模拟煤和生物质与不同的粒子烧结密度和直径在鼓泡流化床O₂/公司₂大气

文摘

鼓泡流化床的二维动态模型(BFB)燃烧室已经开发了模拟煤和生物质烧结过程的21%以下₂/ 79%股份有限公司₂大气中6 kWth鼓泡流化床,加上Euler-Euler两相流模型。二元颗粒混合物的分子运动论为了映射用于固相颗粒大小和密度的影响。分布的温度、体积分数、速度、气体物种浓度,反应速率与数值计算进行了研究。模拟温度分布沿燃烧室和出口气体浓度的高度显示良好的协议与实验数据,验证发达烧结仿真模型的准确性和可靠性。结果表明,有两个在燃烧室高温区域,分别存在燃料进口和稀相。反应速率与物种的浓度和温度有关。浓度和温度越高导致更大的反应速率。可以看出,所有的均匀反应率更大的燃料进口地区丰富,因为O₂和挥发物。发现高质量分数的挥发气体燃料入口,和主要的再燃烧气体稀相是CH₄。公司的质量分数分布与燃料的体积分数是由于这一事实的来源有限公司不仅从气化液化作用也。这个理论研究的基础上,更好地了解流动和燃烧特性在生物质和煤烧结氧气燃料大气层可以实现。

1。介绍

生物质是一种无碳燃料拥有大量储备,生产没有网络有限公司₂在它的生命周期排放,可以减少网络有限公司₂在燃煤电厂排放有效(1]。生物质与煤烧结提供了另一种方法来有效地利用生物质燃料由于其“低风险等许多优点,良好的发射性能,和更好的燃油经济性2,3]。流化床燃烧技术(FB)适用于生物质和煤cocombustion由于其高昂的各种类型的燃料燃烧效率和更好的排放特征(4- - - - - -6]。更重要的是,相比,粉末燃料(PF)锅炉、流化床燃烧器可以设计一个相对较小的投资转换从煤燃烧生物质和煤烧结。

氧气助燃技术是一种碳捕捉技术在1982年首次提出的亚伯拉罕等人[7]。几个实验调查展示了潜在的应用和经济价值在流化床燃烧器8- - - - - -10]。近年来,研究人员更加关注生物质和煤烧结氧气燃料流化床燃烧器(11]。谭et al。12)进行了一系列的测试木材的燃烧和排放特性与煤烧结半工业规模氧燃料循环流化床(CFB)燃烧室和得出结论,它是可行的实现- CO的排放₂。段et al。13]研究不从生物质和煤烧结发射10 kWth氧燃料条件下循环流化床。发现的排放没有啊₂/公司₂大气是低于空气气氛。实验由Kumar和辛格14,15]调查温度剖面图,气体排放,粒度分布和燃烧效率的四种生物质与煤氧燃料气氛下烧结20 kWth流化床。

计算流体动力学(CFD)已被广泛用于研究生物质与煤烧结的燃烧和流动特征(16- - - - - -21]。我的(22)模拟了生物质和煤烧结在锅炉设计使用一个发达的影响模型,研究了生物质分数有限,N ,所以₂排放。Zhang et al。23低密度的模拟燃烧生物质与煤(燕麦壳)烧结流化床燃烧室采用欧拉模型,发现生物的质量分数会影响炉的温度峰值,而调整的二次空气能很强烈地影响燕麦壳的燃烧。然而,只有少数研究中生物质烧结FB模拟大气氧燃料。下榻的饭店等。24,25)模拟生物质烧结在PF O₂/公司₂大气和研究了氧浓度和生物量比率对燃烧特性的影响。

有两种主要的方法来描述颗粒在流化床的流体动力学行为:拉格朗日(离散单元)和欧拉(连续)。拉格朗日方法跟踪每个粒子在随机流场求解运动方程。外力直接作用于每个粒子都是考虑。另一方面,欧拉方法描述了承运人和分散相与连续方程的一组代表质量守恒,动量和能量的阶段在一个固定的元素。模拟的密集的流化床,离散粒子近似作为描述特点和连续相粒子与粒子之间的相互作用,基于颗粒流的动力学理论(KTGF)。KTGF是由密集的气体分子运动论[26]。它是基于玻耳兹曼方程,代表粒子的相对无序运动根据碰撞和分数通过颗粒温度(θ)。Goldschmidt et al。27)表明,模拟使用KTGF同意与流化床的弹性粒子模型。然而,原始KTGF [28)不能用不同的大小/密度模型混合粒子,由于假设所有粒子颗粒温度(平等29日,30.]。因此,卢et al。30.,31日]KTGF模型扩展到一个二进制颗粒混合物具有不同颗粒温度通过麦克斯韦分布。王等人。32)模拟循环流化床燃烧和脱硫过程与各种粒子大小/密度(煤/石灰石)使用KTGF模型与不同的颗粒温度。很明显,燃料的流动和燃烧特性极大地影响粒子的大小和密度(33]。平均密度和粒子大小限制的假设模拟的准确性(21,32]。因此,有必要建立一个模型,煤和生物质在FB烧结具有不同粒径和密度。

