流化床中煤与成型生物质颗粒流动、传热和燃烧特性基础研究
发布时间：2020-08-11 11:45
【摘要】：成型生物质因为密度高,便于存储、运输、管理,逐渐被广泛应用。煤与成型生物质的混烧,可降低污染物的排放,提高能量密度,结合了两种不同能源的优点。流化床中煤与生物质混烧是一项有前景的火力发电技术。因为传统试验手段研究的局限性,数值模拟已经成为研究流化床的重要手段。本课题通过试验和数值模拟的方法,对流化床内煤与成型生物质的流动、传热和燃烧进行了研究,为工业化应用提供可靠参数和信息指导。通过热重试验研究了煤与成型生物质的燃烧特性,研究生物质掺混比对着火温度、燃烧速率、燃烬温度、燃烧指数等燃烧参数的影响,判断不同煤种与生物质之间的协同作用。煤的燃烧性能通过生物质的加入得到改善,生物质和褐煤之间的协同作用大于生物质和烟煤之间的协同作用。通过热动力学分析煤与生物质的不同燃烧阶段,选择最适合的燃烧模型函数。其中,化学反应一级模型适用于烟煤与生物质混烧中的挥发分释放与燃烧,和煤中碳燃烧阶段;扩散控制模型适用于褐煤与生物质的混烧。搭建了煤与成型生物质流动小试装置,测量床内的压差脉动信号,采用压差法确定最小流化速度,推导最小流化速度公式,并根据生物质分布规律选择合适的流化床操作速度。研究生物质掺混比例、流化风速等对流型变化的影响:利用递归图考察床内流动的周期性、稳定性等特征。通过Hilbert-Huang Transform方法,研究煤与成型生物质混合流动的频率特征,分析床内的内禀模态函数能量及频率分布特征。搭建了煤与成型生物质流动、传热的试验装置,通过红外热成像和高速摄影仪对流动传热过程中的颗粒温度、颗粒流动、气泡变化等行为进行记录。利用虚拟球元法构建成型生物质,引入颗粒体积系数概念,修正气固作用力。将改进的DEM-CFD流动模型与传热模型耦合,模拟煤与成型生物质的流动、传热过程,并将模拟结果和试验结果进行对比。提取颗粒温度、混合指数和传热量等特征值,研究流化风速和成型生物质添加对这些特征值的影响。研发设计了煤与成型生物质混烧的流化床装置,研究了生物质掺混对污染物排放、底渣结渣率、重金属形态和环境风险的影响。生物质硫、氮含量低,和煤混烧时对二氧化硫和一氧化氮有明显的减排作用。生物质中的碱金属和碱土元素,可以抑制煤燃烧过程中微量重金属元素的挥发,特别是对铬、镍、钒的作用更加明显。灰结渣指数对煤与成型生物质混烧具有一定的预测作用,混烧可有效降低结渣的可能性。为了更加全面、准确的进行风险评价,综合考虑了不同的环境风险评价方法,既研究了重金属总浓度对环境的影响,又考虑了重金属的敏感度和可移动性。采用欧拉-欧拉与化学反应耦合的数学模型,引入污染物的释放和脱除模型,对煤与成型生物质的混烧进行了数值模拟,分析床内温度场,一氧化碳、二氧化硫和一氧化氮的浓度分布,将不同生物质掺混比例下的数值模拟结果与试验结果进行对比。掺混比例小于10%时,混合燃烧的模拟结果与试验测量值有较好的吻合度。掺混比例大于10%时,混合燃烧的模拟结果与试验值出现一定程度的误差,误差率在15%左右。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM611;TK227
【图文】：
1.1 课题能源源的需求然而，过据全球排放量达排，越来源广，成题的背景源与环境问求量巨大。过多煤炭的能源年报达到了 879来越多的可成本低，“景问题是当今未来一段的燃烧会导致（2017 年）96 Mt。随着可再生能源研无污染”等第一社会的两大时间内，燃致严重的环的统计[2]，着全球气候研究得到重等优点[3]，受第一章 绪论一章 绪大热点。中燃煤发电依环境问题，最中国 201候变暖的加剧重视。生物质受到广泛的绪论国是一个快然是我国的最为明显的是6 年由于化剧，世界范质作为可再的应用。快速发展的发的主要能源是温室气体化石能源燃烧范围内开始了再生能源的重发展中国家源利用形式之体二氧化碳烧产生的二了对二氧化重要组成，家，对能之一[1]。的排放。二氧化碳化碳的减因其来
