气流床气化过程多结构单颗粒煤焦燃烧-气化反应特性数值模拟研究

煤气化技术是现代煤化工的核心技术,气流床气化炉内的高温颗粒是气化反应过程的重要载体,其反应特性与其粒径、孔隙率及在气化炉内所处的反应环境密切相关。目前针对炉内颗粒开展的实验研究均需借助可视化装置,受到了气化炉内复杂的环境、高温内窥镜光路尺寸、内窥镜前端镜片抗颗粒污染能力及成像系统有效分辨率等诸多条件的限制。采用CFD数值模拟的方法,能够在更微小层面和颗粒内部对颗粒燃烧-气化反应过程进行研究,直观观测其行为特性。将颗粒设置为实心结构、凹孔结构和突起结构,比较了三种结构颗粒在不同环境温度和气固两相相对速度条件下的燃烧-气化反应特性。模型验证表明该模型能有效描述单颗粒煤焦反应特性。结果表明:不同结构颗粒模型有相似的火焰形态和温度分布特征,环境温度升高和气固两相相对速度增加均会使颗粒整体反应程度增加,气固两相相对速度对颗粒火焰形态和颗粒内部温度梯度的影响更大;随着气固两相相对速度的增加,结构对颗粒反应特性的影响更加明显;增大接触面积并不总是有利于颗粒整体反应的进行。

基于收敛性提升的粒子群算法及其在火电厂配煤优化研究

针对大型火电机组的燃煤煤种复杂、混煤掺烧决策困难的现状,以及配煤优化过程存在多种设计约束和物理约束而导致传统优化算法的寻优过程难以收敛的问题,提出了一种改进粒子群优化算法。该算法将自适应约束处理机制引入传统粒子群优化算法中,基于距离测度和自适应惩罚项对违反约束的粒子进行自适应处理,引导寻优过程实现收敛;同时,采用平滑非线性权重递减策略代替传统粒子群优化算法的定值惯性权重设置方法,防止算法的寻优过程陷入局部最优。基于现场数据的仿真结果表明,所提算法在存在多约束条件的非线性函数寻优过程中具有明显优势,能够实现不同评价指标的均衡优化。

基于热分析动力学的烧结用焦炭颗粒燃烧数值模拟

基于烟气循环烧结中氧体积分数降低抑制了燃料燃烧,焦炭细化可显著改善整体燃烧效率,是烧结工艺极具潜力的节能增产措施,采用缩核模型,模拟贫氧率和粒度对焦炭颗粒燃烧特性的影响。焦炭的着火温度ti、不完全燃烧系数κ、燃烧反应焓ΔH等燃烧特性参数采用热重实验确定,焦炭燃烧的本征活化能E和指前因子A通过Flynn-Wall-Ozawa（FWO）法计算。研究结果表明：空气气氛中,焦炭颗粒的ti约为550℃,κ为1.128～1.333,对应的ΔH则为28.810～31.640 MJ/kg,E约为137.156 k J/mol;ti基本上不随实验条件变化,κ随着氧体积分数的降低显著增大,E则略减小;焦炭颗粒的最高燃烧温度约为1 560 K,燃烧速率随着灰层厚度的增加逐渐降低;当颗粒粒度增大或氧体积分数降低时,燃烧效率显著下降,且前者影响更大;考虑采用烟气循环,当焦炭细化效率达到1.33时,可保证整体燃烧效率不比传统烧结的低。

考虑热解产物组分的煤粉着火燃烧数学模型

建立了球坐标系下考虑煤粉挥发分释放、传热、传质和化学反应全耦合的单颗粒热解、燃烧瞬态数值模型,并对陕西神木烟煤的着火、燃烧特性进行分析.结果表明,单颗粒煤粉的着火始于挥发分,且受氧气扩散速率的控制,挥发分火焰能够到达距颗粒中心约29倍颗粒半径的地方.当煤粉热解完成时,炭粒表面生成的CO被引燃,火焰退回炭粒表面附近而使炭粒快速升温,燃烧进入表面氧化反应控制状态.随着燃烧速率进一步提高,炭粒燃烧又开始受到表面还原反应的控制,火焰再次离开炭粒表面.

