煤粉热解、燃烧及碱金属释放与反应特性的大涡模拟
发布时间：2020-05-25 05:08
【摘要】：我国的能源结构以煤为主,煤炭资源的燃烧利用为我国经济的稳定、高速发展做出了巨大贡献,但同时燃煤过程中产生的污染物如SO_2、NO_x,等引发了严重的环境问题。此外,煤粉燃烧时释放的碱金属会加速锅炉受热面的积灰、结渣和腐蚀,危及锅炉的安全运行。为此,急需开发高效、清洁的煤粉燃烧与利用技术,如煤炭分级利用多联产技术等。开发高效、清洁的煤粉燃烧与利用技术需要我们深入地了解煤粉气固两相湍流反应中的热解、燃烧以及污染物释放与反应过程。基于此,本文通过数值模拟与实验测量相结合的研究方法,对煤的热解特性、煤粉气固两相湍流热解/燃烧特性以及煤粉湍流火焰中碱金属反应动力学特性等煤粉高效、清洁燃烧与利用中的若干关键问题进行了研究。首先,为进一步深入理解煤的热解过程,本文基于自行搭建的单颗粒实验平台,结合质量、温度等多种测量手段对准东煤、大同烟煤、麦壳-生物质、玉米秸秆-生物质以及这两种煤、两种生物质的混合燃料在高升温速率下(相对于热重分析法)的热解特性进行综合分析。采用了单一变量法研究了不同热解温度、颗粒尺寸、燃料种类对煤/生物质热解特性的影响,同时采用全面实验法探索了不同混合比例下煤与生物质混合热解的特性。同时,利用化学渗透脱挥发分(CPD)热解模型耦合颗粒能量方程对实验过程进行模拟。通过对比实验测量及模型模拟结果,更好地揭示了煤颗粒在不同因素影响下的热解规律。然后,本文利用大涡模拟的手段结合两种不同的煤热解模型:一种典型的基于煤结构的详细热解模型——CPD模型,和一种典型的宏观煤热解模型——单方程热解模型,对高温氮气环境下煤粉在气固湍流射流中的热解过程进行了模拟研究和对比。同时探索了一系列关键参数,包括颗粒直径、煤种、给煤量、载气流速和热解温度等,对气固湍流中煤粉热解特性的影响。接着将煤粉气固两相湍流射流从热解工况拓展到燃烧工况,利用先进的热解模型和挥发分燃烧模型结合大涡模拟研究了两种不同类型的煤粉两相湍流射流火焰,即采用甲烷值班火焰稳燃的煤粉射流火焰A和采用高温伴流点燃的煤粉射流火焰B。对于煤粉燃烧的三个阶段,即热解阶段、挥发分燃烧阶段和焦炭燃烧阶段,采用的模型分别为:在线CPD模型、PaSR模型和反应/扩散联合控制模型。为了进一步探索煤粉两相湍流燃烧过程中碱金属的释放和反应特性,本文基于化学反应建表法发展了一个适用于在煤粉燃烧大涡模拟中预测钠组分化学反应的反应模型。钠组分的化学反应表格基于一系列采用详细反应机理的钠组分化学轨迹的零维模拟建立。采用了当量比、钠元素的质量分数和气相温度这三个参数来定义钠组分物质化学反应轨迹的初始条件,这三个参数再加上表征钠组分化学反应进行程度的反应进程变量,即为钠组分化学反应表格的四个坐标。建立反应表格后,利用该反应表格计算了不同初始条件工况下钠组分的零维化学反应并与钠组分详细机理的预测结果进行了对比,两者吻合良好,验证了所建反应表格的准确性。随后,建立的钠组分化学反应表格被耦合到煤粉燃烧的大涡模拟中,用以预测一个采用高温伴流点燃的煤粉火焰中钠组分的化学反应。最后,本文对所发展的气固两相煤粉燃烧大涡模拟程序LESsCOAL的并行效率进行了探讨和优化,重点讨论了程序颗粒模块与辐射模块的优化方法。经过并行优化,LESsCOAL已经能在英国国家超级计算机ARCHER上使用多达3000核心时取得一个令人满意的并行效率。这为将来在实际的工业燃烧器等较大规模的煤粉燃烧工况下进行大涡模拟研究提供了可能。
【图文】：
