含氧煤燃烧系统设计的降阶模型

抽象的

氧煤燃烧是目前正在开发的解决燃煤电厂温室气体排放相关问题的较有前途的技术之一。含氧煤燃烧是在纯氧和主要由二氧化碳(CO)组成的循环烟气(RFG)的混合物中燃烧煤炭燃料₂)。因此，许多研究人员和发电厂设计人员转向CFD模拟来研究和设计新的氧煤燃烧发电厂，以及改造现有的空气-煤燃烧设施，以实现氧煤燃烧操作。虽然CFD是一个强大的工具，可以提供大量的信息，但模拟本身在计算资源和时间方面的投资可能非常昂贵。作为补救措施，建立了含氧煤燃烧的降阶模型(ROM)来补充CFD模拟。有了这个模型，就有可能在已知的燃料和氧化剂进入电厂锅炉的质量流量条件下，快速估计燃烧烟气的平均出口温度，并确定所需的反应炉入口质量流量。已经用这个模型检验了几个案例。结果与全CFD模拟结果相比，具有较好的一致性。

1.介绍

来自化石燃料燃烧的温室气体（温室气体）的人为排放被认为是全球气候变化的驱动因素之一[1］．为了满足未来的减少温室气体排放的目标，目前正在开发一些用于碳捕获和储存的发展技术;包括预先和后切换捕获和氧气燃料燃烧[2］．

氧燃料燃烧利用纯氧和回收烟道气(RFG)的结合作为燃料源燃烧的氧化剂，产生主要由CO组成的气体₂水蒸气[2］．高浓度的CO₂在烟气中使CO更容易和更经济₂分离和压缩，并已被证明能减少气体的排放和源自煤粉发电厂[3.].因为CO的比热较高₂与传统的空气燃烧中的氮相反，氧煤燃烧被发现会导致燃烧器内火焰温度、化学物质浓度和辐射传热的显著变化[3.］．

因此，许多研究人员已经将氧燃烧的CFD建模作为设计工具，用于设计新的发电厂和利用氧煤燃烧改造现有设施[3.- - - - - -7］．这些模拟工具能够提供有关反应器内流场、紊流混合、温度和物种浓度分布的详细信息。然而，这些模拟依赖于一些模型参数和假设。更重要的是，每一个模拟都需要大量的时间投资和计算成本[7］．如果模拟的目的是获得一组操作条件，如燃料和氧化剂的流量，将导致反应堆温度在一个狭窄的定义范围内，那么可能需要大量的模拟，将成本乘以一个显著的差额。

为了减少确定可接受的反应堆运行条件所必须花费的时间和精力，一个简化的简化顺序模型(ROM)已经被开发出来。ROM利用了一种基于晶格渗流理论的商业可用的煤挥发模型，一种由NASA开发的化学平衡代码，以及使用Microsoft Excel的迭代能量平衡计算电子表格。接下来的章节将更详细地描述每一个元素，以及使用Ansys-Fluent软件包进行ROM预测和CFD模拟的比较。

2.对降阶模型的描述

对于给定的煤炭原料，最终和近似的分析数据和更高的加热值用于计算燃料（煤）和氧化剂所需的流速（作为O的混合物₂和有限公司₂)对于所需的输入能量水平（以kW表示）和当量比，其中当量比表示为可用氧与化学计量燃烧所需氧的比率。为了说明煤在加热时的脱挥作用，所选煤原料的最终和近似分析数据，如ll作为加热速率，作为杨百翰大学开发的化学渗流脱挥（CPD）模型软件的输入[8- - - - - -10］．CPD软件能够预测煤焦油和煤加热时释放的挥发性气体的质量分数。该模型还预测了剩余固体材料的质量分数，这是为了ROM的目的而假设的纯碳(石墨)。这些质量分数然后转换成流量(摩尔/秒)，以及燃料和氧化剂的摩尔流量，作为NASA化学平衡应用(CEA)软件的输入。然后使用CEA软件确定绝热火焰温度、总焓和燃烧产物的平衡浓度。然后利用这些信息来计算能量平衡，其中包括出口气体中包含的能量和转移到灰物质的能量，以及假定的损失到周围环境的热量。质量和能量平衡方程导致了一个迭代过程，在此过程中，CEA软件在不同的指定温度下反复运行，直到能量和质量守恒得到满足，从而得到指定物种的平均出口温度和质量分数。下面将更详细地描述上面讨论的每一个步骤。

