煤燃烧焦炭破碎及残灰粒子形成过程的模拟研究

摘要

煤炭是我国的主要能源，虽然其所占份额有逐年递减的趋势，但目前仍占我国一次能源的66％左右。燃用大量煤炭排放的SO2、NOx和颗粒物是我国大气污染的主要来源，其中颗粒物对大气的污染在近年来尤为严重。煤燃烧时颗粒物的生成是个非常复杂的过程，残灰质量在总颗粒物质量中占主导地位，焦炭破碎对残灰的生成及其尺寸分布起到决定性作用，因此对煤燃烧过程中焦炭破碎及残灰粒径分布的研究具有重要意义。然而由于条件所限，很难通过实验手段对燃烧过程中焦炭破碎残灰形成过程进行详细直观的研究，而数值模拟作为实验研究的重要补充，在描述煤燃烧焦炭破碎残灰形成过程等方面发挥着十分重要的作用。现有的焦炭破碎模型都有着本身的不足，颗粒群平衡模拟忽略煤焦本身的物理性质，三维破碎模型将孔和内部矿物质颗粒都假设为单一尺寸，这些都与实际煤燃烧焦炭破碎过程有较大差距。本文主要引入两种模型（连续模型和离散模型）来模拟焦炭破碎及残灰形成过程。先模拟单一孔径和单一颗粒粒径的模型，再将孔径和颗粒粒径离散化以更加贴近实际煤焦进行模拟。
　　首先分析模型几何结构得到表征灰形成过程的重要参数：分离距离Ls、聚合距离Lc和灰增长数Λ，然后将模型程序化进行模拟。连续模型中假设焦炭为已知半径的球，孔和内部矿物质颗粒作为离散相随机分布到球内，先模拟单一孔径和单一内部矿物质颗粒粒径的模型并分析结果，再模拟有孔径分布和颗粒粒径分布的模型并分析结果。离散模型中将焦炭假设为一个正八面体团簇，该团簇由大量空座或被占座构成，其中空座代表孔，被占座代表碳基质，所有被占座中以一定概率分布相同质量灰。用最外层座逐层脱落过程模拟外部扩散控制区的焦炭反应。最后分布灰质量，重新模拟并分析结果。
　　分析连续模型的模拟结果可得：残灰尺寸呈现双峰分布；随着孔隙率增大，残灰数量增多、灰尺寸减小；灰增长数Λ在一定程度上可以预测残灰尺寸。模型中添加内部矿物质颗粒粒径分布和孔径分布时，残灰尺寸的分布范围更广。
　　离散模型的模拟结果显示：残灰尺寸也呈现双峰分布；模型尺寸越大，残灰尺寸分布越广，选择大尺寸模型模拟时结果更为准确；残灰尺寸随聚合参数λ增大而增大；随着孔隙率增大，焦炭破碎次数增多，残灰尺寸减小。模型中添加内部矿物质颗粒粒径分布时，灰的尺寸分布更加不均匀。

目录

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究进展及分析

1.3 模拟软件的介绍

1.4 论文主要研究内容

第2章 连续模型和离散模型的几何分析

2.1 连续模型和离散模型的提出

2.2 连续模型公式化

2.3 离散模型公式化

2.4 本章小结

第3章 连续模型

3.1 模型假设

3.2 单一孔径和单一矿物质颗粒粒径的模型程序化

3.3 有孔径分布和矿物质颗粒粒径分布的模型程序化

3.4 本章小结

第4章 离散模型

4.1 逾渗理论背景

4.2 模型假设

4.3 单一矿物质颗粒粒径的模型程序化

4.4 有一定矿物质颗粒粒径分布的模型程序化

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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