流化床中煤与生物质混烧的实验及模拟研究

This project was to investigate the flow and combustion of the mixtures of coal and biomass particles in fluidized bed. Inspired by volume penalty method, traditional Discrete element method-Computational fluid dynamics method (DEM-CFD) was improved to simulate the flow of the mixtures of coal and large biomass particles with cylinder shape, and the simulation results were compared with the experimental results to study the pressure, void fraction and velocity distributions in the fluidized bed. Based on the combustion experiments in tubular furnace and modern instrumental analysis, the influences of synergistic effect of three main components, metallic and chlorine elements in biomass on co-combustion process were analyzed, and reaction coefficient, which was used to reflect the above influences, was introduced to improve traditional co-combustion model. The improved co-combustion model was coupled with DEM-CFD method to simulate co-combustion in fluidized bed, and the simulation results were compared with the experimental results to study the temperature, pressure and product concentration distributions in the fluidized bed.

本项目对流化床中煤与柱形生物质粒的混合流动和燃烧进行实验与模拟研究。基于体积惩罚法的思想，对传统的离散元方法-流体力学方法进行改进，使之能够对煤与大尺寸柱形生物质粒的混合流动进行模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比分析，研究床内压力、空隙率及速度等的分布规律；基于管式炉燃烧实验和现代仪器分析方法，从机理层面解析生物质三组分协同作用以及金属元素和氯元素的存在对燃烧产物和燃烧速率的影响，并引入反应系数表征影响作用，修正传统的混合燃烧模型；将改进后的混合燃烧模型与离散元方法-流体力学方法相耦合，模拟流化床中煤与生物质混烧过程，并与实验结果进行对比分析，研究床内温度、压力及产物浓度等的分布规律。

煤掺烧生物质是一种综合利用煤与生物质能的方法，结合了煤与生物质单独燃烧的优点，可以有效地降低煤炭消耗率和污染物排放量。本项目对流化床中煤与生物质k颗粒混烧过程展开了机理研究，并进行了数值模拟研究。.建立了流化床内柱形生物质与煤混合流动与传热的实验系统，并进行了压差脉动信号采集、红外热像温度采集和床内流动状态图像采集等工作。通过对压差脉动信号进行非线性分析，分别在时域、频域和相空间结构的角度研究流化床内生物质与煤双组份混合流动的动力学特征。随着气速的增加，系统随机性逐渐减弱，周期性增强；随着生物质的添加，系统的确定性和周期性增强。.建立适用于成型圆柱形生物质颗粒与煤混合流动的DEM-CFD模拟模型。采用球元叠加法计算DEM部分。在此基础上，将柱形颗粒视为虚拟小尺寸球的聚合体，并借鉴体积惩罚法的思想，引入颗粒体积系数概念修正气固作用力关系式。通过计算气相-虚拟球体的作用力来计算柱形颗粒对气相作用力。采用Fortran编写程序，将改进后的DEM-CFD 与并行计算(MPI)方法相耦合实现双组分颗粒流动的并行模拟计算。.进行了生物质中三组分协同作用及金属元素(K+、Na+、Ca2+等)和氯元素对混烧过程影响的研究。搭建流化床燃烧试验台架，进行煤与生物质混合燃烧试验，对燃烧生成的烟气成分进行分析。研究了不同流化速度、不同生物质种类及煤/生物质混合比等因素对燃烧产物生成的影响，并分析灰分中碱金属元素的种类和含量，实验所测得到数据为后续模拟提供了基础。.将煤与生物质的燃烧过程分为干燥、挥发分析出、挥发分燃烧及残碳燃烧等子过程。耦合气固两相流动、传热模型和燃烧模型，考虑了均相和非均相化学反应，对煤与生物质的混烧过程进行了数值模拟，数值模拟结果与实验结果相吻合。