2.1。燃料/氧化剂化学计量计算

确定完全燃烧所需氧化剂的化学计量量的第一步是计算燃烧过程中产生所需功率输出所需的燃料（或煤）质量流率。这是通过解决(1),是燃油的质量流量，单位为kg/s，为原料较高的热值，单位为kJ/kg, PO为输出功率，单位为kW: 一旦知道燃料的质量流量，就有必要计算完全燃烧所需的氧化剂质量流量。这是通过求解煤燃烧反应的化学计量系数来实现的，如所示(2)对于一千克煤： 哪里，，，,是化学计量系数和下标吗，，，,是煤中碳、氢、氧、氮和硫的摩尔数（通过最终分析确定的每种元素的干无灰质量百分比除以每种元素的分子量）。完成燃烧所需的每摩尔燃料的氧摩尔数等于最后要获得所需的总氧化剂中氧气的百分比所需要的二氧化碳的摩尔数是多少 为了确定氧化剂的所需质量流速，每千克干燥的氧化剂摩尔数量必须乘以氧化剂的分子量和总质量流量燃料： 括号中的表达式解释了“已接收”和“daf”煤之间的差异。需要注意的是，通过(4)是指完全燃烧所需的化学计量比。如果需要贫燃料（或富燃料）混合物，则(4)可以乘以等价比，λ.，以获得所需条件，其中 当量比小于1表示燃烧将发生在富燃料环境中，而大于1表示贫燃料环境中，当量比为1表示化学计量燃烧。

２.２.煤液化作用模型

煤的脱挥发特性采用Fletcher等人开发的化学渗透脱挥发(CPD)模型建模。[8- - - - - -11］．CPD模型利用特定类型煤和特定升温速率的最终和近似分析数据，能够预测煤热解(被认为是煤燃烧的早期阶段之一)过程中挥发性气体、焦油和残余固体的演化。CPD模型输出CO、CO的质量分数₂, CH₄、水蒸气、(未指明的)焦油、固体(即产生碳和灰的物质)和其他(未指明的)挥发性气体随时间和温度的函数。

为了简化ROM，我们假定焦油主要由苯酚(C₆H₅哦）那个释放的气体的平衡不是CO，CO的形式₂, CH₄，或水蒸气(即上述未指明的气体)将由下列气体种类组成₂H₆(乙烷),H₂年代,所以₂阿,₂N₂,和H₂．然后，根据煤的最终分析所提供的碳、氢、氮、硫和氧的质量分数计算元素质量平衡，从而估计出这些气体种类的数量。上述气体和焦油种类的选择主要是由NASA CEA软件中燃料和氧化剂化合物的选择驱动的，如下所述。

２.３.化学平衡计算

ROM使用了美国宇航局化学平衡与应用(CEA)计算机代码[12，用于计算与燃烧有关的参数，如绝热火焰温度、总焓和平衡气体成分。CEA代码由美国宇航局格伦研究中心开发，包含定压或定体积燃烧模块，基于有限或无限室面积模型的火箭性能，冲击波计算和Chapman-Jouguet引爆。此外，该代码还包含了超过2000种化学物质的热力学和输运性质数据库。CEA代码可以作为基于web的应用程序，也可以作为用Fortran编程语言编写的可下载源代码。CEA代码首次用于确定绝热火焰温度，以及反应器烟气的总焓和化学成分。这是使用“燃烧”模块完成的，其中反应堆压力和摩尔流量和入口温度的预先确定的燃料和氧化剂物种被指定为输入。除另有规定外，计算出的氧化剂的温度均假定为在标准条件下，而脱挥发产物的温度则假定为CPD模型中煤脱挥发过程中指定的最终温度。由此产生的火焰温度、焓和气体组成被记录下来，用作能量平衡计算的入口条件，这将在下一节中讨论。

此外，在能量平衡计算的迭代步骤中，CEA代码将在指定的流速下，但在指定的温度和压力下再次运行。该步骤将以迭代方式（随着温度的变化）完成，直到满足以下所述的能量平衡计算。

２.４.能量平衡计算

对于ROM的能量平衡计算成分，氧气燃烧反应器被视为对照体积，在该控制体积上，进行稳态能量平衡。在这种处理中，与NASA CEA码一起使用的指定入口条件提供了进入控制量的总焓（能量）。假设控制体积内没有能量变化，使得离开控制体积的能量必须等于进入控制体积的能量。离开控制体积的总能量是烟道气中含有的温度依赖性焓，通过理论反应器的壁传导传热损耗以及提高剩余固体（灰分）的温度所需的能量。出口温度。第一迭代使用绝热火焰温度数据，随后的迭代逐渐降低温度，直到入口和出口能量值之间的差异忽略较小，从而满足能量守恒原理。

