O2/CO2流化床燃烧机理及基于CFD-DEM反应流模型的研究

The investigation on dense gas-solid flow model has become a hot issue. More attention has been paid to the application of the model to O2/CO2 fluidized bed combustion However, due to the different time scales of particle collision, heat transfer and combustion in fluidized beds, it is difficult to couple these processes into CFD-DEM reactive flow model. Moreover, experimental data is insufficient to verify the simulation results, hindering the development and application of the model. Thus, the proposed project aims at obtaining detailed experimental data of coal and char particles combustion under O2/CO2 atmosphere in a visual 2D fluidized bed. Meanwhile, coupling the CFD-DEM model with heat transfer and combustion processes will be carried out based on the idea of "time-splitting". The simulation results will be compared with the experimental data in the 2D fluidized bed to verify the CFD-DEM reactive model. The developed model overcomes the disadvantages of conventional fluidized bed combustion model in which the deviation between assumptions and actual conditions is significant. This project will establish a theoretical foundation for the investigation and application of CFD-DEM model on oxy-fuel combustion, and reveal the mechanisms of coal particle combustion under O2/CO2 atmosphere in fluidized beds.

CFD-DEM稠密气固流动模型的研究已成为研究热点之一，而将该模型应用于流化床O2/CO2燃烧领域的研究也日益受到学术界的关注。然而，由于流化床中颗粒碰撞、传热和燃烧时间尺度不同，导致建立的CFD-DEM反应流模型整体过程的耦合困难。此外，迄今为止，模型研究尚缺乏详细的流化床热态实验数据验证，阻碍了该模型的深入研究及应用。为此，本项目将以二维热态可视化流化床实验系统为平台，研究并获得O2/CO2气氛下，煤和焦炭颗粒燃烧过程的详细实验数据；同时，基于"解耦"思想，将CFD-DEM模型和传热、燃烧过程耦合，实现颗粒尺度上流化床内稠密气固流动、传热和燃烧全过程的数值模拟和模型验证，克服传统流化床燃烧模型假设条件多或假设与实际过程偏差大的缺点。期望通过本项目的工作为CFD-DEM流化床O2/CO2燃烧模型的深入研究和发展奠定理论基础，并深入揭示O2/CO2流化床条件下煤及焦炭颗粒的燃烧机理。

燃煤电站是我国CO2的主要排放源，流化床富氧燃烧是最可能被大规模推广的燃煤电站碳捕集技术之。本项目结合实验和数值模拟，研究了流化床富氧燃烧特性，并揭示了CO2取代N2对燃料燃烧特性的影响机制。. 设计并搭建了一种高温可视化流化床燃烧实验系统，与图像测量方法结合，实时观测颗粒燃烧情况。得到了O2/CO2和O2/N2气氛下我国典型煤颗粒挥发份析出和煤焦颗粒燃烧特性，并运用一维非稳态颗粒反应模型进行详细研究。结果表明，毫米级煤颗粒挥发份析出过程主要受颗粒内部和与外界的传热控制。相比O2/N2气氛，O2/CO2气氛下低O2扩散速率是改变燃烧颗粒着火方式和降低挥发份析出后期颗粒升温速率的主导因素；高CO2比热容导致挥发份着火延迟时间长于O2/N2气氛和挥发份火焰温度低于O2/N2气氛。 . 流化床内毫米级煤焦颗粒燃烧过程受O2扩散速率控制。O2/CO2气氛下，O2扩散速率低于O2/N2气氛导致颗粒的燃烧速率下降、温度降低；常规流化床燃烧温度条件下，焦炭气化反应对颗粒升温过程的影响可忽略，气化反应消耗碳低于颗粒碳含量的7%；提高床温，气化反应对颗粒燃烧过程的影响逐渐增强，当床温高于1220 K，气化反应对颗粒燃烧过程的影响不可忽略，同时气化反应消耗碳可达颗粒含碳量的14%。综合比较，O2扩散速率、颗粒孔隙率及颗粒密度是影响颗粒燃烧行为的重要参数。. 比较了流化床与煤粉炉条件下次烟煤颗粒富氧燃烧特性。CO2取代N2后均会导致两种燃烧条件下的燃料挥发份着火延迟时间延长、挥发份火焰和燃烧温度峰值降低及燃尽时间增加，及煤粉颗粒的脱挥发份时间延长。CO2气氛中高气体比热容和低O2扩散速率是流化床条件下燃烧特性改变的主导原因，而煤粉炉中气化反应所引起的燃烧特性改变不可忽略。为获得与空气气氛相近的次烟煤颗粒燃尽时间，流化床和煤粉炉富氧气氛下O2浓度分别应达到25%和30%。. 运用双流体模型和CFD-DEM模型对流化床富氧燃烧进行了数值模拟研究，并基于CFD-DEM计算结果发展了Markov链随机过程模型，大幅度降低了计算负荷、缩短了计算时间，为将来模拟工业级流化床奠定基础。