单颗粒煤焦在O2/CO2与O2/H2O气氛下燃烧特性的实验与模拟研究

摘要

矿物燃料燃烧排放的CO2引起的全球气候变暖问题在逐渐威胁着人类的生存环境，进行CO2的减排工作迫在眉睫。Oxy-steam燃烧作为一种新型的燃烧方式，能够克服现有的以O2/CO2为代表的Oxy-fuel燃烧方式存在的问题，受到研究学者的广泛关注。本文主要运用数值模拟和实验方法，研究了单颗粒煤焦在O2/H2O和O2/CO2气氛下的燃烧特性。
　　对单颗粒煤焦在O2/H2O及O2/CO2静止气氛的稳态燃烧的模拟发现，煤焦燃烧后产生的CO含量随着氧气浓度的增加而增加。在O2/H2O气氛下发现H2含量在氧浓度为0.3时最大，颗粒表面的H2随氧浓度继续增加而降低，气相中的H2最大含量则变化不大。当气体温度增加时，煤焦燃烧产生的CO、H2含量呈下降趋势，相反CO2含量和温度则呈上升趋势。但在O2/H2O气氛下，温度为1273K和1373K的区间内，煤焦燃烧产生的CO和H2含量变化不大，焦炭的质量损耗率也在增加。
　　使用同步热分析仪对煤焦在O2/H2O、O2/N2和O2/CO2气氛下的着火实验，发现氧气浓度增加后加快了煤焦的着火和燃烧进程。对比实验和模拟得到的结果发现，O2/H2O气氛下煤焦的失重率最大，O2/N2气氛下居中，O2/CO2气氛下最小。对单颗粒煤焦在O2/H2O、O2/N2和O2/CO2气氛下着火的非稳态过程模拟发现，增加氧气浓度，加快了化学反应速率，更易于着火。同时，颗粒表面的CO、CO2和H2的含量都相应提高。当氧气浓度相同时，焦炭在O2/H2O气氛下的质量消耗率比O2/CO2和O2/N2气氛下高。

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1 绪 论

1.1 Oxy-steam燃烧的研究背景

1.2 Oxy-steam燃烧方式的简介

1.2.1 Oxy-steam燃烧方式的结构组成

1.2.2 Oxy-steam燃烧方式的特点

1.3 Oxy-steam燃烧的研究现状

1.4 本文的研究内容

2 煤焦颗粒在O2/CO2和O2/H2O气氛中的稳态燃烧特性分析

2.1 煤焦稳态燃烧的数值模型

2.1.1 数学模型

2.1.2 基本控制方程

2.1.3 流动模型

2.1.4 辐射模型

2.1.5 燃烧模型

2.1.6 基本假设及反应方程

2.1.7 传输特性

2.2 煤焦燃烧过程中模拟的边界条件

2.3 模拟结果及分析

2.3.1 氧气浓度对燃烧过程的影响

2.3.2 来流温度对燃烧过程的影响

2.4 本章小结

3 煤焦在O2/CO2与O2/H2O气氛中着火动态实验与模拟分析

3.1煤焦在O2/CO2和O2/H2O气氛中的着火实验

3.1.1实验装置介绍

3.1.2实验过程

3.1.3实验结果及分析

3.2煤焦燃烧非稳态的燃烧模型

3.2.1数学模型

3.2.2控制方程

3.2.3流动模型

3.2.4辐射模型

3.2.5燃烧模型

3.2.6假设及反应方程

3.3非稳态模拟结果及分析

3.3.1实验与模拟对比

3.3.2非稳态模拟及分析

3.4本章小结

4 全文总结与工作展望

4.1全文总结

4.2工作展望

致谢

参考文献