燃煤添加剂研究及多孔介质内流体流动的格子Boltzmann方法模拟

摘要

我国已经成为世界上最大的一次能源消费国，煤炭在我国能源消费结构中占有相当大的比例，燃烧是煤炭利用最主要的形式，然而煤燃烧过程中会向大气排放各种污染物，威胁人类社会和环境的健康发展。从可持续发展的观点出发，国家制定了相当严格的大气污染物排放标准，这同时也向电厂污染物控制技术提出了相当大的挑战。因此，本文基于这样的背景，研究了燃烧过程中挥发份氮迁移转化的化学动力学特性以及燃煤添加剂对煤燃烧过程中的影响；同时采用大涡格子Boltzmann方法研究了大雷诺数时多孔介质内流体流动的非线性特性。
　　首先，本文采用活塞流反应器，结合详细的化学反应机理模拟了挥发份成分HCN、NH3在不同反应条件下反应生成NO、N2O的特性。结果表明对于N2O而言，温度是其最敏感的影响参数，其含量随温度升高先增加后减少，存在一个最佳反应温度；NO含量随温度升高则迅速一直增加。CO的引入会带入活性很强的自由基，这些自由基金促进中间反应的快速进行从而产生更多的NCO，并导致NO、N2O最大生成量的增加。HCN和NH3比例对最终的产物含量有一定影响，H2O的引入对N2O生成有抑制作用。
　　其次，在自主设计的一维炉试验台上研究了燃煤添加剂对煤燃烧过程的影响。选取了三种典型煤样：大同煤、神木煤和混煤，试验了在不同煤样、不同添加剂、不同掺混比例、不同炉温条件下添加剂的作用效果。结果表明该添加剂不但促进了碳的燃烧，还一定程度上促进了NOx的还原，降低了NOx最终排放总量。最后就该种添加剂下一步工业化示范应用做了探讨，提出了几种工业化应用的方式。
　　最后，本文采用结合Smoochy亚格子模型的格子Boltzmann方法(LES-LBM)对多孔介质内流动随Re数的变化进行了模拟。结果表明LES-LBM克服了传统LBGK方法模拟高Re数流动时容易产生数值不稳定的缺点，能清晰的描述出多孔介质内流动存在的三个区域，即低速时的线性达西区，过渡区和高速时的非线性二次区。不同Re下的流线图还说明微观的惯性作用最终导致了多孔介质宏观上的非线性现象，多孔介质流动呈现明显的多尺度特征。进一步分析计算结果可以证明LES-LBM方法能准确地验证Darcy-Forchhimer阻力方程，Darcy-Forchhimer总阻力随Re数增加而增加，随孔隙率增加而减小，并且小孔隙率下的Forchhimer阻力占总阻力比例小于大孔隙率时的比例。