湍流-生物质颗粒反应相互作用的理论模型研究与应用

Biomass energy is a type of renewable energy. Full utilization of biomass energy can lessen the dependence of economic increase on fossil energy. Co-firing of biomass and pulverized coal is an effective manner to utilize biomass energy through direct combustion. It has also large influences on reducing CO2 as well as NOx and SO2 emissions in pulverized coal furnaces. Formulating a theoretical model for turbulent multiphase flow and combustion of biomass and pulverized coal mixture is much benifical to the development and application of the co-fired technology. Biomass particles are exposed all the way to a turbulent gas flow field with velocity and temperature fluctuations in a practical co-fired device . For properly predicting co-firing processes of biomass and pulverized coal, the present project will propose and formulate a particle stochastic trajectory model for turbulence-biomass particle reaction interactions. Furthmore, a theoretical model for turbulent multiphase combustion of biomass and pulverized coal mixture will be formulated by accounting for turbulence-biomass particle reaction-particle collision interactions. Proper quantitative predictions will be achieved for co-firing processes of biomass and pulverized coal in various practical combustion devices by utilizing the proposed model. They will provide guidance for developing biomass and pulverized coal co-fired technology with high efficiency and low pollutant emission.

生物质能是一种可再生能源，充分利用生物质能源可以缓解经济增长对化石能源需求的依赖程度。将生物质颗粒与煤粉混合燃烧是通过直接燃烧利用生物质能的一种有效方式，对煤粉炉的CO2减排和降低NOx与SO2的排放也可起到较大的作用。建立生物质与煤粉混烧的湍流多相流动与燃烧理论模型对于此项技术的发展和应用具有重要的意义。在生物质与煤粉混烧的工程燃烧反应装置内，生物质颗粒始终处在有湍流脉动的气相流场与温度场中。为了合理准确地对生物质与煤粉的混合燃烧过程进行模拟预报，本项目拟建立湍流-生物质颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型，并发展综合考虑湍流-生物质颗粒反应-颗粒碰撞相互作用的生物质与煤粉混烧的湍流多相燃烧理论模型。利用本项目建立的理论模型可实现对各类工程燃烧装置内生物质与煤粉混合燃烧的较为准确合理的定量计算与预报，为发展高效低污染的生物质与煤粉混合燃烧技术提供理论依据和指导。

生物质能是一种可再生能源，将生物质与煤粉混合燃烧是利用生物质能的一种有效方式。发展生物质与煤粉混合燃烧的湍流多相燃烧理论模型，对于生物质与煤粉混合燃烧技术的发展与应用有重要的意义。本项目对在有温度脉动的热气流中粒径为100~300μm的生物质颗粒的瞬时温度变化、瞬时热解和瞬时焦炭反应过程进行了分析与计算，揭示了湍流与生物质颗粒反应之间的相互作用。在此基础上，提出并建立了湍流-生物质颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型，发展了在湍流涡团内随机选取气相脉动温度的方法。将湍流-生物质颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型分别应用于旋流燃烧室内麦秆颗粒燃烧以及麦秆颗粒与煤粉混合燃烧的数值模拟。考虑与不考虑湍流-颗粒反应相互作用的模拟结果相比，不同工况下的气相组分浓度、温度与温度脉动均方根值和颗粒相温度分布在燃烧室前部均有较明显的差异，前者得到的氧气、二氧化碳和水蒸汽体积分数分布与实验更接近。本项目还建立了湍流多相燃烧的热态实验装置系统，应用三维激光粒子动态分析仪（PDA），对旋流燃烧室内以煤粉颗粒为燃料的湍流多相燃烧的两相瞬时速度场进行了实验测量，并测量了湍流多相燃烧的气相温度场和组分浓度场。得到了气固两相平均速度和脉动速度均方根值分布、颗粒相平均速度和脉动速度均方根值分布以及气相温度与组分浓度分布。实验中利用一次风与二次风射流之间的相互作用，发现并获得了一种新的流场回流区结构。该回流区较大地增强了火焰的稳定性，并可极大地强化混合与燃烧。