比率大于致结渣或图2-4 试2.3.4 煤根据物质或煤力学应单物的燃烧阶段选取对高的相关差可能是由5%）不能完于 50%时，或团聚，降试验热重、理偏差煤与生物质混据本章第 2煤/生物质共单独分析，烧模型对比取的最适燃于烟煤、生关系数，即由试验误差完全被消除碱金属/碱降低燃烧反理论热重及之; (c) 褐煤/生混烧的动力2.3.1 节的分共混物的燃选取最为比，从中选燃烧模型，生物质及其共0.9439-0.9东南和灰结渣引除。煤/生物碱土金属（生应性。之间偏差：(a)生物质热重试力学分析分析，煤（燃烧可分为合适的燃烧取相关系数判断燃烧模共混物
图 3-1 煤与成型生物质冷态流动试验装置3.2.2 试验物料本试验采用烟煤颗粒，选用泰勒标准筛对煤颗粒的粒径进行筛分，结果如图3-2所示。分离筛目数和对应的孔径大小如下所示：10目（1.68mm），14目（1.20mm），20目（0.85mm），24目（0.71mm），32目（0.5mm）和60目（0.25mm）。求解多颗粒平均直径的方法有线性法、表面积法、体积法、体积-表面积法和质量法。根据刘仔和李艳臣[155]对两相流场的模拟研究，体积-表面积法和质量法对颗粒平均直径求解较好。本节选用体积-表面积法，如式（3-1）所示。=∑∑(3-1)其中，i代表不同目数的分子筛
本文编号：2789027
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM611;TK227
【图文】：
1.1 课题能源源的需求然而，过据全球排放量达排，越来源广，成题的背景源与环境问求量巨大。过多煤炭的能源年报达到了 879来越多的可成本低，“景问题是当今未来一段的燃烧会导致（2017 年）96 Mt。随着可再生能源研无污染”等第一社会的两大时间内，燃致严重的环的统计[2]，着全球气候研究得到重等优点[3]，受第一章 绪论一章 绪大热点。中燃煤发电依环境问题，最中国 201候变暖的加剧重视。生物质受到广泛的绪论国是一个快然是我国的最为明显的是6 年由于化剧，世界范质作为可再的应用。快速发展的发的主要能源是温室气体化石能源燃烧范围内开始了再生能源的重发展中国家源利用形式之体二氧化碳烧产生的二了对二氧化重要组成，家，对能之一[1]。的排放。二氧化碳化碳的减因其来
比率大于致结渣或图2-4 试2.3.4 煤根据物质或煤力学应单物的燃烧阶段选取对高的相关差可能是由5%）不能完于 50%时，或团聚，降试验热重、理偏差煤与生物质混据本章第 2煤/生物质共单独分析，烧模型对比取的最适燃于烟煤、生关系数，即由试验误差完全被消除碱金属/碱降低燃烧反理论热重及之; (c) 褐煤/生混烧的动力2.3.1 节的分共混物的燃选取最为比，从中选燃烧模型，生物质及其共0.9439-0.9东南和灰结渣引除。煤/生物碱土金属（生应性。之间偏差：(a)生物质热重试力学分析分析，煤（燃烧可分为合适的燃烧取相关系数判断燃烧模共混物
图 3-1 煤与成型生物质冷态流动试验装置3.2.2 试验物料本试验采用烟煤颗粒，选用泰勒标准筛对煤颗粒的粒径进行筛分，结果如图3-2所示。分离筛目数和对应的孔径大小如下所示：10目（1.68mm），14目（1.20mm），20目（0.85mm），24目（0.71mm），32目（0.5mm）和60目（0.25mm）。求解多颗粒平均直径的方法有线性法、表面积法、体积法、体积-表面积法和质量法。根据刘仔和李艳臣[155]对两相流场的模拟研究，体积-表面积法和质量法对颗粒平均直径求解较好。本节选用体积-表面积法，如式（3-1）所示。=∑∑(3-1)其中，i代表不同目数的分子筛
本文编号：2789027
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