O2-CO2燃燒氣氛下焦顆粒燃燒及無(wú)機(jī)元素析出特性的數(shù)學(xué)模型.pdf

1、煤粉O2/CO2燃燒技術(shù)可通過(guò)技術(shù)改造應(yīng)用于當(dāng)前全世界范圍內(nèi)的燃煤發(fā)電設(shè)備，也可以應(yīng)用于新建電廠實(shí)現(xiàn)高溫高氧濃度氣氛下的燃燒。煤粉燃燒時(shí)生成的顆粒物不僅是環(huán)境污染物，還會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。焦顆粒燃燒過(guò)程中無(wú)機(jī)元素的氣化是顆粒物生成的重要過(guò)程。與O2/N2燃燒相比，O2/CO2燃燒過(guò)程中，氣氛的變化影響煤焦的燃燒過(guò)程，進(jìn)而影響無(wú)機(jī)元素的析出特性。因此，合理描述O2/CO2氣氛下焦顆粒的燃燒過(guò)程是建立無(wú)機(jī)元素氣化的模型的關(guān)鍵。本論文

2、的主要目的是在合理描述煤焦顆粒燃燒的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)和建立O2/CO2氣氛下無(wú)機(jī)元素氣化的模型。
　　在煤焦顆粒O2/N2燃燒模型的基礎(chǔ)上，考慮O2/CO2氣氛下焦-CO2氣化反應(yīng)和高溫、氣氛變化對(duì)氣體性質(zhì)的影響，開(kāi)發(fā)和建立了可適用于O2/CO2氣氛煤粉燃燒的焦顆粒燃燒單膜模型。模型采用Langmuir-Hinshelwood本征動(dòng)力學(xué)詳細(xì)描述焦顆粒內(nèi)部異相反應(yīng)包括焦的氧化反應(yīng)和焦與CO2的氣化反應(yīng)，并且描述了在富氧、高溫燃燒時(shí)O2、C

3、O2氣體離解對(duì)混合氣體熱物理性質(zhì)包括氣體導(dǎo)熱和反應(yīng)氣體擴(kuò)散的影響。采用大量的文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)表明，所開(kāi)發(fā)的單膜模型能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在氧氣摩爾份額＜0.2-0.3時(shí)O2/N2和O2/CO2氣氛下焦顆粒的燃燒溫度和燃盡時(shí)間。模型研究表明，當(dāng)氣氛由O2/N2燃燒改變?yōu)镺2/CO2燃燒時(shí)，氣體性質(zhì)的變化和焦-CO2氣化反應(yīng)對(duì)焦顆粒的燃燒過(guò)程都具有顯著的影響。特別是，氣體性質(zhì)（混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)和反應(yīng)氣體在混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)）的變化導(dǎo)致顆粒

4、燃燒溫度的顯著降低。在低氧濃度時(shí)主要是由于O2在O2/CO2反應(yīng)混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)比在O2/N2反應(yīng)混合氣體中低，因而反應(yīng)速度慢而顆粒燃燒溫度低;在高氧濃度時(shí)則主要是由于O2/CO2反應(yīng)混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比O2/N2反應(yīng)混合氣體大，因而顆粒向邊界層導(dǎo)熱強(qiáng)而降低顆粒溫度;而在中間氧濃度范圍兩方面性質(zhì)的影響都重要。
　　為改善焦顆粒燃燒模型對(duì)高氧濃度燃燒的適用性，在單膜模型的基礎(chǔ)上，考慮邊界層內(nèi)CO氧化反應(yīng)，建立了焦顆粒燃燒雙膜模型

5、。模型采用Dryer和Glassman的動(dòng)力學(xué)描述邊界層內(nèi)CO的氧化反應(yīng)，且詳細(xì)描述該反應(yīng)對(duì)顆粒內(nèi)部和邊界層內(nèi)各氣體的熱、質(zhì)傳遞的影響。模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較顯示，與單膜模型相比，雙膜模型可以預(yù)測(cè)焦顆粒在O2/N2或O2/CO2燃燒氣氛下的燃燒溫度，同時(shí)也可以更好地預(yù)測(cè)顆粒燃盡時(shí)間和焦的反應(yīng)速度，其氧濃度的適用范圍也更廣，而且，模型對(duì)于不同煤種和煤焦反應(yīng)條件（氣氛、氧濃度、溫度和顆粒尺寸）也具有通用性。由于采用簡(jiǎn)單理論模型的方式合

6、理描述氣體性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和邊界層內(nèi)反應(yīng)等，整體上雙膜模型的體系和計(jì)算與單膜模型相比并不復(fù)雜，因此同樣可應(yīng)用于CFD等工程方法中。
　　在高溫滴管爐中進(jìn)行系統(tǒng)的燃燒實(shí)驗(yàn)，研究準(zhǔn)東煤、水洗準(zhǔn)東煤和維多利亞煤在空氣和35％O2/65％CO2氣氛下燃燒時(shí)顆粒物的生成特性。實(shí)驗(yàn)研究表明燃燒氣氛從O2/N2到O2/CO2的變化對(duì)無(wú)機(jī)元素（主要是AAEMs）的影響主要是由于焦顆粒燃燒溫度的變化和高濃度CO2的存在?？諝夂?5％O2/65％CO

7、2兩種氣氛下準(zhǔn)東煤燃燒后顆粒物的生成特性的比較表明，顆粒物生成量主要受礦物質(zhì)顆粒表面氣氛的變化及其反應(yīng)的影響，而PM0.1和PM0.1-1生成的影響主要表現(xiàn)為無(wú)機(jī)元素氣化凝結(jié)過(guò)程的影響;而PM1-10生成的影響更傾向于表現(xiàn)為灰顆粒破碎和熔聚等的影響。因此，在無(wú)機(jī)元素氣化模型檢驗(yàn)時(shí)，采用PM1的數(shù)據(jù)體現(xiàn)AAEMs的氣化量是合理的。
　　在焦顆粒O2/N2和O2/CO2燃燒的雙膜模型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和開(kāi)發(fā)焦顆粒燃燒過(guò)程無(wú)機(jī)元素氣化的數(shù)學(xué)

8、模型。模型中難熔氧化物（CaO、MgO和SiO2）的氣化采用Quann和Sarofim的經(jīng)典模型，而堿金屬(Na、K)氧化物的氣化采用礦物質(zhì)顆粒表面飽和蒸氣壓及蒸氣擴(kuò)散描述。采用文獻(xiàn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)和論文的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)模型的檢驗(yàn)表明，將焦顆粒燃燒模型與無(wú)機(jī)元素氣化模型的耦合能顯著增強(qiáng)對(duì)O2/N2氣氛下無(wú)機(jī)元素氣化預(yù)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性，也基本能合理描述O2/CO2氣氛下焦燃燒過(guò)程中無(wú)機(jī)元素的氣化，而且改進(jìn)的無(wú)機(jī)元素氣化模型可體現(xiàn)煤種、顆粒尺