O2/CO2煤燃烧数学模型的研究

O2/CO2 coal combustion (Oxy-coal combustion) is one of the most competitive and promising technology options for carbon capture and storage. Currently, the modeling of O2/CO2 coal combustion utilize the numerical coal combustion models similar to those developed for conventional air-coal combustion, their assumptions and approximations may not be valid in the CO2-rich environment, and the prediction accuracy is needed to be improved. This project will extensively study the coal devolatilization models and oxy-char combustion models. The experimental and simulation methods will be used in this study. The research should consider the contributions of gasification reactions, modify the invalid assumptions and approximations in a CO2-rich environment, and employ the O2/CO2 kinetics parameters. Finally, some functions of coal devolatilization models and oxy-char combustion models sorted by coal types will be developed and validated. The new numerical models will be used to modeling the whole furnace combustion and compared with the near pilot experimental data to validate the accuracy and practicality. This study will improve the prediction accuracy of O2/CO2 coal combustion, which will benefit to fundamental analyze the combustion phenomenon and characteristics, access and optimize the combustion systems and devices design.

煤的O2/CO2燃烧技术是极具前景的碳捕集技术。目前应用的O2/CO2煤燃烧数学模型大都使用常规空气下的模型或初步的改进模型，其假设和参数等并不适用于高浓度CO2环境，预测的准确性还有待于提高。本项目拟深入系统地研究适用于煤O2/CO2燃烧的挥发分析出模型和焦炭燃烧模型。采用实验研究与理论研究相结合的方法，充分考虑气化反应、修改空气燃烧模型中不适用于O2/CO2燃烧的假设，使用O2/CO2燃烧的动力学参数等，最终获得一套可供多煤种选择的、反复经过实验验证和修正的、且具有一定准确性与一定范围内通用性的挥发分析出模型和焦炭燃烧数学模型。新模型还将应用于6kW流化床燃烧实验台中进行全炉膛数值模拟与实验，验证其有效性和实用性。本项目的研究将使O2/CO2燃烧过程的数值模拟更加准确，藉以研究燃烧过程中的现象与规律，指导O2/CO2燃烧系统和设备的开发与设计，具有重要的理论意义与应用价值。

O2/CO2燃烧技术被认为是具有竞争力的碳捕集技术。然而，在这项技术能够真正发挥它的全部潜力前，仍然有很多基础性问题和相应的技术挑战需要深入地研究，特别是，O2/CO2燃烧过程本身面临重大挑战。本项目采用理论研究和实验研究相结合的研究方案，对O2/CO2气氛下煤及生物质燃烧等相关课题进行了细致而广泛的研究探讨，并取得了一定的进展：（1）O2/CO2气氛下煤与生物质混燃燃烧特性的实验研究；随着氧气浓度的增加，稻壳和煤及其混合物着火和燃尽提前，综合燃烧特性指数增大。随着掺混比增加，挥发分失重峰值增加，着火温度和燃尽温度都降低，总的燃烧效果明显改善。随着升温速率的增大，着火和燃尽温度都增大，燃烧最大失重率增大，综合燃烧特性指数提高，燃烧更趋激烈。与空气气氛相比，O2/CO2气氛下稻壳、煤及其混合物中挥发分的析出以及焦炭的燃烧都有所滞后。（2）O2/CO2气氛下煤与生物质混燃的数值模拟研究；结果表明：O2/CO2气氛煤燃烧时流化床内的气固流动呈环-核分布，密相区下部和稀相区上部存在较大温差，给煤口和二次风口附近由于挥发分的燃烧会出现相对高温区；给煤量相同时，空气气氛和O2/CO2气氛下流化床内的流动、传热和燃烧特性有所不同；供给燃料量相同时，O2/CO2气氛下煤与生物质混燃相较于煤燃烧时的炉膛整体温度水平降低40-50K；所测得的实验数据与模拟结果吻合较好，说明该煤燃烧和混燃的综合计算模型具有一定的准确性和可靠性。（3）煤焦与生物质的热解与氧化现象的分子动力学模拟；结合ReaxFF势场，采用分子动力学方法，研究了煤焦与生物质热解与高温氧化过程，对产物分布及反应路径等信息进行了分析。