3.结果与讨论

使用ROM进行了一些模拟，然后将这些模拟的结果与之前验证过的CFD模拟的相似燃烧条件进行了比较。在这些模拟中，煤和O₂和有限公司₂假设总热损失为25 kW，并将ROM和CFD模拟提供的预测出口温度进行比较。总共考虑了三种不同的运行条件;这些条件对应的氧化剂组成的25%，50%，75%的O₂，剩余的平衡由CO组成₂．每一种煤的性质如表所示1．

3．1.CFD模拟

如前所述，用于比较CFD模拟和ROM预测的反应堆目前正在由作者开发。这个高温夹带反应器(VHTER)是一个垂直下燃设计的燃烧室直径为150毫米，长度为2米。燃烧器由两个同心端口组成。第一个端口是使用一小部分氧化气体作为载体的煤粉喷射。剩余的氧化剂通过第二个端口注入，第二个端口旋转成45度角的鳍状。此外，一对切向注射端口可用于在反应器内注入所需的化学试剂。这个反应器的原理图如图所示1．

对于本比较中使用的每个模拟，假设输入功率为100 kW，对应的质量流量为kg/s的煤粉，使用。此外，三种不同的O₂/公司₂混合物,阿₂浓度分别为25、50和75%。这些案例分别被命名为OF25、OF50和OF75。通过墙壁的热损失被假定为电源输入的25%，或25kw。氧化剂的质量流率用等效比0.85计算，如表所示2．假定煤和氧化剂在标准条件下进入反应器。最后，在这些模拟中没有使用切向喷射口。

3.1.1。解决方法(CFD)

使用ANSYS-FLUENT软件包进行模拟。简单的方案[13]与PRESTO方案一起用于压力-速度耦合[14]用于压力联轴器，推荐用于旋流[15］．湍流流动、物种输运和辐射传热方程采用一阶UPWIND格式求解[13].使用结构化网格系统中的有限体积法求解连续和离散相的湍流、燃烧、传热和传质控制方程。采用二维和三维轴对称区域；然而，这里只给出了二维轴对称区域的结果。

燃烧过程分别使用Eulerian-Lagrangian方法进行建模，分别用于连续和离散阶段。通过使用Reynolds平均方法（RAN）来求解Navier-Stokes方程来确定连续介质的流动动态。雷诺应力通过利用标准来建模-ε.朗德及斯伯丁的模型[16］．通过使用用于近壁处理的标准壁函数来执行靠近壁区域的湍流建模，从而从洗涤和斯派列中进行近壁处理[17］．

燃烧和物质输运的气相模型使用众所周知的时间平均能量方程和物质输运方程。

能量方程是根据考虑传导、对流和粘性耗散的比能量而建立的，有效热和扩散特性由湍流效应修正。燃烧、辐射热传递和附加源的影响也包括在内。辐射传递方程（RTE）通过使用离散纵坐标（OD）辐射模型（Siegel et al[18)，它可以解释气体和粒子相之间的辐射交换以及散射的影响。对于湍流-化学相互作用，Hjertaer和Magnussen的湍流-化学模型[19假设，即涡流模型。

煤的脱挥发采用Badzioch和Hawksley的单动力学速率脱挥发模型[20，其中的挥发物是由两步反应机制定义的，其中“挥发物”是一种从煤的近似和最终分析中获得的一般碳氢化合物。最后，利用Baum and Street的动力学/扩散限制表面反应模型模拟了半焦的氧化[21]及Field [22］．这些模拟中使用的模型在合著者进行的探索性研究中进行了氧煤燃烧的测试[23］．

主端口和次要端口的边界条件被设定为入口流动条件。对于次要端口，给出了旋流流量分量以模拟45°翅片旋流器。假设恒定的传热速率和0.5的恒定发射率为0.5的恒定的壁进行建模。出口条件设定为压力出口，标准压力和后流量温度接近平均出口温度。

3.1.2。仿真结果

煤的燃烧结果表明，在所有情况下，煤都能完全挥发，焦炭燃尽率接近99%。一个典型的温度轮廓的结果如图所示2．预测出口气体的摩尔分数组成如表所示3.．计算得到的预测出口温度如表所示5．

３．２．罗预测

上一节中描述的三个模拟案例也考虑了降阶模型（ROM）方法。按照前面描述的过程，煤脱挥产物和相应所需的氧化剂量被分解为各种单独化合物的摩尔流量，并用作NASA CEA代码的输入。提供了三种模拟情况下的结果值在桌子上4．从表中可以看出，除了CO的摩尔流速外，其他情况下的值都是不变的₂，用作调节反应堆温度的稀释剂。对于这些ROM，假设氧化剂在室温下进入反应器，而煤的脱挥发产物被认为是在2000 K的温度下进入反应器。预测出口温度如表所示5．正如预期的那样，随着氧化剂气体流中氧气浓度的增加，由于稀释剂CO的量减少，平均出口温度降低₂．

