流化床富氧燃烧条件下单颗粒煤燃烧模拟研究

论文总字数：40433字

摘 要

一直以来，煤炭资源都具有低成本高收益的优点，故而在今后很长一段时间内，煤炭仍然是最重要的能量来源和燃料。近年来，随着人类社会的不断进步，我们对于资源的利用力度越来越大，因一次能源的过度使用所带来的温室效应问题也日渐威胁地球的生态环境。为了控制CO₂等温室气体的过度排放，富氧燃烧技术越来越成为近年来最受关注的课题之一。

本文采用数值模拟研究的手段，对于富氧燃烧条件下煤颗粒在流化床内的燃烧过程进行了研究，研究结果有助于深入了解煤颗粒在流化床条件下燃烧过程。

本文从理论角度出发，首先建立了煤单颗粒在流化床反应器内的升温反应模型。模型描述了在O₂/N₂气氛下煤颗粒的定量燃烧特性（包括颗粒传热机制，碳转化速率，气体反应规律以及脱挥发分过程）。通过模型分析，发现因水分蒸发影响，颗粒温度会短暂停留在373K。利用该模型对比了O₂/CO₂气氛与O₂/N₂气氛下煤颗粒燃烧的定量上的差异。结果显示，O₂/CO₂气氛取代O₂/N₂气氛对颗粒传热机制的影响几乎可以忽略，而富氧燃烧条件下（O₂/CO₂）颗粒碳转化速率由于较低的氧气扩散速率而变低。

然后，本模型针对目前大部分煤颗粒燃烧模型对煤颗粒孔结构影响的考虑较简化，采用孔隙率这一参数来描述颗粒的孔结构并对传热过程进行修正，对煤颗粒燃烧后期的焦炭反应过程进行多孔近似从而建立考虑孔结构的焦炭反应模型。利用模型分析了在O₂/N₂条件下煤颗粒在反应后期（800K后）的升温趋势，发现颗粒表面处温度受颗粒表面氧浓度控制。在颗粒反应过程中，颗粒的气化反应速率低于氧化反应速率，故而其气化反应对颗粒的升温过程影响较低。

关键词：富氧燃烧，煤颗粒反应模型，焦炭燃烧，孔结构，数值模拟

Abstract

Because of the advantages of low cost and high reserve, coal resource is still the most important source of energy and fuel in the foreseeable future. In recent years, with the great progress of human society, we overuse more and more resources of the nature. Due to that, the problems caused by Greenhouse effect is increasingly threatening the Earth's ecological environment. In order to control the excessive emission of greenhouse gases such as CO₂, oxy-fuel combustion technology has become one of the most striking subjects.

In this paper, the combustion process of coal particles in fluidized bed under oxy-fuel combustion conditions is studied by means of numerical simulation. The results are helpful to understand the combustion process of coal particles under fluidized bed conditions.

In this paper, the heating model and the reaction model of single coal particle in fluidized bed reactor is established from the theoretical point of view. The model describes the quantitative ignition behavior of coal particles in the O₂/N₂ atmosphere (including the particle heat transfer mechanism, carbon conversion rate, gas reaction law and devolatilization process). It was found that the particle temperature would stay at 373K due to the evaporation of water.In this model, the quantitative difference of the coal particle combustion behavior between the O₂/CO₂ atmosphere and the O₂/N₂ atmosphere is compared with this model. The results show that the difference of the heat transfer mechanism between the O₂/CO₂ atmosphere and the O2/N2 atmosphere is almost negligible, while the carbon conversion rate of O₂/CO₂ under oxy-fuel combustion conditions becomes low due to the low oxygen diffusion rate.

Then, this paper established the coke reaction model which considering the pore structure used a parameter named porosity to describe the pore structure of the coal. The temperature trend of coal particles in the late stage of reaction (800K) under O₂/N₂ condition was analyzed by using the model. In the process of particle reaction, the gasification rate of the particles is lower than the oxidation reaction rate, so the gasification reaction has little effect on the temperature rise process of the particles.

Keywords: oxy-fuel combustion, reaction model of coal particles, coke reaction, pore structure, numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.2 燃煤电站CO2捕集技术 3

1.2.1 燃烧前CO₂捕集技术 3

1.2.2 燃烧后CO₂捕集技术 3

1.2.3 燃烧中CO₂捕集技术 4

1.2.4 CO₂捕集技术比较 5

1.3 煤颗粒燃烧模型研究现状 6

1.3.1 颗粒流场模型 6

1.3.2 颗粒反应模型 7

1.4 本论文研究意义与研究内容 10

1.4.1 研究意义 10

1.4.2 研究内容 10

1.4.3 研究技术路线 11

符号说明 12

第二章 流化床内单颗粒煤燃烧的模型研究 14

2.1 引言 14

2.2 模型描述 14

2.2.1 模型假设 15

2.2.2 化学反应模型 15

2.2.3 控制方程 17

2.2.4 干燥模型 18

2.2.5 脱挥发分模型 18

2.2.6 均相反应模型 19

2.2.7 焦炭燃烧模型 21

2.3 算法设计 22

2.4 结果与分析 24

2.4.1 模型输入参数 24

2.4.2 求解结果与结论 26

2.5 本章小结 30

符号说明 31

第三章 考虑孔结构的焦炭反应模型研究 34

3.1 引言 34

3.2 模型描述 34

3.2.1 模型假设 34

3.2.2 化学反应模型 35

3.2.2 焦炭反应模型 35

3.3 算法设计 38

3.4 求解结果与分析 39

3.4.1 模型输入参数 39

3.4.2 求解结果与讨论 40

3.5 本章小结 46

符号说明 46

第四章 结论与展望 48

4.1 全文总结 48

4.2 本文研究不足与后续工作展望 48

参考文献 50

致谢 52

1. 绪论

1.1 研究背景

随着人类社会的活动和科技的发展，温室效应对地球生态的影响日益严重和突出。温室效应是指，当大气中温室气体含量超过一定水平时，会导致地表与低层大气温度升高，从而给地球环境与人类生活带来灾难性影响^[1]。温室气体主要包括CO₂、CH₄、H₂O、N₂O和O₃等，其中CO₂气体对温室效应的作用最显著。控制温室气体的排放，保护全球生态环境的是目前人类生存和发展的最急迫最严峻的问题之一。为此，我国相继制定了多项减排温室气体的目标。在哥本哈根气候变化峰会上（2009年），中国就宣布在2020年单位国内生产总值CO2的排放量比2005年下降45%左右。我国在“十二五规划”（2011年）中也曾明确提出要将单位国内生产总值CO2的排放量减少17%的目标。2014年发布的《中美气候变化联合声明》中，中国预计CO2排放量在2030年左右达到峰值，同时，非化石能源占一次能源消费的比重提高到20%左右。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：40433字