在这项研究中,生物质燃烧和流动特征与煤烧结6 kWth氧燃料使用CFD鼓泡流化床燃烧室进行了调查。的本构特性分散固体阶段预测二元颗粒混合物的分子运动论。气固两相流的不稳定过程、热、传质液化作用、异构和均匀的反应被认为是在这个仿真。

2。计算模型

基于Euler-Euler方法中,一个复杂的模型包括气固多相流相间传热传质、煤和生物质液化作用,建立了同构和异构反应。为了确保良好的收敛性和可接受的计算时间,建立了模型简化;在这项研究中采用的主要假设,列出如下。(1)网格模型假定为二维炉深度为0.05米。稀释的宽度和密度区域在二维情况下确定基于3 d炉中相应的截面面积。(2)固相是由煤和生物质颗粒具有不同的密度和直径。他们都是假定为非弹性球体。(3)气体被认为是不可压缩和理想,没有滑动在墙附近。(4)颗粒碰撞的强度是独立与床的温度。(5)炉的辐射传热是忽视,但是墙上辐射是考虑整体传热系数。 For good computational convergence, the heat transfer between coal and biomass particles is neglected. (6) Energy transfer induced by the effect of pressure, viscous dissipation, and compositional diffusion is ignored. (7) The reactions of denitration and desulfurization processes are neglected in the combustion submodel due to the less influence on temperature field.

2.1。水动力模型

2.1.1。气相

气相显示为控制方程(1)- (3),下标s, g代表固相,气相,分别。 , , ,p, H,和是体积分数、密度、瞬时速度,压力,焓和温度,分别。是气相的质量源项由化学反应。应力-应变张量。是气固阻力系数定义为Gidaspow模型(47]。意味着从固相质量转移到气相。在(3)是能量源项,包括热代单位体积和气体和固体之间的热交换引起的对流。是气体和固体之间的传热系数计算Gunn的模型(48]。表达的物种守恒方程(4),下标我= 1 - 8代表物种的8种(H₂O H₂有限公司有限公司₂,CH₄C₂H₆、焦油和O₂在气相。是气体的质量分数我,是物种的扩散通量浓度梯度引起的吗 ,和是物质在化学反应反应速率。

2.1.2。粒子相

连续性、动量和能量方程的固相(所示5)- (7)。相同的字符与气相共享相同的定义。粒子之间的阻力系数是不同的阶段。基于KTGF二元颗粒混合模型中,每个粒子阶段有不同的大小、密度、温度和颗粒。粒子的动能方程阶段所示(8),是每个粒子的颗粒温度阶段。 , ,和是粒子的扩散系数阶段,粒子非弹性碰撞,引起的耗散率和动能之间的交换气体和粒子,分别。KTGF的详细推导二元颗粒混合模型(30.,32]。

2.2。化学反应模型

煤和生物质的烧结过程被定义为3部分:水蒸发和液化作用,均匀反应(不稳定燃烧),和异构反应(char氧化和气化)。所有的反应率如表所示1。

2.2.1。煤和生物质液化作用模型

五个挥发性产品被认为是在煤和生物质液化作用:CH₄H₂、公司、焦油和C₂H₆(40,49,50]。煤和生物质液化作用是表达的反应 。和分别是char的质量分数和不稳定。挥发性产品的数量计算中使用的相关(40,51]。

2.2.2。同构和异构反应

反应 - - - - - - 是均匀的反应。燃烧的挥发物跟着阿伦尼乌斯定律。char氧化和气化反应所示 - - - - - - ,在那里是决定机械因素的平衡公司和公司吗₂生产。

2.3。数值方法和边界条件

建立了一个二维网格模拟鼓泡流化床炉的如图所示1。如图,燃料入口,二次进气口,和燃气出口的高度0.18米,0.65米,1.5米,分别。网格的燃料进口和二次进气的细化。预计的总数是7751。模拟中使用的一些主要参数如表所示2。恢复系数的选择被称为从32,52,53]。工业分析和元素分析的煤和生物质(木片)如表所示3。

流利的软件是在这项研究中,使用和不稳定方程采用的解决方案。由于耦合使用简单的算法,梯度插值Green-Gauss算法采用基于基本的体积。固相的速度被认为是0在最初的时候,气相的速度是一样的初级空气入口速度。炉的温度均匀。镜子系数固体颗粒被认为是0.5和墙的厚度是0.2米。化学反应速率加上模型是由用户定义的函数。没有滑移边界条件应用于气相和Johnson-Jackson模型(54)是在近壁区采用粒子阶段。

