o2%2fco2气氛下循环流化床煤燃烧数值模拟的研究

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1、东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：2—．011兰,夕东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印

2、或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：J氮驾导师签名：肌一、J7摘要温室气体排放是全球变暖的主要原因，目前人类活动排放的温室气体中56．6％是化石燃料燃烧产生的C02，燃煤电站大规模捕集C02势在必行。循环流化床02／C02燃烧技术被认为是目前最具有应用前景的C02捕集主流技术之一。国内外对循环流化床02／C02燃烧机理的研究刚刚

3、起步，可借鉴的经验很少，尤其是在循环流化床装置上实现烟气再循环燃烧的试验研究，国内还未见报道。现有循环流化床煤燃烧整体数学模型大都采用经验或半经验公式描述气固两相流动和传热等过程，耦合传热及化学反应的计算流体动力学(CFD)建模还需大量细致工作。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，探讨02／CO：气氛下循环流化床燃烧室内气固流动、传热、煤燃烧及污染物排放等特性。搭建了国内首台可实现烟气再循环燃烧的50kWth循环流化床中试装置，完善了测量与数据采集系统，基于02／c02燃烧过程质量平衡编写了

4、在线计算程序，对燃烧系统进行在线分析，确保装置稳定可靠运行，为进一步的过程控制和工程放大研究奠定了良好的基础。在欧拉多相流框架下，气相采用标准尼屯湍流模型并考虑离散相湍流作用，采用颗粒动理学理论封闭固相本构方程，建立了循环流化床内气固两相流动模型，并比较了不同曳力模型和关键参数(颗粒碰撞恢复系数和镜面系数)对气固流动特性的影响。针对流化床常用气固曳力模型未考虑颗粒团聚效应的不足，采用能量最小多尺度(EMMS)原理对其进行修正，并对不同曳力模型所描述的空隙率和曳力系数关系进行理论分析，采用文献中试验数据对模

5、型进行验证，说明了相间介尺度作用对预测非均匀性气固两相流动过程的重要性。将气固两相传热与流动过程相耦合，考虑气固相间传热过程，并采用壁面函数法处理近壁区温度，从模拟的角度揭示了循环流化床内贴壁下降流对炉膛与壁面间传热系数及其分布的直接影响，发现曳力模型的选取对传热系数分布的预测结果至关重要；通过自定义标量方程求解炉内辐射强度，采用文献中试验数据对模型进行验证；通过理论分析发现颗粒辐射在循环流化床辐射换热中占有的份额很大，C02气体对总辐射强度的影响并不明显。通过设置质量、动量、能量和组分守恒方程的源项考虑

6、了均相和非均相化学反应，筛选了文献中循环流化床燃烧常用的化学反应动力学参数，提出了欧拉框架下模拟焦炭燃烧过程固相吸热份额的方法，并设置虚拟能量汇项以弥补三维实体N-维模型转换过程中散热壁面面积的损失，成功建立了二维循环流化床炉膛内煤燃烧的CFD综合模型。预测了循环流化床内煤热解、挥发分燃烧、焦炭燃烧／气化和污染物析出及脱除等过程，计算过程稳定可靠，模拟结果与试验值吻合良好，炉内温度和组分分布合理；该模型丰富了循环流化床煤燃烧的研究手段。采用所建CFD综合模型对02／C02气氛下循环流化床燃烧室内煤燃烧过程

7、进行数值模拟，通过燃烧室压力和温度分布，以及出IZl烟气组分的试验数据，对模型进行验证。分别维持给煤量(热输入)和入口气速不变，研究了不同氧浓度和不同燃烧方式对循环流化床燃烧室内空隙率分布及固体循环倍率、温度分布及边界散热份额、气体组分分布、焦炭气化反应速率分布、污染物排放浓度及排放量等参数的影响规律，提高了对该过程的认知水平。关键词：循环流化床；02／C02燃烧；气固两相流动与传热；煤燃烧及污染物排放；CFD模型T东南大学博士学位论文ABSTRACTGreenhousegasemissionsareth

8、eprimaryreasonofglobalwarming．Atpresent．56．6％ofthegreenhousegasemissionsfromhumanactivitiesaleC02fromcombustionoffossilfuel．ItisimperativetocaptureC02forlarge·scalecoal-firedpowerplants．Oxy-fuelckculatingfluidizedbe