燃煤循環(huán)流化床鍋爐雙組份顆粒流動和燃燒的數(shù)值模擬.pdf

1、燃煤循環(huán)流化床鍋爐由于燃料適應性好、燃燒效率高和污染物排放少等優(yōu)勢,在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)存在由復雜氣固兩相流動、傳熱傳質(zhì)過程和化學反應等機理相互耦合、共同作用的過程,數(shù)值模擬比較困難。以顆粒動理學為基礎(chǔ)的雙流體模型已較為廣泛的應用于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)顆粒流態(tài)化和燃燒反應過程的數(shù)值模擬研究中。目前對循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)氣體-顆粒流動和煤燃燒的數(shù)值模擬研究主要采用基于單組分顆粒假設的雙流體模型,簡化了床料顆粒分布的多

2、組分特性,忽略了煤和焦炭顆粒在燃燒過程中顆粒破碎過程。然而實際床料顆粒的粒徑和密度等物性存在明顯的差異,對爐內(nèi)氣固兩相流動和煤燃燒過程都會產(chǎn)生影響。因此有必要發(fā)展一種基于多組分顆粒假設的的數(shù)學模型,應用于循環(huán)流化床內(nèi)稠密顆粒流動以及燃燒過程的模擬研究?；谇叭藢Υ擦项w粒特性的分類研究,本文將循環(huán)流化床內(nèi)顆粒物料簡化為雙顆粒相(粗、細顆粒相)進行研究,建立了基于雙組份顆粒的數(shù)學模型。
　　基于循環(huán)流化床內(nèi)物料的雙組份顆粒假設,給出氣

3、體-雙組份顆粒流動過程的控制方程和顆粒動理學的控制方程和模型公式。粗顆粒相中包含四種成分:煤、粗顆粒焦炭、CaCO3和粗顆粒灰,細顆粒相中包含四種成分:細顆粒焦炭、CaO、CaSO4和細顆?；摇Ｃ喝紵^程中存在原煤的干燥熱解、焦炭顆粒燃燒、揮發(fā)分氣體燃燒等過程,分別采用相應的化學反應模型來描述。熱解反應中考慮煤燃燒產(chǎn)生顆粒一次破碎,在焦炭的燃燒反應中考慮焦炭燃燒產(chǎn)生的顆粒二次破碎。應用多相流相間傳熱模型和輻射模型描述循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)多相

4、傳熱過程。另外,對于煤燃燒過程中會產(chǎn)生的污染物氣體(NOx和SO2),采用相應的化學反應模型描述主要反應過程。
　　應用雙組分顆粒流動和煤燃燒模型分別針對兩個不同循環(huán)流化床實驗裝置內(nèi)氣固兩相流動特性和煤燃燒過程進行數(shù)值模擬,對所建立模型的準確性進行驗證。對Zhou等人的實驗裝置的計算結(jié)果得到的出口氣體組分和溫度分布與文獻中的實驗數(shù)據(jù)吻合較好。流動數(shù)值模擬獲得了反應器內(nèi)粗細顆粒的濃度和速度分布情況,并對影響不同顆粒分離和混合的顆粒物

5、性因素進行了分析。在流動的基礎(chǔ)上對煤燃燒進行模擬,獲得了反應器內(nèi)的氣相組分分布、主要反應速率分布以及溫度分布規(guī)律。在燃燒反應基礎(chǔ)上中加入NOx和SO2反應模型計算,獲得了反應器內(nèi)的NOx和SO2組分分布和相關(guān)反應速率分布。對Adanez等人實驗裝置進行了爐內(nèi)雙組份顆粒的流動和燃燒過程的模擬研究,計算結(jié)果獲得的碳燃燒效率與實驗值吻合較好,分析了爐內(nèi)粗細顆粒相中焦炭的分布規(guī)律和燃燒反應速率。在流動和燃燒反應基礎(chǔ)上,加入SO2反應模型,研究了

6、反應器內(nèi)SO2組分分布和反應速率,分析了不同的鈣硫摩爾比和過量空氣系數(shù)對于反應器內(nèi)SO2釋放的影響。
　　最后,采用雙組分顆粒流動和煤燃燒模型對116MW循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固兩相流動和煤燃燒過程進行數(shù)值模擬,研究實際鍋爐爐膛內(nèi)氣固兩相流動和煤燃燒過程。首先對116MW循環(huán)流化床爐膛內(nèi)進行氣固兩相流動計算,得到了在爐膛不同截面粗細顆粒的顆粒濃度和速度分布,分析了爐膛內(nèi)的氣固兩相流的流動特性和不同顆粒的分離特性。在流動穩(wěn)定基礎(chǔ)上增