O2-CO2氣氛下循環(huán)流化床煤燃燒數(shù)值模擬研究.pdf

1、溫室氣體排放是全球變暖的主要原因，目前人類活動排放的溫室氣體中56.6％是化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2，燃煤電站大規(guī)模捕集CO2勢在必行。循環(huán)流化床O2/CO2燃燒技術(shù)被認(rèn)為是目前最具有應(yīng)用前景的CO2捕集主流技術(shù)之一。
　　 國內(nèi)外對循環(huán)流化床O2/CO2燃燒機理的研究剛剛起步，可借鑒的經(jīng)驗很少，尤其是在循環(huán)流化床裝置上實現(xiàn)煙氣再循環(huán)燃燒的試驗研究，國內(nèi)還未見報道?，F(xiàn)有循環(huán)流化床煤燃燒整體數(shù)學(xué)模型大都采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式描述氣固兩

2、相流動和傳熱等過程，耦合傳熱及化學(xué)反應(yīng)的計算流體動力學(xué)(CFD)建模還需大量細(xì)致工作。本文采用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探討O2/CO2氣氛下循環(huán)流化床燃燒室內(nèi)氣固流動、傳熱、煤燃燒及污染物排放等特性。
　　 搭建了國內(nèi)首臺可實現(xiàn)煙氣再循環(huán)燃燒的50kWth循環(huán)流化床中試裝置，完善了測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于O2/CO2燃燒過程質(zhì)量平衡編寫了在線計算程序，對燃燒系統(tǒng)進行在線分析，確保裝置穩(wěn)定可靠運行，為進一步的過程

3、控制和工程放大研究奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 在歐拉多相流框架下，氣相采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型并考慮離散相湍流作用，采用顆粒動理學(xué)理論封閉固相本構(gòu)方程，建立了循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流動模型，并比較了不同曳力模型和關(guān)鍵參數(shù)（顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)和鏡面系數(shù)）對氣固流動特性的影響。針對流化床常用氣固曳力模型未考慮顆粒團聚效應(yīng)的不足，采用能量最小多尺度(EMMS)原理對其進行修正，并對不同曳力模型所描述的空隙率和曳力系數(shù)關(guān)系進行理論分析，采用文獻

4、中試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，說明了相間介尺度作用對預(yù)測非均勻性氣固兩相流動過程的重要性。
　　 將氣固兩相傳熱與流動過程相耦合，考慮氣固相間傳熱過程，并采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)溫度，從模擬的角度揭示了循環(huán)流化床內(nèi)貼壁下降流對爐膛與壁面間傳熱系數(shù)及其分布的直接影響，發(fā)現(xiàn)曳力模型的選取對傳熱系數(shù)分布的預(yù)測結(jié)果至關(guān)重要;通過自定義標(biāo)量方程求解爐內(nèi)輻射強度，采用文獻中試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證;通過理論分析發(fā)現(xiàn)顆粒輻射在循環(huán)流化床輻射換熱中占

5、有的份額很大，CO2氣體對總輻射強度的影響并不明顯。
　　 通過設(shè)置質(zhì)量、動量、能量和組分守恒方程的源項考慮了均相和非均相化學(xué)反應(yīng)，篩選了文獻中循環(huán)流化床燃燒常用的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，提出了歐拉框架下模擬焦炭燃燒過程固相吸熱份額的方法，并設(shè)置虛擬能量匯項以彌補三維實體到二維模型轉(zhuǎn)換過程中散熱壁面面積的損失，成功建立了二維循環(huán)流化床爐膛內(nèi)煤燃燒的CFD綜合模型。預(yù)測了循環(huán)流化床內(nèi)煤熱解、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒/氣化和污染物析出及脫除

6、等過程，計算過程穩(wěn)定可靠，模擬結(jié)果與試驗值吻合良好，爐內(nèi)溫度和組分分布合理;該模型豐富了循環(huán)流化床煤燃燒的研究手段。
　　 采用所建CFD綜合模型對O2/CO2氣氛下循環(huán)流化床燃燒室內(nèi)煤燃燒過程進行數(shù)值模擬，通過燃燒室壓力和溫度分布，以及出口煙氣組分的試驗數(shù)據(jù)，對模型進行驗證。分別維持給煤量（熱輸入）和入口氣速不變，研究了不同氧濃度和不同燃燒方式對循環(huán)流化床燃燒室內(nèi)空隙率分布及固體循環(huán)倍率、溫度分布及邊界散熱份額、氣體組分分布、