燃煤循环流化床锅炉双组份颗粒流动和燃烧的数值模拟

摘要

燃煤循环流化床锅炉由于燃料适应性好、燃烧效率高和污染物排放少等优势,在世界范围内得到了迅速的发展。由于循环流化床锅炉内存在由复杂气固两相流动、传热传质过程和化学反应等机理相互耦合、共同作用的过程,数值模拟比较困难。以颗粒动理学为基础的双流体模型已较为广泛的应用于循环流化床锅炉内颗粒流态化和燃烧反应过程的数值模拟研究中。目前对循环流化床锅炉内气体-颗粒流动和煤燃烧的数值模拟研究主要采用基于单组分颗粒假设的双流体模型,简化了床料颗粒分布的多组分特性,忽略了煤和焦炭颗粒在燃烧过程中颗粒破碎过程。然而实际床料颗粒的粒径和密度等物性存在明显的差异,对炉内气固两相流动和煤燃烧过程都会产生影响。因此有必要发展一种基于多组分颗粒假设的的数学模型,应用于循环流化床内稠密颗粒流动以及燃烧过程的模拟研究。基于前人对床料颗粒特性的分类研究,本文将循环流化床内颗粒物料简化为双颗粒相(粗、细颗粒相)进行研究,建立了基于双组份颗粒的数学模型。
　　基于循环流化床内物料的双组份颗粒假设,给出气体-双组份颗粒流动过程的控制方程和颗粒动理学的控制方程和模型公式。粗颗粒相中包含四种成分:煤、粗颗粒焦炭、CaCO3和粗颗粒灰,细颗粒相中包含四种成分:细颗粒焦炭、CaO、CaSO4和细颗粒灰。煤燃烧过程中存在原煤的干燥热解、焦炭颗粒燃烧、挥发分气体燃烧等过程,分别采用相应的化学反应模型来描述。热解反应中考虑煤燃烧产生颗粒一次破碎,在焦炭的燃烧反应中考虑焦炭燃烧产生的颗粒二次破碎。应用多相流相间传热模型和辐射模型描述循环流化床锅炉内多相传热过程。另外,对于煤燃烧过程中会产生的污染物气体(NOx和SO2),采用相应的化学反应模型描述主要反应过程。
　　应用双组分颗粒流动和煤燃烧模型分别针对两个不同循环流化床实验装置内气固两相流动特性和煤燃烧过程进行数值模拟,对所建立模型的准确性进行验证。对Zhou等人的实验装置的计算结果得到的出口气体组分和温度分布与文献中的实验数据吻合较好。流动数值模拟获得了反应器内粗细颗粒的浓度和速度分布情况,并对影响不同颗粒分离和混合的颗粒物性因素进行了分析。在流动的基础上对煤燃烧进行模拟,获得了反应器内的气相组分分布、主要反应速率分布以及温度分布规律。在燃烧反应基础上中加入NOx和SO2反应模型计算,获得了反应器内的NOx和SO2组分分布和相关反应速率分布。对Adanez等人实验装置进行了炉内双组份颗粒的流动和燃烧过程的模拟研究,计算结果获得的碳燃烧效率与实验值吻合较好,分析了炉内粗细颗粒相中焦炭的分布规律和燃烧反应速率。在流动和燃烧反应基础上,加入SO2反应模型,研究了反应器内SO2组分分布和反应速率,分析了不同的钙硫摩尔比和过量空气系数对于反应器内SO2释放的影响。
　　最后,采用双组分颗粒流动和煤燃烧模型对116MW循环流化床锅炉炉膛内气固两相流动和煤燃烧过程进行数值模拟,研究实际锅炉炉膛内气固两相流动和煤燃烧过程。首先对116MW循环流化床炉膛内进行气固两相流动计算,得到了在炉膛不同截面粗细颗粒的颗粒浓度和速度分布,分析了炉膛内的气固两相流的流动特性和不同颗粒的分离特性。在流动稳定基础上增加燃烧反应和传热过程的计算,得到了主要气相燃烧组分和粗细颗粒相焦炭组分分布,燃烧反应速率分布和温度分布,研究了CFB炉膛内燃烧反应特性及其影响因素。在流动和燃烧反应基础上加入NOx和SO2反应模型计算,获得了各个污染物组分分布,分析了NOx和SO2生成和脱除的主要反应过程。通过改变一二次风速和粗颗粒粒径操作条件,研究不同操作条件对炉内气体颗粒流动和煤燃烧过程的影响。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 循环流化床锅炉锅炉燃烧特点及发展现状

1.3 循环流化床炉内颗粒流动和燃烧数学模型国内外研究现状

1.4 多组分颗粒流动研究现状

1.5 本文研究的主要内容

1.6 本章小结

第2章 理论模型与计算方法

2.1基本控制方程

2.2多组分颗粒动力学模型

2.3 燃烧化学反应模型

2.4传热模型

2.5 NOx和SO2反应模型

2.6 本章小结

第3章 提升管实验装置燃烧过程的数值模拟研究

3.1 引言

3.2计算模型及边界条件

3.3 Zhou等实验工况的模拟结果与讨论

3.4 Adanez等实验工况的模拟结果与讨论

第4章116MW循环流化床锅炉燃烧模拟研究

4.1 引言

4.2 计算模型及主要参数

4.3 循环流化床炉膛内气固两相流的流动特性

4.4 CFB炉膛内燃烧特性研究

4.5 污染物排放研究

4.6 不同操作参数对燃烧的影响

4.7 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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