CFB锅炉煤成灰特性的6参数模型研究

应用静态燃烧冷态振筛实验方法研究了几种国内煤种的成灰特性并给出了相应煤种的成灰数据库。通过对不同煤种成灰数据库的分析发现 ,对于任意窄筛分煤 ,其成灰分布具有双峰分布 ,即由较细较软的灰成分和较粗较硬的灰成分构成 ,两种灰成分同时满足Rosin -Rammler分布。提出了 6参数模型 ,该模型可以描述每种灰成分质量份额和相应的粒径分布。通过加权可以得到宽筛分煤的成灰分布。

循环流化床多组分颗粒气固两相流动模型和数值模拟

基于稠密气体分子运动论和颗粒动力学 ,考虑多组分颗粒中颗粒组分与颗粒组分、颗粒组分内颗粒之间的相互作用以及气体与颗粒之间的相互作用 ,提出多组分颗粒非等温颗粒气固两相流动模型 .以颗粒压力、径向分布函数、黏度、颗粒碰撞耗散等耦合各颗粒组分间和颗粒间的相间作用 .采用大涡模拟方法模拟气相湍流流动 .提出了多组分颗粒的径向分布函数计算方法 .对循环流化床上升管中双组分颗粒气固两相流动特性进行了数值模拟 ,模拟结果揭示了上升管中双组分颗粒气固两相流动的环 核流动结构 ,得到了平均颗粒粒径的轴向和径向分布规律 ,计算结果与文献中实验结果相吻合 .

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.

碳粒燃烧能量分配系数的数值计算

应用改进的移动火焰锋面(MFF)模型对碳粒燃烧的能量分配系数进行了研究,得到了考虑CO在颗粒边界层内燃烧及CO2发生表面还原反应的能量分配系数表达式．在一实际煤粉火焰条件下,计算了可在单膜(SF)模型中直接应用的可比能量分配系数,并与传统SF模型的取用值进行了比较．计算结果表明,碳粒直径越小,平均能量分配系数越大;随着碳粒温度的升高,能量分配系数下降．在本文的计算条件下,平均能量分配系数约为0．7,平均可比能量分配系数值高于0．5,远大于传统单膜模型(SF-CO)计算的可比能量分配系数0．3．

强旋湍流气-固两相流动和煤粉燃烧数学模型及其在涡旋燃烧炉的应用(Ⅱ)——应用

应用本文(Ⅰ)报建立和发展的二维强旋湍流气-固两相流动和煤粉燃烧的数学模型、对新型燃煤涡旋燃烧炉内的冷态流动、气体燃烧和煤粉燃烧进行了系统的数值模拟,得到了与冷、热态实验数据基本相符合的结果,揭示了炉内流动、传热和燃烧的基本性质和特点。

具有空间反应的多孔单炭粒燃烧数学模型

本文提出了具有空间反应的多孔单炭粒燃烧的数学模型，该模型的计算的结果与实验值基本相符。研究结果表明，在炭粒烯烧过程中，由于ＣＯ的产生和燃烧，在其外围形成一个氧气扩散的附加阻力。

飞灰循环流化床悬浮段颗粒的燃烧模型

在流化床锅炉中,悬浮段不仅可以作为传热区段,而且也有燃烧作用。以往的资料中,对于其燃烧的计算比较粗糙,本文考虑到悬浮段具体情况建立了数学模型,进行了数值计算。实验证明,理论计算与实验结果吻合较好。

