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(dòng)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(shì)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(guó)內(nèi)外對(duì)循環(huán)流化床O2/CO2燃燒機(jī)理的研究剛剛起步，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，尤其是在循環(huán)流化床裝置上實(shí)現(xiàn)煙氣再循環(huán)燃燒的試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)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(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式描述氣固兩

2、相流動(dòng)和傳熱等過(guò)程，耦合傳熱及化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模還需大量細(xì)致工作。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)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(dòng)、傳熱、煤燃燒及污染物排放等特性。
　　 搭建了國(guó)內(nèi)首臺(tái)可實(shí)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(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于O2/CO2燃燒過(guò)程質(zhì)量平衡編寫(xiě)了在線計(jì)算程序，對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行在線分析，確保裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行，為進(jìn)一步的過(guò)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(dòng)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(dòng)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(duì)氣固流動(dòng)特性的影響。針對(duì)流化床常用氣固曳力模型未考慮顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的不足，采用能量最小多尺度(EMMS)原理對(duì)其進(jìn)行修正，并對(duì)不同曳力模型所描述的空隙率和曳力系數(shù)關(guān)系進(jìn)行理論分析，采用文獻(xiàn)

4、中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，說(shuō)明了相間介尺度作用對(duì)預(yù)測(cè)非均勻性氣固兩相流動(dòng)過(guò)程的重要性。
　　 將氣固兩相傳熱與流動(dòng)過(guò)程相耦合，考慮氣固相間傳熱過(guò)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(duì)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(duì)傳熱系數(shù)分布的預(yù)測(cè)結(jié)果至關(guān)重要;通過(guò)自定義標(biāo)量方程求解爐內(nèi)輻射強(qiáng)度，采用文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證;通過(guò)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(duì)總輻射強(qiáng)度的影響并不明顯。
　　 通過(guò)設(shè)置質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分守恒方程的源項(xiàng)考慮了均相和非均相化學(xué)反應(yīng)，篩選了文獻(xiàn)中循環(huán)流化床燃燒常用的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提出了歐拉框架下模擬焦炭燃燒過(guò)程固相吸熱份額的方法，并設(shè)置虛擬能量匯項(xiàng)以彌補(bǔ)三維實(shí)體到二維模型轉(zhuǎn)換過(guò)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(cè)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(guò)程，計(jì)算過(guò)程穩(wěn)定可靠，模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(duì)O2/CO2氣氛下循環(huán)流化床燃燒室內(nèi)煤燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)燃燒室壓力和溫度分布，以及出口煙氣組分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)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(duì)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、