50 kW_(th)双循环流化床煤化学链燃烧系统

本文对华中科技大学自主设计的50 kW_(th)化学链燃烧双循环流化床进行全床尺度的计算颗粒流体力学(CPFD)模拟。CPFD提供了反应器内气固流动和化学反应的详细信息,不仅是对实验难以测量的细节信息的补充,而且可用于优化实验操作条件和指导反应器设计优化和放大。该实验装置以天然赤铁矿为氧载体,以煤为燃料。首先对床内气固两相反应流动进行分析,比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度,验证了CPFD模拟的可靠性。之后重点分析反应器间的固体循环流量、系统压力分布、固相浓度分布、煤转化过程关键信息。最后基于模拟分析,提出了优化操作工况,模拟结果显示可提高CO_2气产率和燃烧效率。本文结果表明CPFD模拟可为化学链燃烧反应器的设计和运行提供重要的参考依据。     

50 kW_(th)双循环流化床煤化学链燃烧系统热态CPFD模拟

本文对华中科技大学自主设计的50 kW_(th)化学链燃烧双循环流化床进行全床尺度的计算颗粒流体力学(CPFD)模拟。CPFD提供了反应器内气固流动和化学反应的详细信息,不仅是对实验难以测量的细节信息的补充,而且可用于优化实验操作条件和指导反应器设计优化和放大。该实验装置以天然赤铁矿为氧载体,以煤为燃料。首先对床内气固两相反应流动进行分析,比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度,验证了CPFD模拟的可靠性。之后重点分析反应器间的固体循环流量、系统压力分布、固相浓度分布、煤转化过程关键信息。最后基于模拟分析,提出了优化操作工况,模拟结果显示可提高CO_2气产率和燃烧效率。本文结果表明CPFD模拟可为化学链燃烧反应器的设计和运行提供重要的参考依据。     

低温太阳热与甲醇化学链整合能量释放机理实验初探

本文在低温太阳热能与CH3OH-Fe2O3化学链燃烧相结合控制CO2分离动力系统的基础上,进一步探讨了低温太阳热能品位提升的内在规律,分别揭示出辐照强度与CH3OH-Fe2O3反应特性、低温太阳热能品位提升的关联关系.本文采用溶胶凝胶法制作了Fe2O3反应颗粒,在热重反应器中进行了模拟太阳热能与甲醇化学链实验的初步研究,通过电镜,分析了反应前后金属氧化物的表面形貌特征.研究成果将为低温太阳热能与化学链燃烧整合能量释放新机理的研究提供理论依据和基础实验数据.     

基于燃料氧化分级的化学链燃烧冷态实验研究

基于燃料氧化分级的原理,设计并搭建了新型串行流化床化学链燃烧反应器,该反应器由空气反应器、气化反应器、还原反应器、空气旋风分离器、燃料旋风分离器、空气返料器、燃料返料器和隔离器组成一个循环回路。采用压力测量和气体成分检测的方法,研究了该系统内的压力分布、物料循环速率以及反应器间气体混合规律。结果表明:隔离器流化风量是影响系统压降以及颗粒循环的决定性因素;空气反应器与燃料反应器之间几乎不发生气体串混,隔离器气体隔离作用良好。     

煤炭超临界水流化床制氢反应器内颗粒流动及传热特性的数值分析

煤炭超临界水气化是极具发展前景的高效洁净煤转化利用技术,深入研究反应器内流动和传热过程对反应器的设计及优化具有重要意义.本文基于欧拉-拉格朗日方法,耦合化学反应动力学模型,建立了煤炭超临界水流化床制氢反应器的三维瞬态CFD模型,研究了反应器内流动和传热特性、颗粒及产物组分的分布转化规律,得到了煤炭颗粒表面的对流和辐射换热系数,并从传热学的角度,揭示了颗粒粒径对煤炭转化速率的影响机理。     

化学链燃烧制氢三联流化床冷态实验研究

针对化学链燃烧制氢中无法实现燃料气的完全转化的问题,本文结合铁氧化物的化学特性提出了一种全新的复合流化床结构,设计搭建了对应热值为50 kW的三联流化床冷态试验台,并对该系统进行了气固流动特性研究,探讨了各反应器送风量对压力特征、固体循环率、物料分布的影响。实验结果表明,反应器的压力随着反应器风量的增大而增大;固体循环率可以在较大范围内调节;整个系统能够长期稳定地运行。     

煤基化学链燃烧过程中硫的演变

在双阶段流化床反应器内,基于溶胶凝胶法制备的Fe2O3/Al2O3氧载体研究了褐煤化学链燃烧过程中燃料硫的迁移路径及分布特性,并讨论了温度、过氧系数对燃料硫释放分布的影响.结果表明:所有工况下,氧载体均未出现被硫化的现象;在热解气化学链燃烧阶段,气相含硫物质以SO2和H2S为主,煤焦气化气化学链燃烧阶段绝大部分为SO2气体,部分来源于煤焦中CaSO4的分解。另外,部分燃料硫被碱金属固定于煤灰中。同时,提高温度和过氧系数都能导致SO2/H2S值和SO2释放量增大。     

