煙煤在氧燃燒過(guò)程中著火的實(shí)驗(yàn)和模擬研究.pdf

1、以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體所導(dǎo)致的全球氣候變化問(wèn)題已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。尋找一種能夠有效捕獲和埋存由化石燃料燃燒所產(chǎn)生的 CO2的方法已成為人類所要面對(duì)的最重要挑戰(zhàn)之一。作為CCS(Carbon Capture and Storage)技術(shù)之一的氧燃燒(oxy-combustion)被認(rèn)為是很有前景的控制燃煤電廠CO2排放的技術(shù)。在氧燃燒中需要采用稀釋劑來(lái)中和純氧燃燒產(chǎn)生的高溫，因此燃燒的氣氛與空氣存在很大的不同。目前廣泛研

2、究的是采用 CO2作為稀釋劑的 oxy-fuel的氧燃燒方式，因此研究者對(duì)煤粉在O2/CO2氣氛下的著火特征與行為進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究。
　　本文采用UDF(user defined function)添加了煤粉著火機(jī)理的判定，構(gòu)建了煤粉著火模型，詳細(xì)計(jì)算了煙煤在O2/CO2氣氛下著火過(guò)程中的脫揮發(fā)分速率、揮發(fā)分燃燒速率、煤燃燒速率和焦燃燒速率，并通過(guò)比較著火點(diǎn)處上述四個(gè)反應(yīng)速率判斷了煙煤的著火機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分燃燒速率的變化

3、是煙煤著火機(jī)理出現(xiàn)變化的主要原因。在均相著火過(guò)程中，當(dāng)煙煤顆粒附近的揮發(fā)分摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值時(shí)煤焦才發(fā)生著火，而且揮發(fā)分燃燒過(guò)程不會(huì)受到焦燃燒的影響。而在非均相著火過(guò)程中，當(dāng)顆粒附近的揮發(fā)分摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值時(shí)才發(fā)生揮發(fā)分著火，由于煤焦燃燒與揮發(fā)分燃燒的相互作用，焦燃燒速率曲線出現(xiàn)了V型切口，揮發(fā)分燃燒速率曲線出現(xiàn)了傾斜。稀釋劑采用水蒸汽時(shí)，該技術(shù)稱為oxy-steam燃燒。因?yàn)樵摷夹g(shù)在效率、設(shè)備尺寸、密封性要求以及啟動(dòng)運(yùn)行等方面都比

4、oxy-fuel燃燒有優(yōu)勢(shì)，所以該技術(shù)被有些學(xué)者認(rèn)為是下一代的氧燃燒技術(shù)。本文首次對(duì)煙煤在O2/H2O氣氛下的著火行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)在滴管爐中進(jìn)行，采用高速攝像儀和雙色高溫計(jì)來(lái)記錄煙煤的著火特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在所有的實(shí)驗(yàn)條件下煤粉都出現(xiàn)了均相著火。在實(shí)驗(yàn)中觀察到一個(gè)新的著火現(xiàn)象：在相同的O2濃度下時(shí)，煙煤在水蒸汽氣氛下的著火點(diǎn)位置要早于N2氣氛下的著火點(diǎn)位置，而且這種提前的趨勢(shì)隨著氧氣濃度增加和水蒸汽濃度的降低而減弱。當(dāng)O2濃度為

5、35％，40%和50%時(shí)，相比N2氣氛，在H2O氣氛下顆粒著火強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)，甚至可以頻繁地觀察到顆粒的破裂現(xiàn)象。利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步分析了煙煤在O2/H2O氣氛下著火提前的原因。模型成功地預(yù)報(bào)了每個(gè)工況下的著火位置，以及著火提前的現(xiàn)象，模擬結(jié)果還顯示了這種提前程度隨著氧氣濃度增加而降低的趨勢(shì)。通過(guò)兩種水蒸汽反應(yīng)的指前因子系數(shù)對(duì)著火位置影響的分析發(fā)現(xiàn)：著火對(duì)于水蒸汽轉(zhuǎn)換反應(yīng)(CO+H2O→CO2+H2)非常敏感，這表明轉(zhuǎn)換反應(yīng)是造