化學鏈燃燒數(shù)值模擬與模型改進.pdf

1、化學鏈燃燒是一種具有CO2內(nèi)分離特性的新型化石燃料燃燒技術(shù)。是解決當前全球氣候變暖問題最有前途的技術(shù)之一。化學鏈燃燒通過將傳統(tǒng)燃燒方式中的一步燃燒反應分解為兩個獨立的氧化還原反應從而實現(xiàn)了從傳統(tǒng)CO2分離技術(shù)中的氣體組分分離過程轉(zhuǎn)變?yōu)檩^易實現(xiàn)的氣固分離過程，這樣的燃燒方式有助于降低燃燒及CO2捕集全過程的?損失，提高能源的利用效率。目前，絕大多數(shù)研究者把串行流化床反應器形式作為化學鏈燃燒的發(fā)展方向。串行流化床反應器內(nèi)存在非常復雜的氣固兩

2、相反應流動，對此實驗的方法很難進行深入細致的研究，而且進行大型示范臺架的實驗代價高昂。數(shù)值計算能夠在合理的代價范圍內(nèi)揭示串行流化床內(nèi)反應流動的細節(jié)信息，對于反應器的設計、運行優(yōu)化具有重要意義。
　　基于此，本文首先針對本課題組設計建造的50kWth化學鏈燃燒反應器進行CPFD模擬，發(fā)現(xiàn)基于CPFD計算的Barracuda軟件對本課題組發(fā)展的化學鏈燃燒串行流化床反應器中固體循環(huán)量等特性參數(shù)的模擬計算較為精確；所模擬反應器底部主反應段

3、氣固流動近似呈鼓泡流化狀態(tài)，上部段近似呈氣力輸送狀態(tài)；固體循環(huán)量隨流化氣速和初始總固體床料量的增大而增大，穩(wěn)定運行時 FR中的存料量隨初始總固體床料量的增大而增大，隨流化氣速的增大而減小。
　　為了提高模擬計算的精確性，本文分別從多相流動和異相反應兩個角度進行了如下模型改進工作：
　　首先，在傳統(tǒng)的氣固相間曳力模型中引入固體體積分數(shù)梯度的概念以增加考慮快速床內(nèi)形成的以團聚體為代表的非均勻結(jié)構(gòu)，由此提出了一種適用于快速流化床C

4、FD模擬的新氣固相間曳力模型實施方法。通過一個典型的二維提升管 CFD模擬驗證了本方法的適用性。典型的實驗現(xiàn)象，例如軸向固體體積分數(shù)的S型分布、出口固體質(zhì)量流量在一定范圍內(nèi)不隨床料量的變化而變化、密相區(qū)與稀相區(qū)轉(zhuǎn)變點隨床料量的變化而變化，均在本模型的模擬中得到了較好的重現(xiàn)，顯示新提出的曳力模型在模擬快速流化床反應器的過程中優(yōu)于傳統(tǒng)的曳力模型。
　　其次，本文基于熱重實驗測試了赤鐵礦氧載體還原反應的反應特性，得到了適用的反應動力學模

5、型，同時分析了反應器形式(熱重分析儀和批次流化床反應器)對反應測試結(jié)果的影響。重點關注赤鐵礦氧載體還原反應的前兩個階段。熱重實驗中，第一階段還原反應受顆粒表面邊界層內(nèi)氣體擴散速率的控制，而第二階段反應主要受氣固異相化學反應速率的控制。氧載體第二階段還原反應的反應級數(shù)為1.5，表觀活化能為110.75 kJ/mol，指前因子為88.55 m4.5mol-1.5s-1。批次流化床實驗結(jié)果顯示：在通常的批次流化床實驗條件下，氧載體還原過程的第