基于Fe_2O_3的煤化学链燃烧分级送风实验

为了缓解载氧体颗粒表面的烧结,本文提出在化学链燃烧过程中,对空气反应器进行分级送风。以Fe_2O_3为载氧体,在10 kW级串行流化床实验装置上进行煤化学链燃烧分级送风实验,探讨了一二次风的配比对两个反应器气体产物组成以及煤中碳的捕集效率的影响,利用SEM和BET对反应前后载氧体的物化性能进了分析。结果表明,分级送风方法能够有效地缓解载氧体的烧结程度,有助于载氧体在长时间使用过程中反应性能的维持。     

适用于HCCI燃烧的PRF化学动力学骨架机理

本文构建了一个适用于HCCI燃烧的PRF化学反应动力学骨架机理。该机理包含40种组分和65个反应。通过与激波管、喷射搅拌反应器、流动反应器和HCCI发动机的实验数据对比表明,新机理适用于多种反应器,可以较准确地计算着火点及关键组分的演变规律,并且在不同的温度、压力和当量比下具有较好的性能。在HCCI发动机的单区模型计算中,对于燃料PRF 91.8和PRF 70,骨架机理计算结果与Curran等人的详细机理计算结果基本相同。     

铜矿石吸氧释氧及化学链氧解耦燃烧反应研究

化学链氧解耦燃烧是一种新型燃烧方式。本文在小型流化床实验台上,进行天然铜矿石吸氧/释氧循环反应和与高平煤的化学链氧解耦燃烧反应性能研究,发现氧载体具有良好的吸氧/释氧性能和煤化学链氧解耦燃烧性能,反应前后载体化学组分较为稳定,结构多孔,天然铜矿石适合用于高温制氧和煤CLOU过程。     

3MW_(th)富氧燃烧煤粉锅炉的数值模拟研究

以国内首台3 MW_(th)富氧燃烧煤粉锅炉为研究对象,借助CFD软件对煤粉空气燃烧和富氧燃烧工况进行数值模拟研究。通过与实验结果对比发现,模拟得到的炉膛温度分布、换热量以及出口组分与实验测量结果吻合,这表明本文使用改进的辐射特性模型以及4步化学反应机理能够很好地预测炉内温度、传热以及烟气组分分布。通过模拟研究,对比分析了空气燃烧与富氧燃烧的炉内特性。研究结果表明:富氧燃烧时,CO_2的显著增加使得燃烧器区域出现高浓度CO;富氧燃烧的整体温度分布与空气燃烧相似,但峰值温度有较大的降低;炉内辐射传热较空气燃烧略有下降。     

化学链燃煤系统的过程模拟

化学链燃烧是一个基于(近)零排放理念的先进能源利用技术。针对以NiO/NiAl_2O_4为氧载体的煤直接化学链燃烧系统,本文利用Aspen Plus软件进行了详细的模拟计算和热力学分析,研究了主要运行参数对系统性能的影响,得到了系统优化的运行工况,即燃料反应器的温度和压力分别为816.41℃和0.1 MPa,空气反应器的温度和压力分别为1200℃和0.1 MPa,氧载体煤北为14.0,空气煤北为7.8;并北较和评价了化学链燃煤系统和常规空气燃煤系统,发现化学链燃煤系统在热效率、(?)效率、碳捕捉率、NO_x和CO排放量等方面有优势,但SO_x排放量与常规燃煤系统相近。     

移动床内合成气化学链燃烧反应的实验研究

近年来,全球变暖带来的一系列问题,减少温室气体CO_2排放已成为全世界关注的焦点。化学链燃烧技术作为一项有前途的CO_2分离技术,已成为各国研究的热点。本文搭建了移动床反应器实验台,对以烧结矿为载氧体的合成气化学链燃烧反应过程进行了研究,获得了稳态工况下气体浓度随床高的变化趋势,并分析了反应温度、烧结矿颗粒粒径、气固流量比对反应的影响。结果表明:自移动床底部到顶部,还原气体浓度逐渐下降;随着温度的升高,合成气转化率有明显的提高;烧结矿载氧体颗粒粒径减小,合成气转化率增加;气固流量比的减小可提高合成气转化率。     