根据NASA CEA代码通过吉布自由能最小化计算得出的三种情况下的出口气体成分如表所示6．和预期的一样，CO的摩尔分数₂在产物中，在注入反应器中的初始氧化剂气体内随着氧百分比的增加而减小。这些结果将在以下部分更详细地讨论。

3.3。与CFD仿真比较

从ROM得到的温度与从CFD模拟得到的平均出口温度进行了比较。结果比较如表所示5．从表中可以看出5，计算流体动力学(CFD)和简化订单模型ROM对估计的出口气体温度表现出密切的一致。对于所提出的每一种情况，ROM和CFD结果之间的误差百分比在3.0和3.5%之间。

由ROM预测的出口气体成分的比较(表6)和Fluent CFD模拟(表3.)在某些感兴趣的化学物种方面表现出相当接近的一致性，而在其他物种中表现出显著的差异。例如，生成的CO摩尔分数₂H₂O、 N₂阿,₂这两个模型显示出很好的一致性，而ROM预测的CO浓度大约比CFD结果大一个数量级。作者认为，至少在一定程度上，这是因为NASA的化学平衡代码考虑的化学物种比Fluent CFD模拟中考虑的多得多。例如，NASA代码还包括H, HO₂而Fluent则把所有的“外来”化学物种都归为一种单一的挥发性化合物，形式为C_1.17H_2.90O_０．７５N_0.0635年代_0.0107．

由于两者之间的这种差异，检查以确保来自两个模拟的结果包含了相同数量的每一种元素(即，C, H, O, N，和S)在一摩尔废气中。分析结果如图所示3.- - - - - -5，从这些图中可以看出，两种方法具有很好的一致性。

最后，数字6描述了预测的废气成分的行为作为一个函数的氧化混合物的氧的百分比为CFD案例。在本工作中讨论的模拟中，氧气的流量保持恒定，通过改变添加到氧化剂中的二氧化碳的量来获得氧气的百分比。因此，在图中增加氧气的百分比6是减少二氧化碳量的结果。因此，Figure6氧和碳的含量随氧的增加而减少₂百分比,如预期。相比之下，随着O的增加，氢、氮和硫的含量略有增加₂百分比。这也是意料之中的，因为更高的O₂百分比意味着作为稀释剂的氧化剂总体较少。虽然这里没有提供，如果一个人看出口气体组成ROM案例也可以看到类似的趋势。

4.结论

提出了含氧煤燃烧的降阶模型(ROM)。这个模型中,利用化学渗流液化作用(CPD)模型由弗莱彻等人清闲可用的NASA与应用化学平衡(NASA CEA)迅速代码可以用来帮助确定出口气体温度和化学成分的高炉燃烧反应器没有详尽的CFD的要求吗模拟。这个模型的主要优势是它提供了反应堆设计者和运营商能够快速获得初步估计的所需的燃料和氧化剂流量所需的操作条件,或快速估计出口气体温度和成分对于一个给定的初始流速。事实上，它可以在不需要时间密集的CFD模拟的情况下做到这一点，可以减少计算成本和时间要求。然而，应该注意的是，CFD模拟仍然需要预测反应堆容器内部的气体成分和温度变化。

附录

为了回顾审查人员评论，包括关于CFD和ROM模型复杂性的简要讨论。数字7显示了CFD模拟的组成部分。这些模拟包括气、固两相模型，以及辐射传热模型。图中的流程图7列出组成每个主要模型的所有子模型，以及它们之间的交互。本研究中提出的模型是利用西弗吉尼亚大学的NIFTY计算机集群进行的，该集群由96 GB RAM, 2TB网络存储6个双四核Xeon 2.66 GHz处理器节点组成，每个节点包含8个处理器。在其中一个节点上运行一个模拟案例大约需要10个小时的计算时间才能完成。相比之下，本文提出的简化订单模型(ROM)可以在一台个人电脑上进行，在本例中是一台戴尔Inspiron笔记本电脑，配备英特尔i5 2.5 gHz处理器和8gb RAM，大约需要30分钟。此外，如果保持燃料(即煤)的流量不变，而只有氧气/二氧化碳氧化剂混合物的流量不同，则可以在大约10-15分钟内计算出不同的情况。无论哪种情况，这都比全面的CFD模拟节省了大量资源。图中显示了描述ROM程序复杂性的流程图8．

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项技术努力是为了支持美中清洁能源研究中心-先进煤炭技术联盟(CERC-ACTC)根据美国能源部合同DE-PI0000017正在进行的清洁煤炭转化过程研究。

参考

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