气流床煤气化技术是煤高效洁净利用的关键技术之一。掌握气流床气化炉内的湍流多相反应流动规律是气化炉和气化装置设计的基础,它涉及到多相流动、传热传质和化学反应等诸多复杂的科学问题,但是目前对该方面的研究还不尽完善。本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法对气流床气化炉所涉及的撞击流的撞击特性及其传热传质性能、炉膛壁面颗粒沉积规律以及水煤浆和干煤粉的气化过程等相关问题进行了深入研究。　　 为研究气固两相撞击流的撞击特性及其传热传质性能,设计搭建了实验室规模的气固两相撞击流实验装置。采用玻璃珠为固体颗粒,通过改变加料方式、喷嘴间距、气流速度、颗粒加料速率和颗粒粒径等条件,对撞击流内的颗粒撞击特性进行研究,得出了不同条件下的颗粒运动规律。研究表明,单喷嘴加料时,存在明显颗粒渗入反向流的现象,而双喷嘴加料时,两股颗粒在颗粒碰撞区发生剧烈撞击后向四周散开,没有明显的颗粒渗入反向流的现象,且颗粒碰撞区内的剧烈颗粒碰撞使得颗粒浓度升高；在其他条件一定的情况下,喷嘴间距的减小和颗粒加料速率的增大均使得颗粒碰撞区内的颗粒碰撞更加剧烈,颗粒碰撞区的范围变小变窄；颗粒粒径较大时,颗粒数密度的减小使得颗粒之间的碰撞相对减少。　　 在搭建的实验装置上,以固体颗粒的干燥实验为手段,通过改变空气温度、物料参数、加料方式和结构参数等条件,分析了撞击流内的传热传质性能及各参数的影响规律,得到不同条件下各种因素对传热传质过程的强化机制。实验结果显示,高度湍动的撞击区对热质传递过程有明显的强化作用；在其他条件一定的情况下,提高入口空气温度或颗粒温度、增大喷嘴间距均有利于撞击流内热质传递过程的进行；随着颗粒加料速率的增大,实验装置内各测点加料前后的温差升高,物料的降水幅度逐渐降低,而小时去水量、传热速率和干燥强度均明显增大；在加料速率一定的条件下,单喷嘴加料与双喷嘴加料两种加料方式对干燥性能的影响并不明显。　　 首次将直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法应用于气固两相撞击流的数值模拟研究,并与计算流体力学(CFD)相结合在三维Euler-Lagrange框架下建立了考虑颗粒碰撞的气固两相撞击流理论模型,解决了基于拉格朗日模型难以模拟含大量颗粒碰撞的撞击流问题。应用所建模型计算分析了撞击流内气相场分布、颗粒运动行为、颗粒及颗粒碰撞位置分布、颗粒停留时间分布以及颗粒对气相场的影响等,揭示了撞击流内气固两相流动特性。结果表明,气相撞击区在轴线上的范围约为(-0.15l,0.15l),最大径向速度出现在0.1l处(l为喷嘴间距),且进口气速对撞击区范围的影响不大;撞击区内的剧烈撞击明显增大了气相湍流强度,且湍流强度随进口气速的增大而增大；在气相中加入颗粒,使得气相轴向速度和最大径向速度增大,撞击区在轴线上的范围变窄,且撞击区内的气相湍流强度明显增大;根据颗粒碰撞位置分布,可将颗粒分布分为三个区:颗粒碰撞区,颗粒射流区和颗粒发散区,有接近80％的颗粒碰撞发生在颗粒碰撞区内；颗粒碰撞区内的颗粒碰撞使得颗粒向四周散开,这与实验结果是一致的,颗粒碰撞明显缩短颗粒的停留时间；颗粒浓度和平均碰撞率在颗粒碰撞区均迅速增至最大值,且最大颗粒浓度随进口颗粒浓度线性增加,平均碰撞率与颗粒浓度的平方成正比。　　 气固两相撞击流内颗粒运动具有多时间和多空间尺度的特点。本文对传统DSMC方法进行了改进。发展出基于无网格和当地可调时间步长法的DSMC方法,使其更适用于气固两相撞击流的理论研究,且计算效率更高。