will be analyzed to interpret the coupling disaster-deducing effect of syngas on pulverized coal flame. The regimes of flame propagation and catastrophic transition will be revealed, and the predicting model of characteristic parameters will be proposed. Finally, a CFD model for synergetic dynamics of syngas-pulverized coal two-phase flame propagation and catastrophic transition will be built on OpenFOAM platform. Thereafter, multi-scale simulation and discussion will be performed to deeply explore the underlying mechanism and critical conditions of synergetic combustion and explosion disasters by syngas and pulverized coal. The outcome of this project is supposed to provide scientific advice to intrinsically safe design, accident prevention and control for hydrogen production process from coal gasification.
安全性是制约合成气输送煤粉技术推广和应用的最大障碍。合成气-煤粉一旦泄漏,极易引发火灾和爆炸事故。但相关安全科学研究还有很大不足。因此,本项目首先选取工业现场代表性煤粉样品,开展工业分析和元素分析等,全面剖析了煤粉样品的基本物性特征,再通过自主搭建的合成气-煤粉气固两相燃爆测试平台,掌握了合成气对煤粉燃爆基本参数的协同作用,建立了煤粉/合成气/空气混合物爆炸的反应机理模型,阐明了固气比、初始温度和压力、气体组成和浓度、受限空间结构等因素对合成气-煤粉燃爆动力学的影响规律,揭示了火焰传播及灾变的动力学机制,基于OpenFOAM平台和CFD技术,构建了火焰传播及灾变的数值模型,解析了火焰、流场、温度场和化学反应的耦合作用,明晰了壁面热损失对火焰传播的影响机制,掌握了在金属丝网和惰性气体耦合抑制作用下的关键火焰行为、动力学机理和控制参数。结果表明,合成气可以显著提升着火敏感度,降低点火能量,拓宽气固混合物的爆炸极限范围,而固气比是其中最重要影响因素,当固气比从200kg/m3增长为300kg/m3,煤粉在合成气/空气气氛中的爆炸上限从2750g/m3提升至4000g/m3。在爆炸反应中,-OH和脂肪族-CH3和-CH2的是参与燃烧反应的主要官能团。合成气-煤粉气固两相火焰传播过程中会出现两个压力峰,第二个压力峰上升较为缓慢但峰值较高,这是由于合成气的燃烧极限较宽,管道内剩余可燃气固混合物持续燃烧引发压力的进一步上升。金属丝网的孔隙率、惰性气体种类和浓度以及初始压力对火焰抑制效果有显著影响,当孔隙率为70%,CO2浓度为30%时具有最佳的抑制效果,除金属丝网的物理阻火机制外,CO2参与燃烧反应消除活性OH自由基,也对火焰传播起到了耦合抑制作用。研究成果可以丰富气固两相燃烧爆炸理论,推动相关安全防控技术的开发,助力煤气化制氢工艺的本质安全设计。
配位氢化物强化纳米金属粉末-乙烯高含能体系的失稳机制研究
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批准号:22278135
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:沈晓波
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依托单位:
合成气-煤粉气固两相火焰传播及灾变的协同动力学研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:63万元
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批准年份:2020
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负责人:沈晓波
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依托单位:
管道内合成气-空气预混火焰传播不稳定性的动力学机制研究
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批准号:51604121
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:沈晓波
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依托单位:
国内基金
海外基金