O2/CO2气氛下鼓泡流化床煤与生物质混燃数值模拟研究

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流化床O2/CO2燃烧技术被认为是最具前景的电厂CO2减排技术之一。目前该项技术仍有很多基础性问题需要深入地研究,尤其在应用于煤与生物质混燃时,可借鉴的相关研究尚少。数值模拟可直观地描述流动和燃烧过程,是对燃烧特性及示范项目优化设计等研究的有效工具。因此,通过研究适合于流化床O2/CO2气氛煤燃烧和煤与生物质混燃过程的数值模拟方法,以更好地描述和分析炉内燃烧特性,指导该项技术的工业规模应用及性能优化设计,具有重要的理论意义与应用价值。  本文以自建6kWth鼓泡流化床燃烧室为研究对象,对流化床O2/CO2气氛煤燃烧和煤与生物质混燃的数值模拟方法进行了探讨,并对O2/CO2气氛下燃烧模型的改进进行了研究。首先,针对流化床和O2/CO2气氛燃烧的特点,建立了O2/CO2气氛流化床煤燃烧和煤与生物质混燃燃烧的二维综合计算模型。在模型的建立过程中,对燃烧和化学反应参数均选取了适用于O2/CO2气氛的计算参数,并对焦炭燃烧模型进行了修正,增加了焦炭与CO2和H2O的气化反应计算模型。其次,应用所建的流化床煤燃烧综合计算模型,对O2/CO2和空气气氛下考虑气化反应和不考虑气化反应的流化床内烟煤的燃烧过程进行了数值模拟,深入研究了O2/CO2气氛下流化床内的流动、传热和燃烧特性,并对比分析了空气气氛和O2/CO2气氛变化对炉内流动和燃烧过程的影响,同时探讨了是否考虑焦炭气化反应对O2/CO2气氛下模拟预测煤燃烧准确性的影响。再次,应用所建立的流化床煤与生物质混燃的综合计算模型,对O2/CO2气氛下烟煤与木屑的混燃过程进行了数值模拟,详细分析了燃料由煤变为煤与生物质混合燃料时对流化床内流场、温度场和燃烧特性的影响。最后,应用此混燃计算综合模型研究了不同入口O2浓度的O2/CO2气氛下流化床内煤与生物质混燃时的流动、传热和燃烧特性,对O2浓度的影响进行了探讨。所有上述数值模拟工况均在自建鼓泡流化床上进行了相应条件的实验验证。  数值模拟研究结果表明:O2/CO2气氛煤燃烧时流化床内的气固流动呈环-核分布,密相区下部和稀相区上部存在较大温差,给煤口和二次风口附近由于挥发分的燃烧会出现相对高温区;给煤量相同时,空气气氛和O2/CO2气氛下流化床内的流动、传热和燃烧特性有所不同,O2/CO2气氛下炉膛整体气相速度略低,炉膛温度低约45-60K,炉膛密相区O2浓度相对更高,稀相区H2O浓度相对更低,炉膛整体CO2浓度较空气气氛高出许多;O2/CO2气氛下,增加焦炭气化反应计算模型,可使炉膛出口CO浓度的预测误差降低30%;供给燃料量相同时,O2/CO2气氛下煤与生物质混燃相较于煤燃烧时的炉膛整体温度水平降低40-50K,炉膛内整体的O2、H2O和CH4浓度相对更高,CO2、焦油和焦炭浓度则相对更低;混燃燃料量相同时,随着入口O2浓度的提高,O2/CO2气氛煤与生物质混燃时流化床内的流化风速不断降低,密相区颗粒浓度逐渐增大,密相区温度不断升高,稀相区的温度降幅则越来越大,各可燃成分的燃烧速率和焦炭气化反应速率不断增大。实验验证结果表明,实验所测得的实验数据与模拟结果吻合较好,说明该煤燃烧和混燃的综合计算模型具有一定的准确性和可靠性。
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