高通量循环流化床燃煤化学链燃烧试验及数值模拟研究

摘要

大多数学者认为，化石燃料燃烧所产生的二氧化碳(CO2)是导致温室效应及全球变暖的主要原因。化学链燃烧技术(CLC)是一项非常有前景的新型燃烧技术，它能在基本没有能量损失的前提下，于燃烧过程中实现CO2的分离。迄今为止，气体燃料化学链燃烧已经得到广泛研究，当前研究的重点是以煤为主的固体燃料化学链燃烧技术，主要涉及反应器的设计与运行、载氧体的基础性能研究、反应器内流动与反应的数值模拟等方面。本文采用试验和数值模拟相结合的手段，对燃煤化学链燃烧技术的以上几个研究内容进行了系统深入的研究。
　　构建了一套基于高通量循环流化床的燃煤化学链燃烧分离CO2的新方法系统。该方法的主要思路是:燃料反应器为高通量循环流化床上升管，可以确保整个反应器高度上都有较高的颗粒浓度和良好的气固接触，极大地促进反应及传热效率。空气反应器为错流移动床，具有压降低、颗粒流动平稳以及结构简洁等优点，它直接嫁接于循环流化床下降管中部，增加了系统的简洁性与可控性。此外，一个特殊设计的两级分离系统可以实现燃料反应器出口处粗粒径载氧体颗粒和细的残炭颗粒的选择性分离，从而提高碳的捕集效率和燃料转化率。具体来讲，第一级分离器为低效率的惯性分离器，在其中绝大部分粗粒径载氧体颗粒被分离进空气反应器进行氧化再生，而细残炭颗粒则继续进入第二级分离器;第二级分离器为高效率的旋风分离器，可以将绝大部分的细可燃颗粒分离并送回至燃料反应器进行进一步的反应。
　　创新性地以一种天然的贫铁矿石作为载氧体，在热重分析仪(TGA)反应器上开展了基于该载氧体的基础性能研究。通过长时间的还原/氧化循环试验，考察了载氧体的循环稳定性及抗团聚能力。重点研究了反应温度、燃料气浓度以及反应气种类等因素对载氧体还原反应特性的影响。基于热重试验结果，采用集成还原速率法和缩核模型建立载氧体的整体还原反应动力学模型，获得了后期系统模拟所必需的反应动力学参数。
　　建立了基于新方法的燃煤化学链燃烧冷态试验装置，实现了全系统的稳定运行和操作参数的灵活调节，初步验证了此新方法系统的可行性。循环流化床上升管为燃料反应器，实现了最大通量达500kg/m2s的高通量循环流态化，大大提升了燃料反应器内的颗粒浓度以及气固接触效率。错流移动床空气反应器展现出压降低、颗粒流动平稳、气固接触面积大等优点。两级分离系统展示出高的选择性分离效率和整体分离效率，由此可以确保热态试验中燃料反应器出口载氧体颗粒、残炭颗粒以及烟气三者之间的高效分离。通过调节两反应器之间的压比，可以有效地控制两反应器的气流方向并抑制气体旁路，从而确保热态试验中获得高的CO2浓度和捕集效率。
　　在冷态试验的基础上，进一步建立了基于新方法的燃煤化学链燃烧热态中试试验装置，以神华烟煤为燃料，以贫铁矿为载氧体开展热态试验。经过调试，整个装置成功运行了超过50小时，实现了热态条件下的运行稳定性以及良好的反应性能，证明了所构建的燃煤化学链燃烧新方法系统的可行性与应用潜力。重点测试了燃料反应器温度对CO2体积率、碳的捕集效率以及燃料转化率的影响。贫铁矿载氧体在高温、高通量连续运行中，展现出充分的反应活性和氧气输运能力，良好的循环稳定性，较高的耐磨性与抗团聚能力，证明了此贫铁矿在未来的燃煤CLC电站中有着良好的应用前景。
　　基于前期获得的动力学参数及热态试验结果，在数值实验基础平台上，建立了耦合气固流动和化学反应的新方法系统燃煤化学链燃烧三维数值模型。模拟对象为所搭建的热态装置的燃料反应器，模拟了反应器内的气固流动，组分分布，燃料转化率和反应速率等重要参数的特性规律。模拟结果与试验结果相比较，验证了模型的合理性。在此基础上，揭示了一些重要操作参数对反应器内的气固流动与反应特性的影响，实现了对试验研究的补充和拓展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 CO2减排技术研究进展

