O_2/CO_2气氛下考虑斯蒂芬流的碳粒燃烧模型

针对富氧燃烧中的O2/CO2气氛,考虑表面氧化反应、表面还原反应和斯蒂芬流,建立了新的碳粒燃烧理论模型.实验表明,与未考虑斯蒂芬流的模型相比,该模型的预报结果与实验值符合得更好.对斯蒂芬流影响的分析计算显示,无论斯蒂芬流存在与否,燃烧速率均随氧体积分数(20%和30%)、粒径(100～240,μm)、表面温度(1,750～1,900,K)、环境气体温度(1,200～1,400,K)的增大而增大,但由于斯蒂芬流阻碍了反应气体向颗粒表面的扩散,减缓了反应进程,因此在本文计算条件下,新模型计算得到的燃烧速率比未考虑斯蒂芬流的情况低1/4～1/3.

富氧燃烧中斯蒂芬流对碳粒热平衡的影响

斯蒂芬流不仅影响组分的质量传递，还对能量传递有影响，而后者通常为研究者所忽略．本文通过建立具有明确物理意义的热流公式，推导出包括斯蒂芬流影响的能量守恒方程，深入研究了斯蒂芬流对碳粒热平衡及其着火的影响．结果表明，考虑斯蒂芬流后，总的化学反应热会随气体温度的升高而增大，辐射热流几乎不变；碳粒着火延迟，着火温度比无斯蒂芬流时约高30K，氧气浓度（体积分数）约高7％．忽略斯蒂芬流导致碳粒（50μm）燃烧速率和表面温度分别高出23％。40％和7％～10％，而熄火粒径偏低，约为28μm．与文献中的修正能量方程相比，新的能量方程更适合碳粒的富氧燃烧计算．

煤粉燃烧中焦炭燃烧模型的比较与分析

对已有的焦炭燃烧模型进行归纳总结,对常用的简化处理如单膜/双膜模型、忽略斯蒂芬流、忽略气化反应等带来的计算偏差进行了细致的分析比较.结果表明,与双膜模型相比,单膜模型的计算精度高;忽略斯蒂芬流会造成表面温度、燃烧速率的计算偏差,但可以通过对传质系数KD的简单修正进行改进;焦炭与CO2和H2O的气化反应不能忽略,否则会使得表面温度的计算明显偏高,而燃烧速率偏低,且偏差在富氧燃烧条件下更为明显.

炭粒富氧燃烧中传质系数的修正

与传统煤粉燃烧技术不同,煤粉在高浓度O2/CO2气氛中燃烧,在炭粒表面产生强烈的斯蒂芬流,对炭粒燃烧有重大的影响.笔者考虑炭的表面氧化(2,C+O2→2,CO)、CO2还原反应(C+CO2→2,CO)和H2O气化反应(C+H2O→CO+H2),给出忽略斯蒂芬流的传质系数修正式.数值计算表明,对单膜模型的修正显著改善了颗粒温度、燃烧速率和燃尽时间的预报.在不同燃烧情况下,采用修正表达式对斯蒂芬流的影响进行了讨论.研究发现,修正因子和反应速率、环境组分浓度、反应产物浓度有关;在典型富氧燃烧工况下,O2的传质系数修正幅度可达18%;如果有水蒸气(摩尔分数为0.1)存在,则修正幅度可达22%;CO2的传质系数修正幅度可达74%,有水蒸气(摩尔分数为0.1)存在时则修正幅度可达78%;仅有水蒸气气化反应时,可以忽略对其传质系数的修正.但如果同时存在炭的表面氧化反应和CO2气化反应,则必须对其进行修正,修正幅度为29%.

O_2/CO_2气氛下有边界层空间反应时传质系数的修正

考虑炭粒表面氧化和还原反应、边界层CO气相反应、Stefan流和多组分扩散,建立了O2和CO2气体传质系数的修正表达式.炭球燃烧实验表明,对传质系数进行修正是必要的.考虑边界层CO气相反应后,O2传质系数降低,CO2传质系数升高.CO火焰锋面离炭粒表面越近,O2传质的修正系数越小,CO2传质的修正系数越大.当炭粒表面仅有氧化反应时,O2的修正系数最小值为0.5,比不考虑边界层反应的结果又增加了32.5%的修正量.如果同时考虑表面氧化和表面还原,反应的增多都会降低O2和CO2的传质系数,而且对CO2扩散的影响比对O2的影响大.传质系数的这些变化可归因于气相反应、表面反应和Stefan流的综合作用.

粒内导热对单个生物质颗粒热解过程的影响

大粒径颗粒热解过程中颗粒内部的热传导过程通常不可忽略。为了更好地了解生物质颗粒热解过程中热质传递特性,本文考虑颗粒内部的热传导和斯蒂芬流的影响,建立了单个生物质颗粒热解的数值计算模型,分析了热解过程中颗粒内部的温度分布,得到了热解过程中颗粒与气体之间的表面传热系数。研究发现,粒内导热影响颗粒内部的温度分布,热解过程中,沿来流方向颗粒内不同位置温度有较大差异,加热气体温度为1173 K时,粒径为10 mm的颗粒内部温差可达146.7 K;颗粒表面迎风侧最先开始热解,使得颗粒形状发生变化;热解过程中努塞尔数出现两个峰值,表面传热系数大于没有反应时的颗粒表面传热系数。