离散颗粒层被横向推移过程中的力学行为研究

研究发现,颗粒物质层被匀速推移挤压过程中,所需推移力先以线性规律增加,在某一确定点后,则会以指数规律增加.而颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,其宏观上反映的是离散颗粒的个体性质和凝聚态物质的集体效应.颗粒与颗粒之间以及颗粒与边界之间的细观尺度接触力链的构成以及演变规律将会直接影响各种宏观受力情况,其摩擦力与挤压力便是力链的主要构成形式.围绕着定量描述细观力链特征,从而揭示力的变化规律这一目标,采用计算机模拟的方法,依照球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下不同数目的三维等径球体颗粒层的推移情况进行了离散元仿真模拟,量化分析了推移力变化规律、各摩擦力变化规律以及力链分布规律,发现摩擦力与挤压力在颗粒堆积的不同阶段对力链的构成起到了不同的主次作用,使得力链发生强弱演变,从而发现了推移颗粒物质层时推移力的变化规律及原因.这些结果有利于从力链角度揭示颗粒内部和颗粒与各边界之间的受力情况.     

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程,对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型,煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型,ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序,分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟,并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好,ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度,气相温度,组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转,有一局部高温区存在。     

基于水泥/CaO修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧试验

煤化学链燃烧是一种基于CO_2零排放的新型燃烧方式。对铁矿石加以水泥/CaO修饰,在串行流化床上进行煤化学链燃烧试验,考察了修饰后的载氧体对煤转化特性及含N气体排放的影响。结果表明:相比于铁矿石载氧体工况,采用修饰铁矿石能够促进煤及煤气化产物在燃料反应器中的转化,从而提高CO_2捕集效率并降低额外耗氧率;采用修饰铁矿石减弱了燃料反应器中的还原性气氛,燃料反应器中的NO析出增加,而空气反应器中的NO析出减少。     

详细化学反应动力学动态自适应加速

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析法将燃烧区域中的网格节点(或颗粒)从组分空间向低维空间内投影,根据投影点在低维空间内的概率密度函数来刻画系统的非均匀性,进而自适应地选择ISAT和DAC进行加速.本文通过设置内燃机模拟算例,使用甲烷GRI Mech3.0机理,初步验证了新方法的性能。计算结果表明,在保证计算精度的同时,新方法具有明显的加速优势。对于包含500个颗粒的内燃机模拟算例,加速因子可以达到使用ISAT的2.7倍、DAC的1.7倍、固定ISAT-DAC联合的1.8倍。     

可燃固废流化床气化的欧拉-拉格朗日数值模拟

基于欧拉-拉格朗日模型,气相采用LES湍流模型,固相采用离散颗粒法,同时考虑复杂气固流动以及相内、相间的化学反应,引入气化过程的热解反应模型,并且考虑了焦油的生成和均相转化,对流化床中可燃固体废弃物空气气化过程进行了三维数值模拟。获得了反应器内颗粒流型,气体组分浓度的分布规律以及不同操作条件下的产气组分、产气热值和焦油含量。结果表明;随着空气当量比ER的增加,CO、H_2和CH_4的体积分数逐渐减小,而CO_2的含量逐渐增大。产气率随着ER的增加逐渐增大,产气热值逐渐减小,出口气中的焦油含量也随着ER的增加而明显减小。     

污泥和准东煤的化学链燃烧实验研究

化学链燃烧是一种具有CO_2内分离的新型燃烧技术。基于天然铁矿石载氧体在1 kWth的串行流化床上进行了污泥和准东煤化学链混合燃烧实验。探究燃料反应器温度对碳转化率和反应器口体积分数的影响。在批次流化床上进行了固体燃料气化和热解实验。实验结果表明反应器温度由800到930℃,反应器出口的CO_2体积分数上升,CO和CH4降低,碳转化率升高。在整个温度范围内,相比于污泥,混合燃料对应的CO_2体积分数,但碳转化率低。在930℃时,混合燃料的碳转化率可以达到90%左右。准东煤中钠含量较高,但在连续运行过程中无烧结和团聚等问题出现,这主要归结于燃料混合导致的钠含量的降低以及高熔点钠化合物的生成。     

基于赤铁矿载氧体的污泥化学链燃烧研究

基于污泥处置技术的减容化、无害化、稳定化和资源化的目的,本文首次采用化学链燃烧技术来处置污泥,实验基于赤铁矿载氧体在1 kW_(th)串行流化床上开展。研究了燃料反应器温度对污泥燃烧特性的影响,并对比了淮北无烟煤和污泥化学链燃烧特性的差异,以及考察了赤铁矿长期运行的物化性能。实验结果表明,在本实验的工况下,没有焦炭随载氧体进入到空气反应;随着燃料反应器温度的增加,污泥和煤的碳转化率均增加,但污泥的碳转化率要高于煤;同时,水蒸气的加入可提高污泥的碳转化率,但水蒸气的量对其影响较小;赤铁矿在长时间运行中,体现了良好的反应以及抗烧结性能。