煤粉富氧燃烧时的烟气辐射特性及辐射流动燃烧耦合特性研究

Oxy-coal combustion with flue gas recirculation is one of the most promising techniques to control emissions of carbon dioxide (CO2), nitrogen oxide (NOx) and sulfur dioxide (SO2). Due to the different combustion atmospheres, the property of radiative heat transfer has remarkably changed in the process of oxy-coal combustion. Although a number of scholars have conducted related research, some basic science and technology bottleneck problems still remain unsolved and need to be investigated urgently for this area; especially those involved the efficient and accurate model of flue gas radiation at the condition of oxy-coal combustion and the coupling of radiation and characteristic of flow and combustion. Based on above content, the applicants prepare to use thermogravimetric analyzer (TGA) to examine the pyrolysis behavior for the typical bituminous coal in the atmospheres of high concentrations of CO2. The characteristics of flow, radiation and combustion in the process of oxy-coal combustion are analyzed by experiments conducted in a plug flow combustion device for pulverized coal and in a lab-scale drop tube reactor (DTR) combined with Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. Meanwhile, the accurate calculation model of radiation under the condition of oxy-coal combustion for the typical bituminous coal, including gas radiative property, particle radiative property and radiative transfer model, will be built from the perspective of theory. The software of computational fluid dynamics will also be used to investigate the coupling of the process of radiation and the characteristics of flow and coal combustion. The sake of this project is to perfect the mathematical model in the condition of oxy-coal combustion and to provide detailed theoretical and technical guidelines for the typical bituminous coal to be cleanly utilized through oxy-coal combustion.

煤粉富氧燃烧是一种有效实现二氧化碳减排并控制氮氧化物和硫氧化物等多种污染物排放的煤粉清洁燃烧新技术。由于燃烧气氛的不同，富氧燃烧过程中的辐射换热特性发生了显著的变化。虽然众多学者已进行了相关的研究，仍有一些基本科学问题和技术瓶颈亟待解决，特别是涉及富氧燃烧条件下高效精确的烟气辐射计算模型以及辐射与流动燃烧特性的耦合等方面的内容。基于此，本项目拟利用热重实验平台、平推流煤粉燃烧实验装置和沉降炉实验平台，结合傅里叶转换红外线光谱分析仪，对典型动力烟煤在富氧燃烧过程中的流动、辐射和燃烧特性进行研究。同时从理论方面对富氧燃烧过程中典型动力烟煤的辐射换热特性构建精确的计算模型，包括气体辐射特性、颗粒辐射特性和辐射传递模型，并借助流体计算软件深入探究烟气辐射过程与其流动特性以及煤粉燃烧特性之间的耦合关系，以期完善典型动力烟煤在富氧燃烧条件下的数学描述模型，从而为其富氧燃烧的工程实现提供理论和技术基础。

控制包括二氧化碳在内的各种温室气体和污染物排放，发展洁净煤利用技术将是今后很长一段时间内电力行业的工作重点。组织燃料在氧气或氧气和二氧化碳混合气氛中燃烧的所谓纯氧或富氧燃烧技术就是在这一背景下被提出。与常规空气气氛下燃烧不同，富氧燃烧后烟气中二氧化碳的浓度显著提升，不仅有助于分离收集二氧化碳、有效处理二氧化硫，还能减少氮氧化物的排放，因此被认为是一种能够综合控制燃煤污染物排放的新型洁净煤燃烧技术。但是，由于燃烧气氛的不同，富氧燃烧过程中的辐射换热特性发生了显著的变化。虽然众多学者已进行了相关研究，仍有一些基本科学问题和技术瓶颈亟待解决，特别是涉及富氧燃烧条件下高效精确的烟气辐射计算模型以及辐射与流动燃烧特性的耦合等方面的内容。基于此，项目组应用热重实验台，研究了空气和富氧气氛下典型烟煤、褐煤和半焦的热解特性及其相互掺混的共燃特性；同时，将现有沉降炉进行了改造使其可以在加压条件下连续送料，并在沉降炉上开展了富氧煤粉燃烧实验；此外，项目组搭建了开放火焰装置并进行气体燃烧实验。项目组针对煤粉燃烧过程中典型的气固辐射介质构建了描述气体辐射特性的高效高精度检索库，并在欧拉-拉格朗日场中建立了两种不同策略刻画气固辐射特性，基于此对煤粉燃烧过程中气固辐射的影响作出了评估与分析。在数值模拟方面，项目组对煤粉燃烧过程进行了深入的剖析，并针对某660MW锅炉分别进行了大规模的数值模拟，以验证模型的准确性；此外，基于低氧稀释条件的温和燃烧模型，项目组还研究了煤粉燃烧过程中氮氧化物的生成机制。依托本项目，项目组完善了典型动力烟煤在富氧燃烧条件下的数学描述模型，为煤粉富氧燃烧的工程实现提供理论和技术基础。