研究发现,改进DSMC方法比传统DSMC方法节省约30％的计算时间。　　 首次将DSMC方法与相间传热传质理论、颗粒碰撞传热模型相结合,建立了考虑颗粒碰撞与热质传递过程的气固两相撞击流理论模型。利用所建模型计算并分析了撞击流内的热质传递过程以及颗粒预热温度对该过程的影响规律。结果显示,颗粒碰撞传热对颗粒物料干燥过程的影响并不明显:撞击流内传递过程的有效体积位于两喷嘴之间的区域内,且在撞击区内传递过程最为剧烈;撞击区周围的气相涡流使部分离开撞击区的颗粒返回有效传递区域,延长了颗粒的停留时间,强化了热质传递过程；颗粒预热温度的升高使干燥过程的气化阶段提前,提高了撞击流装置的干燥性能。　　 气化炉内壁面颗粒沉积规律对稳定渣层的形成起到至关重要的作用。本文采用数值模拟的方法对我国自主研发的两段式干煤粉气化炉进行了研究,详细分析了炉膛壁面沉积颗粒的分布及炉体结构对沉积规律的影响,揭示了该气化炉壁面颗粒沉积特征。结果显示,撞击流式的进料方式使得颗粒主要沉积在两喷嘴之间的壁面上,且一段壁面沉积颗粒主要位于该段喷嘴高度0.78m,二段壁面沉积颗粒主要位于3.4m,略高于该段喷嘴高度3.14m；喉部的存在可有效防止一段燃烬的煤粉颗粒进入二段反应区。但喉部结构相对复杂,颗粒沉积率相对较低,难以形成稳定的渣层,应对该处壁面重点保护；一段四喷嘴对置式进料方式使得一段壁面颗粒沉积率高于两喷嘴进料时的值,且在圆周上的分布更加均匀,有利于形成均匀渣层对壁面进行有效保护；另外,一段四喷嘴对置进料还延长了颗粒在一段沉积前的停留时间,总体上优于两喷嘴对置进料的设计；一段四喷嘴切圆进料使得炉内几乎所有颗粒都沉积在炉膛壁面上,且停留时间较短,一段壁面沉积颗粒主要位于喷嘴高度附近。　　 为研究气流床气化炉内湍流多相反应流动过程,分别针对水煤浆和干煤粉气化过程建立了综合数学模型,并进行了相应的计算和分析。首先采用EDC模型考虑湍流与化学反应间的相互作用,建立了基于组分输运和有限速率模型的水煤浆气化过程综合数学模型,并应用所建模型详细分析了Texaco气化炉内的气固两相流、温度及气相组分分布,以及氧煤比和煤浆浓度对气化性能的影响规律。结果显示,炉内气相回流的存在有利于延长颗粒的停留时间,增强气相与颗粒相之间的混合；根据炉内气相温度及组分分布,首次提出了Texaco气化炉内的四个主要反应区域:蒸发／脱挥发份区,燃烧区,还原区和出口区,在燃烧区气相温度达到最大值,在出口区气相温度及主要组分分布接近平衡状态,分布比较均匀；随着氧煤比的增大,气化炉出口合成气有效成分(H2+CO)浓度逐渐降低,气化炉内气相温度逐渐升高,在保证气化炉顺利排渣和合适的合成气成分的前提下,存在一个最佳氧煤比；随着水煤浆浓度的增大,炉膛出口合成气中有效成分(CO+H2)含量增加。　　 采用PDF函数考虑湍流与化学反应问的相互作用,建立了基于非预混模型和混合分数法的干煤粉气化过程综合数学模型,并应用于两段式干煤粉气化炉的研究,详细分析炉内的气化过程,以及气化剂、一段蒸汽／煤比等对气化性能的影响规律。结果显示,炉膛内喷嘴附近的温度及组分的变化梯度最大；与纯氧气化相比,气化剂组合O2／H2O或O2／CO2使得气化效率均有提高,其中,O2／H2O的气化效率最高,合成气中H2含量最高,O2／CO2气化可以提高合成气中CO的产量；以空气作为气化剂时,气化效率相对最低,且合成气中的有效成分浓度也较低,品质较差；随着一段蒸汽／煤比的增大,合成气中H2的浓度、气化炉的碳转化率和冷煤气效率均呈现先增大后减小的变化趋势。