仿真进行了30年代的时间步长设置为1×10⁻⁴年代。第一0.1秒,加气灰渣流化模拟的温度1123 K没有燃料喂养,然后煤和生物质连续送入炉中。

3所示。结果与讨论

3.1。验证

为了获得可靠的统计数据在流化床燃烧特点,三个气体的体积分数物种(CO₂阿,₂,和H₂O)在气体出口监控。结果如图所示2。可以看出,公司的平均体积分数₂和H₂O在出口逐渐形成79%上升到86.42%和0%到9.36%,分别在最初的10年代。与此同时,O的体积分数₂从21%下降到4.18%。然而,有限的体积分数₂阿,_2,和H₂O在15秒后相对稳定的模拟,波动在87.8%,4.54%,7.55%。因此,20 - 30年代时均采用计算结果,分析了流动和燃烧特性。

为了演示仿真结果的准确性,实验6 kWth鼓泡流化床在21%以下₂/ 79%股份有限公司₂气氛已经在东南大学,南京,中国54]。图3显示公司的实验与仿真值₂阿,₂,和H₂在出口O体积分数。体积分数的相对误差₂H₂啊,和₂分别是5.8%、5.6%和0.682%。仿真值与实验结果有很好的一致性。

3.2。流量特性

图4显示了瞬时体积分数的煤和生物质基本气流速度条件下,燃料供给率,和生物量/煤质量比为0.71 m / s, 0.87 kg / h,分别和0.25。体积分数对煤炭和生物质阶段都是在初始时间0.275。输入的煤和生物质燃料的立管入口是0.18米的高度。可以看出,生物质和煤形成的集群燃料入口(在19.6 s)和沿墙摔倒时,立管的底部,然后上升由于一次空气(从19.8到20.4年代)。可以观察到泡沫的形成在一次空气上升。泡沫的增长,改变形状,分裂和合并一起建立的时间。最后,辅助进气口上方的泡沫破裂。鼓泡流化可以观察到明显的瞬时体积分数分布的图煤炭和生物质。

时间和section-averaged体积分数和压力分布沿轴向高度图所示5。煤的体积分数高于生物质立管的底部。煤颗粒遭受更大的重力由于更大的密度,导致更多的煤炭立管底部的沉积。然而,生物量高于生物量的体积分数时,高度超过0.2米。与图相比4,它表明,生物质颗粒更容易起来一次空气。床上压力分布也显示在图5。床上的最大压力是2280 Pa。床床的压力沿轴向高度降低,维持在-50 Pa当身高高于0.8米。立管是分为三个区域密度区(0 - 0.5),过渡区(0.5 - -0.8米),分别和稀释区(0.8 - -1.6米)。

图6显示了时间上的轴向速度分布煤、生物质、和天然气的高度0.05米,0.45米和0.7米。结合图4可以看出,气相速度较大的中心是由于粒子的体积分数较低。煤和生物质颗粒与气体上升由于中心气体阻力的影响。然而,煤和生物质如此之高的体积分数在近壁区气体阻力不够大的煤和生物质颗粒。在这种情况下,速度在近壁区-这意味着粒子的下降。生物质和煤颗粒之间的速度相比,煤粒子的增长速度低于生物质颗粒。因此,煤和生物质颗粒体积分数较低的流的中心和流与高体积分数在墙附近。反应堆的上升,可以观察到颗粒的内循环流动。

3.3。温度曲线

图7显示部分,时间上模拟温度在20 ~ 30年代沿轴向高度的立管和实验温度的值。实验值在4点高度(0.16米,0.29米,0.8米,1.2米)是1065 K, 1097 K, 1082 K, 1033 K,分别。实验值之间的相对误差和模拟温度分别为1.29%,0.09%,1.64%,3.82%。更大的相对误差在1.2米可能是由于较高的径向温度梯度引起的二次空气。然而,所有的温度相对误差不到5%,这也表明在这项工作建立了模型的准确性。

图8显示了瞬时炉的温度分布。高温区域观察到高于燃料入口(0.2 ~ 0.3米),温度约为1100 ~ 1200 K。这是由于燃烧释放的挥发物的煤炭和生物质。事实上,结合图7,可以看出,低温地区低于燃料入口(0.16 ~ 0.18米)。这样做的原因是,水蒸发吸收的热量和煤和生物质液化作用。床温度平均密度区(0 ~ 0.5)是1082 K。过渡区温度(0.5 ~ 0.8米)是统一的,其section-averaged温度大约是1080 K。很明显,气体的温度再增加二次进气口上方。寒冷的二次空气(423 K)进入立管使挥发物复燃。因此,中心温度80 K高于近壁区。