图１．３日本ＣＲ旧Ｎ研究所煤粉射流实验平台逡逑美国Ｓａｎｄｉａ国家实验室的Ｓｈａｄｄｉｘ等人［７４＇７６１利用激光在线诊断技术测量了煤粉在富氧逡逑燃烧环境下的热解、着火与燃烧特性，其实验装置如图１．４所示。整个燃烧室为一个密闭逡逑的石英腔体，煤粉气流从中记、管道射入，，周围为Ｈｅｎｃｋｅｎ燃烧器产生的平面火焰用Ｗ提供逡逑煤粉气流着火和燃烧所需的热源。实验通过ＩＣＣＤ相机记录活性分子ＣＨ的化学发光来研逡逑究煤粉射流的着火过程，同时利用Ｈｅ－Ｎｅ激光及平面小孔编码成像技术（ｉｍａｇｅ－ｐｌａｎｅ逡逑ｃｏｄｅｄ－ａｐｅｒａｔｕｒｅ化ｃｈｎｉｑｕｅ）在线测量了煤粉颗粒的速度、温度、粒径变化。研究结果表明逡逑煤粉在低浓度化和高浓度Ｃ0２气氛下出现了着火延迟现象。逡逑Ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ逦Ｅｘｈａｕｓｔ逡逑Ｆｉｌｔｅｒ邋、六衫逡逑Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ邋—＊＾１逦加。一逦Ｃｏｄｅｄ逡逑Ｐｒｏ的逦Ｃｈａｒ邋Ｒｅａｃｔｏｒ逦Ａｐｅｒｔｕｒｅ逡逑Ｆｏｃ向yURG＾的ａｍ汾逡逑Ｗ逦ｒ逡逑Ｖ逦Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ逡逑ＨｅＮｅ邋Ｌａｓｅｒ逦Ｉ邋Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ逦Ｂａｎｄ邋Ｐａｓｓ逡逑ｆ逦Ｉ逡逑Ｃｏａｌ邋Ｆｅｅｄ逦Ｌ过ｓｅｒ邋Ｌｉｎｅ邋Q啠桑簦澹蝈危义希校瑁铮簦镥澹停酰簦簦椋穑欤椋澹颍箦义贤迹保疵拦樱幔睿洌椋峁沂笛槭颐悍凵淞鞴庋笛橄低冲义希瑰义
本文编号：2679621
【图文】：
图１．３日本ＣＲ旧Ｎ研究所煤粉射流实验平台逡逑美国Ｓａｎｄｉａ国家实验室的Ｓｈａｄｄｉｘ等人［７４＇７６１利用激光在线诊断技术测量了煤粉在富氧逡逑燃烧环境下的热解、着火与燃烧特性，其实验装置如图１．４所示。整个燃烧室为一个密闭逡逑的石英腔体，煤粉气流从中记、管道射入，，周围为Ｈｅｎｃｋｅｎ燃烧器产生的平面火焰用Ｗ提供逡逑煤粉气流着火和燃烧所需的热源。实验通过ＩＣＣＤ相机记录活性分子ＣＨ的化学发光来研逡逑究煤粉射流的着火过程，同时利用Ｈｅ－Ｎｅ激光及平面小孔编码成像技术（ｉｍａｇｅ－ｐｌａｎｅ逡逑ｃｏｄｅｄ－ａｐｅｒａｔｕｒｅ化ｃｈｎｉｑｕｅ）在线测量了煤粉颗粒的速度、温度、粒径变化。研究结果表明逡逑煤粉在低浓度化和高浓度Ｃ0２气氛下出现了着火延迟现象。逡逑Ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ逦Ｅｘｈａｕｓｔ逡逑Ｆｉｌｔｅｒ邋、六衫逡逑Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ邋—＊＾１逦加。一逦Ｃｏｄｅｄ逡逑Ｐｒｏ的逦Ｃｈａｒ邋Ｒｅａｃｔｏｒ逦Ａｐｅｒｔｕｒｅ逡逑Ｆｏｃ向yURG＾的ａｍ汾逡逑Ｗ逦ｒ逡逑Ｖ逦Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ逡逑ＨｅＮｅ邋Ｌａｓｅｒ逦Ｉ邋Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ逦Ｂａｎｄ邋Ｐａｓｓ逡逑ｆ逦Ｉ逡逑Ｃｏａｌ邋Ｆｅｅｄ逦Ｌ过ｓｅｒ邋Ｌｉｎｅ邋Q啠桑簦澹蝈危义希校瑁铮簦镥澹停酰簦簦椋穑欤椋澹颍箦义贤迹保疵拦樱幔睿洌椋峁沂笛槭颐悍凵淞鞴庋笛橄低冲义希瑰义
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