煤顆粒流化床富氧燃燒機理研究.pdf

1、我國的能源結構以煤為主導，且在相當長的時間內(nèi)不會發(fā)生根本改變，決定了燃煤電站是我國CO2最主要的排放源。研發(fā)燃煤電站CO2捕集技術已成為國家重要的發(fā)展戰(zhàn)略。富氧燃燒具有成本及技術風險低、易規(guī)模化等優(yōu)勢，被認為是最可能大規(guī)模推廣的燃煤電站碳捕集技術之一。流化床富氧燃燒技術結合了流化床燃燒和富氧燃燒的優(yōu)勢，對其進行深入研究對該項技術的發(fā)展和商業(yè)化進程的推進具有重要意義。
　　本文結合實驗和數(shù)值模擬方法，從煤顆粒流化床富氧燃燒特性的定性

2、獲取至燃燒機理的定量揭示，依次展開研究工作。研究結果加深了人們對于流化床富氧燃燒的認識，并定量揭示了CO2取代N2對煤顆粒燃燒特性的影響機制。全文主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)設計并搭建了一種高溫可視化流化床燃燒實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與圖像測量方法結合，克服了傳統(tǒng)可視化流化床因觀察窗過小，導致難以實時觀測顆粒燃燒情況等缺陷。利用該實驗平臺獲取了詳實可靠的顆粒燃燒實驗數(shù)據(jù)，豐富了流化床燃燒的實驗研究手段并為流化床條件下顆粒燃燒模型

3、的建立奠定了堅實的實驗基礎。
　　(2)利用高溫可視化流化床燃燒實驗平臺考察了O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛下我國典型煤（無煙煤、煙煤、次煙煤和褐煤）顆粒揮發(fā)份析出規(guī)律，并運用一維非穩(wěn)態(tài)顆粒反應模型，詳細研究了流化床內(nèi)燃料顆粒揮發(fā)份析出特性。實驗和數(shù)值模擬分析表明，毫米級煤顆粒揮發(fā)份析出過程主要受顆粒內(nèi)部和與外界的傳熱控制，CO2取代N2對顆粒這一傳熱特性的影響有限。相比O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛下低O2擴散速率是改變?nèi)紵?/p>

4、顆粒著火方式和降低揮發(fā)份析出后期顆粒升溫速率的主導因素;高CO2比熱容導致?lián)]發(fā)份著火延遲時間長于O2/N2氣氛和揮發(fā)份火焰溫度低于O2/N2氣氛;流化床燃燒室內(nèi)，揮發(fā)份燃燒釋放熱由氣流攜帶遠離顆粒，對顆粒的升溫過程無明顯影響;相同的燃燒條件下，不同燃料顆粒揮發(fā)份析出特性的差異主要源自顆粒自身屬性的差異。
　　(3)運用高溫可視化流化床燃燒實驗平臺研究了O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛下我國典型煤焦顆粒燃燒特性，并運用一維非穩(wěn)態(tài)顆粒

5、反應模型，定量分析了CO2取代N2對煤焦燃燒過程的影響機制。研究結果表明，流化床內(nèi)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擴散速率低于O2/N2氣氛導致該氣氛下顆粒的燃燒速率下降、溫度降低;常規(guī)流化床燃燒溫度條件下，焦炭氣化反應對顆粒燃燒過程的影響可忽略，氣化反應消耗碳低于顆粒碳含量的7％;提高床溫后，氣化反應對顆粒燃燒過程的影響逐漸增強，當床溫高于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

6、應消耗碳可達顆粒含碳量的14％。綜合比較，O2擴散速率、顆?？紫堵始邦w粒密度是影響顆粒燃燒特性的重要參數(shù)。流化床內(nèi)焦炭燃燒特性可采用非等溫sharp-interface模型描述，以有效簡化計算流體力學框架下流化床燃燒反應的數(shù)學模型。
　　(4)比較了流化床與煤粉爐條件下次煙煤顆粒富氧燃燒特性（揮發(fā)份著火延遲時間、揮發(fā)份火焰溫度峰值、脫揮發(fā)份時間、顆粒燃燒溫度峰值及顆粒燃盡時間）的差異。O2/CO2氣氛取代O2/N2氣氛后均會導致兩

7、種燃燒條件下的燃料揮發(fā)份著火延遲時間延長、揮發(fā)份火焰溫度峰值降低、燃燒溫度峰值降低和燃盡時間增加，及煤粉顆粒的脫揮發(fā)份時間延長。兩種燃燒條件下導致上述燃燒特性改變的機理不完全一致:除流化床和煤粉爐條件下顆粒自身傳熱和傳質(zhì)特性的差異外，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要原因;而煤粉爐條件下除上述原因外，氣化反應所引起的燃燒特性的改變不可忽略。在本研究中為獲得與空氣氣氛相近的次煙煤顆粒燃盡時間，流化床和