1．2．1 燃烧前脱碳

1．2．2 燃烧后脱碳

1．2．3 富氧燃烧技术

1．2．4 化学链燃烧技术

1．3 化学链燃烧技术的研究进展与发展方向

1．3．1 化学链燃烧系统性能分析研究进展

1．3．2 载氧体的研究进展

1．3．3 固体燃料化学链燃烧技术的研究进展

1．3．4 化学链燃烧反应器的研究进展

1．3．5 载氧体反应动力学研究进展

1．3．6 化学链燃烧数值模拟的研究进展

1．4 本文研究目的和研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．5 本章小结

参考文献

第二章 高通量循环流化床燃煤化学链燃烧系统的构建

2．1 引言

2．2 燃煤化学链燃烧新方法系统的构建

2．2．1 载氧体的选取

2．2．2 反应器的设计

2．3 工艺流程

2．4 预期目标

2．5 本章小结

参考文献

第三章 载氧体的反应特性及动力学研究

3．1 引言

3．2 载氧体的还原氧化循环试验

3．2．1 试验材料与表征分析

3．2．2 试验装置和操作流程

3．3 数据处理

3．4 试验结果与讨论

3．4．1 载氧体的循环稳定性

3．4．2 反应温度对还原反应的影响

3．4．3 反应气浓度对还原反应的影响

3．4．4 反应气种类对还原反应的影响

3．4．5 与高品质铁矿石的反应活性比较

3．4．6 副反应分析

3．4．7 载氧体还原反应动力学

3．5 本章小结

符号列表

参考文献

第四章 高通量循环流化床燃煤化学链燃烧冷态试验研究

4．1 引言

4．2 冷态装置介绍

4．2．1 试验物料

4．2．2 冷态试验装置

4．3 试验流程

4．4 数据处理

4．5 试验结果与分析

4．5．1 全系统特性

4．5．2 燃料反应器

4．5．3 空气反应器

4．5．4 两级分离系统

4．5．5 气体旁路的可控性

4．5．6 载氧体的循环耐磨性

4．6 本章小结

符号列表

参考文献

第五章 高通量循环流化床燃煤化学链燃烧热态中试研究

5．1 引言

5．2 热态装置介绍

5．2．1 试验物料

5．2．2 试验台设计

5．2．3 热态试验系统

5．3 试验流程

5．4 数据处理

5．5 结果和讨论

5．5．1 加热与流动特性

5．5．2 反应特性

5．5．3 燃料反应器温度的影响

5．5．4 反应器性能评估

5．6 本章小结

符号列表

参考文献

第六章 高通量循环流化床燃煤化学链燃烧三维数值模拟

6．1 引言

6．2 数学模型描述

6．2．1 控制方程

6．2．2 相间相互作用力及热转换模型

6．2．3 本构方程

6．2．4 颗粒动力学理论及模型

6．2．5 湍流模型

6．2．6 组分输运方程

6．2．7 化学反应模型

6．3 模拟对象及数值条件

6．3．1 模拟对象

6．3．2 数值求解方法

6．3．3 边界条件和初始条件

6．3．4 物性参数

6．4 数据处理

6．5 模拟结果与分析

6．5．1 流动特性

6．5．2 气固组分分布

6．5．3 非均相反应分布

6．5．4 固体通量的影响

6．5．5 燃料反应器流化数的影响

6．5．6 气化剂种类的影响

6．6 本章小结

符号列表

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 主要研究成果及创新

7．2 论文不足之处及今后需要开展的工作

攻读博士学位期间论文及专利发表情况

致谢