煤顆粒流化床富氧燃燒機(jī)理研究.pdf

1、我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主導(dǎo)，且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本改變，決定了燃煤電站是我國(guó)CO2最主要的排放源。研發(fā)燃煤電站CO2捕集技術(shù)已成為國(guó)家重要的發(fā)展戰(zhàn)略。富氧燃燒具有成本及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低、易規(guī)模化等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最可能大規(guī)模推廣的燃煤電站碳捕集技術(shù)之一。流化床富氧燃燒技術(shù)結(jié)合了流化床燃燒和富氧燃燒的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行深入研究對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)具有重要意義。
　　本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，從煤顆粒流化床富氧燃燒特性的定性

2、獲取至燃燒機(jī)理的定量揭示，依次展開(kāi)研究工作。研究結(jié)果加深了人們對(duì)于流化床富氧燃燒的認(rèn)識(shí)，并定量揭示了CO2取代N2對(duì)煤顆粒燃燒特性的影響機(jī)制。全文主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　(1)設(shè)計(jì)并搭建了一種高溫可視化流化床燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與圖像測(cè)量方法結(jié)合，克服了傳統(tǒng)可視化流化床因觀察窗過(guò)小，導(dǎo)致難以實(shí)時(shí)觀測(cè)顆粒燃燒情況等缺陷。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取了詳實(shí)可靠的顆粒燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，豐富了流化床燃燒的實(shí)驗(yàn)研究手段并為流化床條件下顆粒燃燒模型

3、的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　(2)利用高溫可視化流化床燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)考察了O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛下我國(guó)典型煤（無(wú)煙煤、煙煤、次煙煤和褐煤）顆粒揮發(fā)份析出規(guī)律，并運(yùn)用一維非穩(wěn)態(tài)顆粒反應(yīng)模型，詳細(xì)研究了流化床內(nèi)燃料顆粒揮發(fā)份析出特性。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析表明，毫米級(jí)煤顆粒揮發(fā)份析出過(guò)程主要受顆粒內(nèi)部和與外界的傳熱控制，CO2取代N2對(duì)顆粒這一傳熱特性的影響有限。相比O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛下低O2擴(kuò)散速率是改變?nèi)紵?/p>

4、顆粒著火方式和降低揮發(fā)份析出后期顆粒升溫速率的主導(dǎo)因素;高CO2比熱容導(dǎo)致?lián)]發(fā)份著火延遲時(shí)間長(zhǎng)于O2/N2氣氛和揮發(fā)份火焰溫度低于O2/N2氣氛;流化床燃燒室內(nèi)，揮發(fā)份燃燒釋放熱由氣流攜帶遠(yuǎn)離顆粒，對(duì)顆粒的升溫過(guò)程無(wú)明顯影響;相同的燃燒條件下，不同燃料顆粒揮發(fā)份析出特性的差異主要源自顆粒自身屬性的差異。
　　(3)運(yùn)用高溫可視化流化床燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛下我國(guó)典型煤焦顆粒燃燒特性，并運(yùn)用一維非穩(wěn)態(tài)顆粒

5、反應(yīng)模型，定量分析了CO2取代N2對(duì)煤焦燃燒過(guò)程的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明，流化床內(nèi)毫米級(jí)煤焦顆粒燃燒過(guò)程受O2擴(kuò)散速率控制。O2/CO2氣氛下，O2擴(kuò)散速率低于O2/N2氣氛導(dǎo)致該氣氛下顆粒的燃燒速率下降、溫度降低;常規(guī)流化床燃燒溫度條件下，焦炭氣化反應(yīng)對(duì)顆粒燃燒過(guò)程的影響可忽略，氣化反應(yīng)消耗碳低于顆粒碳含量的7％;提高床溫后，氣化反應(yīng)對(duì)顆粒燃燒過(guò)程的影響逐漸增強(qiáng)，當(dāng)床溫高于1220 K，氣化反應(yīng)對(duì)顆粒燃燒過(guò)程的影響不可忽略，同時(shí)氣化反

6、應(yīng)消耗碳可達(dá)顆粒含碳量的14％。綜合比較，O2擴(kuò)散速率、顆?？紫堵始邦w粒密度是影響顆粒燃燒特性的重要參數(shù)。流化床內(nèi)焦炭燃燒特性可采用非等溫sharp-interface模型描述，以有效簡(jiǎn)化計(jì)算流體力學(xué)框架下流化床燃燒反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。
　　(4)比較了流化床與煤粉爐條件下次煙煤顆粒富氧燃燒特性（揮發(fā)份著火延遲時(shí)間、揮發(fā)份火焰溫度峰值、脫揮發(fā)份時(shí)間、顆粒燃燒溫度峰值及顆粒燃盡時(shí)間）的差異。O2/CO2氣氛取代O2/N2氣氛后均會(huì)導(dǎo)致兩

7、種燃燒條件下的燃料揮發(fā)份著火延遲時(shí)間延長(zhǎng)、揮發(fā)份火焰溫度峰值降低、燃燒溫度峰值降低和燃盡時(shí)間增加，及煤粉顆粒的脫揮發(fā)份時(shí)間延長(zhǎng)。兩種燃燒條件下導(dǎo)致上述燃燒特性改變的機(jī)理不完全一致:除流化床和煤粉爐條件下顆粒自身傳熱和傳質(zhì)特性的差異外，CO2氣氛中高氣體比熱容和低O2擴(kuò)散速率是流化床條件下燃燒特性改變的主要原因;而煤粉爐條件下除上述原因外，氣化反應(yīng)所引起的燃燒特性的改變不可忽略。在本研究中為獲得與空氣氣氛相近的次煙煤顆粒燃盡時(shí)間，流化床和