3.4。反应速率

图9显示生物质和煤的液化作用率定。可以看出,煤炭和生物质释放挥发性就进入立管。它们的液化作用利率远高于其他异构反应速率。煤和生物质0.00374年代的最大值⁻¹和0.01495年代⁻¹。煤的液化作用速率低于生物量。另外,煤的质量分数较高。在这种情况下,煤的液化作用过程持续立管的底部,和液化作用过程的生物质燃料入口几乎是完整的。

均匀反应率(CH₄、公司、焦油和H₂)如图10。反应速率与物种的浓度和温度有关。浓度和温度越高导致更大的反应速率。可以看出,所有的均匀反应率更大的燃料进口地区丰富,因为O₂和挥发物。在这种情况下,大多数的挥发物被密集的区域。反应速率降低,减少挥发性和O₂沿轴向高度。事实上,H₂反应 只发生在燃料进口由于高反应速率使H₂在这个地区完全被消耗。然而,CH₄公司并不是完全消耗在密集的区域。再燃烧的发生在二次进气的注入O₂。因此,均匀反应主要发生在密集的区域。

3.5。浓度的气体种类

图11显示了CH的瞬时质量分数的轮廓₄、公司和焦油在20年代和最大值的0.0418,0.1785,和0.1214,分别。它可以发现,CH的质量分数₄和沥青高燃料进口地区,因为燃料液化作用和公司的质量分数是高在整个密集的区域可能是由于液化作用和异构反应的过程。然后,它们的质量分数逐渐下降的高度增加,因为均匀的反应。事实上,很明显,CH₄在立管还没有被完全消耗。相比之下,焦油二次进气后已经完全消耗。结合图4,我们可以看到公司的质量分数分布与燃料的体积分数是由于这一事实的来源有限公司不仅从液化作用也从异构反应。

图12显示时间,section-averaged质量分数分布的H₂啊,公司₂阿,₂沿轴向高度。如图12,我们可以看到O的质量分数₂迅速减少从16%到3%的致密区(0 ~ 0.5)因为char和不稳定的燃烧。氢的质量分数₂O增加燃料进口由于化学反应和水蒸发。公司的质量分数₂增加首先立管的底部,因为char燃烧。减少公司₂在燃料入口是由于异构反应 和注入一次空气。然后,燃烧不稳定导致公司的快速增长₂质量分数。公司的质量分数₂H₂O, O₂相对统一的稀释区。

4所示。结论

基于Euler-Euler方法中,一个复杂的模型包括气固多相流相间传热传质、煤和生物质液化作用,同构和异构反应建立了调查的燃烧和流动特性生物质与煤烧结6 kWth鼓泡流化床燃烧室在21%以下₂/ 79%股份有限公司₂的气氛。有限公司的模拟值₂阿,₂,和H₂O体积分数在出口和温度分布沿炉的高度满意地验证了实验数据相对误差不超过6%。结果显示在这项工作建立了模型的准确性。

结果表明,鼓泡流化图中可以观察到明显的瞬时体积分数分布的煤炭和生物质。仿真过程中,可以发现两个高温区域的反应堆,它存在于燃料进口和稀相,分别。一个高温区域观察到高于燃料入口(0.18米),温度约为1100 ~ 1200 K。这是由于燃烧释放的挥发物的煤炭和生物质。另一个是观察到高于二次进气(0.65米)。寒冷的二次空气(423 K)进入立管使挥发物复燃。因此,中心温度80 K高于近壁区。它还可以看出煤和生物质释放挥发性就进入立管。煤的液化作用速率低于生物量。结果显示,所有的均匀反应率更大的燃料进口地区因为丰富啊₂挥发物和挥发物的大部分消耗在密集的区域。反应速率降低,减少挥发性和O₂沿轴向高度。高挥发性的气体的质量分数(CH₄发现,公司等)在燃料入口和主要的再燃烧气体稀相是CH_4所示。公司的质量分数分布与燃料的体积分数表示,公司不仅从液化作用的来源也从异构反应。

实际上,详细分析和建模下的生物量烧结O₂/公司₂气氛是非常复杂的。这一理论研究的基础上,更深入洞察多相流动,传热传质、液化作用,和同构和异构反应在煤和生物质O下烧结₂/公司₂大气中可以实现。当然,这项技术的成功实施还需要进一步的研究和全面了解煤和生物质O的特点₂/公司₂在未来cocombustion。

数据可用性

仿真和实验数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢中国国家自然科学基金(51376045)和江苏省研究生创新研究与实践项目(KYCX18_0084)财政支持。

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