《O2/CO2流化床燃燒機理及基於CFD-DEM反應流模型的研究》是依託東南大學，由陳曉平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：O2/CO2流化床燃燒機理及基於CFD-DEM反應流模型的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳曉平
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
CFD-DEM稠密氣固流動模型的研究已成為研究熱點之一，而將該模型套用於流化床O2/CO2燃燒領域的研究也日益受到學術界的關注。然而，由於流化床中顆粒碰撞、傳熱和燃燒時間尺度不同，導致建立的CFD-DEM反應流模型整體過程的耦合困難。此外，迄今為止，模型研究尚缺乏詳細的流化床熱態實驗數據驗證，阻礙了該模型的深入研究及套用。為此，本項目將以二維熱態可視化流化床實驗系統為平台，研究並獲得O2/CO2氣氛下，煤和焦炭顆粒燃燒過程的詳細實驗數據；同時，基於解耦思想，將CFD-DEM模型和傳熱、燃燒過程耦合，實現顆粒尺度上流化床內稠密氣固流動、傳熱和燃燒全過程的數值模擬和模型驗證，克服傳統流化床燃燒模型假設條件多或假設與實際過程偏差大的缺點。期望通過本項目的工作為CFD-DEM流化床O2/CO2燃燒模型的深入研究和發展奠定理論基礎，並深入揭示O2/CO2流化床條件下煤及焦炭顆粒的燃燒機理。
結題摘要
燃煤電站是我國CO2的主要排放源，流化床富氧燃燒是最可能被大規模推廣的燃煤電站碳捕集技術之。本項目結合實驗和數值模擬，研究了流化床富氧燃燒特性，並揭示了CO2取代N2對燃料燃燒特性的影響機制。 設計並搭建了一種高溫可視化流化床燃燒實驗系統，與圖像測量方法結合，實時觀測顆粒燃燒情況。得到了O2/CO2和O2/N2氣氛下我國典型煤顆粒揮發份析出和煤焦顆粒燃燒特性，並運用一維非穩態顆粒反應模型進行詳細研究。結果表明，毫米級煤顆粒揮發份析出過程主要受顆粒內部和與外界的傳熱控制。相比O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛下低O2擴散速率是改變燃燒顆粒著火方式和降低揮發份析出後期顆粒升溫速率的主導因素；高CO2比熱容導致揮發份著火延遲時間長於O2/N2氣氛和揮發份火焰溫度低於O2/N2氣氛。 流化床內毫米級煤焦顆粒燃燒過程受O2擴散速率控制。O2/CO2氣氛下，O2擴散速率低於O2/N2氣氛導致顆粒的燃燒速率下降、溫度降低；常規流化床燃燒溫度條件下，焦炭氣化反應對顆粒升溫過程的影響可忽略，氣化反應消耗碳低於顆粒碳含量的7%；提高床溫，氣化反應對顆粒燃燒過程的影響逐漸增強，當床溫高於1220 K，氣化反應對顆粒燃燒過程的影響不可忽略，同時氣化反應消耗碳可達顆粒含碳量的14%。綜合比較，O2擴散速率、顆粒孔隙率及顆粒密度是影響顆粒燃燒行為的重要參數。 比較了流化床與煤粉爐條件下次煙煤顆粒富氧燃燒特性。CO2取代N2後均會導致兩種燃燒條件下的燃料揮發份著火延遲時間延長、揮發份火焰和燃燒溫度峰值降低及燃盡時間增加，及煤粉顆粒的脫揮發份時間延長。CO2氣氛中高氣體比熱容和低O2擴散速率是流化床條件下燃燒特性改變的主導原因，而煤粉爐中氣化反應所引起的燃燒特性改變不可忽略。為獲得與空氣氣氛相近的次煙煤顆粒燃盡時間，流化床和煤粉爐富氧氣氛下O2濃度分別應達到25%和30%。 運用雙流體模型和CFD-DEM模型對流化床富氧燃燒進行了數值模擬研究，並基於CFD-DEM計算結果發展了Markov鏈隨機過程模型，大幅度降低了計算負荷、縮短了計算時間，為將來模擬工業級流化床奠定基礎。
