可燃固废/煤的燃烧/热解/气化过程的三维数值模拟

摘要

固体废弃物的排放对我国生态和环境造成了日益严重的压力，如何充分、有效地处理并利用可燃固体废弃物，同时提高煤炭转化效率、降低大气污染物排放，是能源动力领域关注的热点问题。典型的可燃固废（煤）的燃烧/热解/气化过程的动力系统是一个稠密气固反应系统。国内外对于稠密气固两相流动进行了较深入的研究，但对稠密气固反应系统的多相流动、传热传质与化学反应机制的研究尚处于发展阶段，特别是在工业应用中，测试难度较大，数值模拟又受到限制，以至于在设备放大设计、结构参数优化等方面都遇到一定的困难。本文基于数值模拟手段，对可燃固废/煤的燃烧/热解/气化过程的流动与反应特性进行了较深入的研究。
　　改进和优化了欧拉多相流与化学反应耦合的数理模型，特别是引入了全面的气态污染物析出和脱除模型，构建了可燃固废/煤的燃烧/热解/气化过程的气固两相流动、产气特征、焦油含量和气态污染物排放综合预测的三维数值模拟平台。
　　实践发展了欧拉-拉格朗日方法框架下的稠密气固流动与化学反应耦合的数值模拟方法。气相场采用LES湍流模型，颗粒场基于多相流-单元内源项颗粒群(MP-PIC)方法，采用计算颗粒对大量真实颗粒进行数值估计，同时颗粒碰撞和非均相化学反应可基于欧拉网格计算，实现了高效求解高浓度气固反应系统。在此基础上，建立了可燃固废/煤的燃烧/热解/气化过程的欧拉-拉格朗日+化学反应三维数值模拟平台。
　　通过鼓泡流化床和喷动床中煤和可燃固废气化过程的数值模拟，对所建立的欧拉-拉格朗日+化学反应数值模拟基础平台进行验证，床内流型结构与实际系统符合，不同操作参数下产气组分模拟值与试验结果基本一致。随后分别采用改进的欧拉多相流模型和欧拉-拉格朗日模型，研究循环流化床可燃固废燃烧过程，重点考察了SO2、NO、N2O等气态污染物的排放，结果表明:两种模型均能有效反映床内的气固流动和污染物排放方面的特征和趋势;与欧拉模型相比，欧拉-拉格朗日模型能够有效捕捉颗粒团聚物等流动细节，同时出口气体组分的计算误差更小。
　　基于本文所建立的欧拉-拉格朗日+化学反应数值模拟平台，对城市生活垃圾中五种典型组分进行了流化床气化特性的研究，获得了不同空气当量比下的颗粒流型、产气组分、气态污染物排放、焦油含量、产气热值、气体产率、碳转化率和气化气效率等信息，分析了流动形态与气化特征之间的内在联系。此外，选取不同的垃圾组分和比例进行混合，模拟了混合垃圾的气化过程，并将混合物气化特征与气固温度、颗粒组分、单组分气化结果的线性叠加结合起来，解析了可燃固体废弃物气化过程原料组成与气化特性的因果关系，揭示了多组分之间的耦合协同作用机理。
　　将多组分可燃固废反应系统的研究扩展到工业装置，对75 t/h的垃圾和煤混烧循环流化床锅炉进行了三维全循环数值模拟，模型中包括炉膛、旋风分离器、返料器、外置换热器等部分，预测了局部高温区域、壁面磨损发生位置和主要气态污染物排放情况。从全回路的视角揭示了垃圾焚烧炉内的气固运动机制与燃烧反应特性。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 稠密气固系统中可燃固废／煤的燃烧／热解／气化过程的试验研究

1．2．2 稠密气固流动与化学反应耦合的数值模拟研究

1．2．3 综合评述

1．3 课题的研究思路和目标

1．4 课题的研究内容和技术路线

1．5 本章小结

参考文献

第二章 基于欧拉-欧拉方法的稠密气固流动与化学反应耦合的三维数理模型

2．1 引言

2．2 气固两相流动模型

2．2．1 连续性方程

2．2．2 动量方程

2．2．3 湍流模型

2．2．4 颗粒动理学理论

2．2．5 曳力模型

2．3 气固两相能量方程

2．3．1 能量方程

2．3．2 相间传热模型

2．3．3 辐射模型

2．4 化学反应模型

2．4．1 控制方程

2．4．2 化学反应模型

2．5 模型的边界条件

2．6 模型的数值求解方法

2．7 本章小结

参考文献

第三章 基于欧拉-拉格朗日方法的稠密气固流动与化学反应耦合的三维数理模型

3．1 引言

3．2 气相场控制方程

3．2．1 连续性方程

3．2．2 动量方程

3．2．3 湍流模型

3．2．4 组分输运方程

3．2．5 能量方程

3．3 固相场控制方程

3．3．1 颗粒运动方程

3．3．2 碰撞模型

3．3．3 气固流动与化学反应耦合

3．4 化学反应模型

3．4．1 热解模型

3．4．2 气相燃烧模型

3．4．3 焦炭燃烧和气化模型

3．4．4 气态污染物的生成与脱除模型

3．5 模型的边界条件

3．6 数值计算方法

3．7 本章小结

参考文献

第四章 典型稠密气固反应系统的数值模拟与验证

4．1 引言

4．2 鼓泡流化床煤气化的欧拉-拉格朗日数值模拟

4．2．1 数值模拟对象

4．2．2 网格划分与计算颗粒选取

4．2．3 模拟结果与验证

4．3 喷动床可燃固废气化的欧拉-拉格朗日数值模拟

4．3．1 数值模拟对象及条件

4．3．2 典型的模拟结果

4．4 循环流化床可燃固废燃烧的欧拉-欧拉数值模拟

4．4．1 数值模拟对象

4．4．2 数值计算方法及条件

4．4．3 典型的模拟结果

4．5 循环流化床可燃固废燃烧的欧拉-拉格朗日数值模拟

4．5．1 空隙率及气固速度

4．5．2 气体组分浓度与污染物排放

4．6 欧拉-欧拉与欧拉-拉格朗日方法模拟结果的比较分析

4．6．1 计算时间

4．6．2 流体动力学特性

4．6．3 燃烧反应特性

4．7 本章小结

参考文献

第五章 流化床可燃固废气化特性的研究

5．1 引言

5．2 单组分可燃固废气化特性的研究

5．2．1 研究对象描述

5．2．2 操作参数对气化特性的影响

5．3 多组分可燃固废气化特性的研究

5．3．1 研究对象及条件

5．3．2 典型的可燃固废组分气化特性

5．3．3 混合组分的气化特性

5．4 本章小结

参考文献

第六章 工业规模循环流化床垃圾焚烧炉的三维全场流动与燃烧特性

6．1 引言

6．2 模型选择

6．3 研究对象描述

6．4 气固流动特性

6．4．1 全场流型的发展过程

6．4．2 颗粒浓度

6．4．3 颗粒速度

6．4．4 全场压力

6．4．5 壁面磨损

6．5 燃烧反应特性

6．5．1 出口气体组分

6．5．2 炉膛内气体组分浓度

6．5．3 气固温度

6．5．4 全场气体组分浓度

6．6 本章小结

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 进一步研究的展望

博士期间发表学术论文

资助项目／基金

致谢