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我国“多煤少油缺气”的能源结构决定了我国以煤为主的能源结构短期内不会改变。如今,大多数煤炭都是通过直接在空气中燃烧的方式消耗的,不可避免地会产生诸如NOx、SOx、PM2.5等污染物,导致严重的环境问题。煤炭利用对环境的负面影响及维护环境安全的相关费用抑制了煤炭消费的增长,这激发了对清洁、高效的煤炭利用方法的研究。其中,超临界水煤气化技术是煤炭高效清洁利用的一个重要途径。在超临界水煤气化过程中,煤中的有机物主要转化为H2、CO2和部分无机物沉淀,而通过该技术产生的H2O/CO2超临界混合工质可以进入汽轮机中发电。因此,获得H2O/CO2二元混合工质在水近临界工况下的粘度、热导率和自扩散系数对超临界水煤气化发电系统中管路、换热器以及汽轮机的设计具有非常重要的意义。然而,对于水近临界工况下H2O/CO2二元混合工质的粘度、热导率和自扩散系数目前还缺乏相应的研究。本文的主要工作及结论如下:
(1)采用分子动力学方法,选取多种不同的水和二氧化碳分子力场模型对纯工质的粘度、热导率和自扩散系数进行了研究,并将模拟结果与NIST值和理论公式计算值进行了对比。
(2)通过分子动力学模拟计算及比较,优选出了水临界点附近的纯水和二氧化碳的分子力场模型。优选结论如下:对于粘度,当温度低于653K时选择TIP4P/2005模型,当温度高于653K时选择SPC/Fw模型,二氧化碳选择Cygan模型;对于自扩散系数,当温度低于653K时选择TIP3P/Fw模型,温度高于653K时选择SPC模型,二氧化碳选择Cygan模型;对于热导率,当温度低于653K时选择SPC/Fw模型,当温度高于653K时选择SPC模型,二氧化碳选择EPM2模型。
(3)建立了H2O/CO2二元混合工质模型;并采用优选出的水临界点附近的纯水和二氧化碳的分子力场模型,通过分子动力学方法模拟计算了不同温度、不同组分比例下H2O/CO2二元混合物的粘度、热导率和自扩散系数。
(4)通过分子动力学方法进一步分析了H2O、CO2、以及H2O/CO2二元混合物的径向分布函数,研究了H2O以及H2O/CO2二元混合物中氢键数量随温度以及比例的变化情况。研究表明,随温度的升高,H2O以及H2O/CO2二元混合物中氢键逐渐减少,但在超临界水中依然存在氢键;随二氧化碳比例的增加混合物中氢键数量减少。
(1)采用分子动力学方法,选取多种不同的水和二氧化碳分子力场模型对纯工质的粘度、热导率和自扩散系数进行了研究,并将模拟结果与NIST值和理论公式计算值进行了对比。
(2)通过分子动力学模拟计算及比较,优选出了水临界点附近的纯水和二氧化碳的分子力场模型。优选结论如下:对于粘度,当温度低于653K时选择TIP4P/2005模型,当温度高于653K时选择SPC/Fw模型,二氧化碳选择Cygan模型;对于自扩散系数,当温度低于653K时选择TIP3P/Fw模型,温度高于653K时选择SPC模型,二氧化碳选择Cygan模型;对于热导率,当温度低于653K时选择SPC/Fw模型,当温度高于653K时选择SPC模型,二氧化碳选择EPM2模型。
(3)建立了H2O/CO2二元混合工质模型;并采用优选出的水临界点附近的纯水和二氧化碳的分子力场模型,通过分子动力学方法模拟计算了不同温度、不同组分比例下H2O/CO2二元混合物的粘度、热导率和自扩散系数。
(4)通过分子动力学方法进一步分析了H2O、CO2、以及H2O/CO2二元混合物的径向分布函数,研究了H2O以及H2O/CO2二元混合物中氢键数量随温度以及比例的变化情况。研究表明,随温度的升高,H2O以及H2O/CO2二元混合物中氢键逐渐减少,但在超临界水中依然存在氢键;随二氧化碳比例的增加混合物中氢键数量减少。