煤焦燃烧过程中细模态颗粒物的生成机理及研究进展

实现燃煤颗粒物(PM)污染排放控制必须深入了解颗粒物排放规律及生成机理。煤粉燃烧过程中产生飞灰颗粒粒径分布为粗模态,细模态和超细模态3种。与粗模态PM相比,细模态PM占比较大,其小粒径与富集性特点影响人体健康及大气环境。同时,相对于形成过程与机理相对成熟的超细模态PM,细模态PM形成机理及研究进展尚缺乏系统总结,抑制细模态PM排放存在困难。笔者分析了细模态PM的形成机理(焦炭颗粒的破碎、矿物质熔融聚合、外在矿物质破碎、表面灰粒的脱落)及主要影响因素,探讨了模拟研究进展并指出未来研究重点。煤灰PM粒径分布主要是焦炭颗粒破碎与矿物质聚合行为这2个因素相互竞争的结果。破碎行为使得细模态PM数量增多粒径减小,而矿物质聚合使得PM数量减小,有利于粗模态PM形成。影响PM形成的主要因素有孔隙结构、燃烧模式与焦炭粒径。孔隙率较高的煤胞型焦炭相较于其他结构焦炭更易发生破碎,产生更多细模态PM。增加温度与氧含量,降低粒径均有助于PM生成,但较高温度下灰粒的聚合可能导致粒径分布倾向于粗模态PM。破碎行为对焦炭燃烧特性模拟大致分为群体平衡模型和逾渗模型2类。基于细模态PM形成机理与影响因素,认为逾渗模型考虑了焦炭本身孔隙结构,更适于模拟焦炭破碎行为。本征动力学燃烧模型与逾渗模型的结合是准确预测灰颗粒粒径分布的关键,是下一步的研究重点。

O_2/CO_2气氛下多种碳基随机孔模型的建立

传统随机孔模型基于简单一步反应建立,不适用于处理O_2/CO_2气氛下焦炭颗粒复杂气固反应。针对此问题,基于焦炭本身具有多种碳基的特点,以及焦炭颗粒在O_2/CO_2气氛下燃烧的特性,建立复杂气固反应下的多种碳基随机孔模型和孔隙结构模型。模拟直径为100μm的焦炭颗粒在O_2/CO_2气氛下燃烧的过程,使用FORTRAN语言自主编程计算并分析结果。研究表明,燃烧初期颗粒呈现竞争效应,孔隙内部气体浓度产生剧烈波动。波动的生成原因是化学反应与物理扩散之间的竞争,可以通过增加环境氧浓度和减小焦炭颗粒粒径来改善。所提出的多种碳基随机孔模型对于表征O_2/CO_2气氛下焦炭颗粒的燃烧特性有着良好的适应性。

粉煤旋风燃烧器颗粒运动轨迹数学模拟实验研究

在粉煤燃烧规律研究中,有些物性及工况参数的影响,目前还很难完全利用物理模型进行直接准确的测定。本文是在对四种不同结构的粉煤旋风燃烧器模型的多温三维流场测试的基础上,对流场测试结果进行优化处理,得出四种情况下的流场速度分布规律的拟合函数式;而后分析了颗粒在气相场内的受力情况,建立了粉煤颗粒在三维流场内运动轨迹的数学模型;把测试结果与数学模拟结合起来,籍助计算机,计算并考察了不同粒度和密度的粉煤颗粒在某些初始条件下的运动轨迹;研究了四种结构燃烧器在不同物理条件和初始条件下的粒子运动变化规律及其着壁条件。

火电机组混煤掺烧与优化系统研究与应用

针对火电厂混煤掺烧的实际特点,建立火电机组混煤掺烧与优化系统。系统包括智能储煤模块、制粉优化模块和经济效益模块3个功能模块。系统采用K均值聚类算法和专家规则对进厂煤种进行智能储煤;采用多目标优化方法——粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法对制粉系统进行优化管理得到合理配煤比例,使混煤掺烧达到安全、经济和环保的作用;并设计掺烧收益模块,进行经济性分析。针对内蒙某电厂实际情况,开发火电机组混煤掺烧与优化系统。通过实际应用证明,该系统可对各个煤种进行分类储煤,并得到最佳掺配方案。

煤颗粒燃烧过程中的热解及焦燃烧行为模拟研究

为研究煤颗粒在燃烧过程中的热解与焦燃烧行为,给解耦燃烧装置的设计和优化提供参考,基于煤燃烧过程的不同阶段(干燥阶段、热解阶段、焦燃烧阶段),结合传热传质过程和反应动力学机理,建立了单颗粒煤燃烧模型。利用该模型,分析了煤在燃烧过程中颗粒内部温度、气体组分的演化过程,以及热解阶段和焦燃烧阶段的耦合关系。结果表明,在煤燃烧过程中,靠近颗粒表面处焦的燃烧提高了颗粒内部焦燃烧的初始反应温度,导致颗粒可达到的最高温度出现在颗粒中心处;随着颗粒尺寸的增加,热解时间和总燃烧时间的差值增加,该趋势对于粒径大于4 mm的煤颗粒更加明显,意味着在解耦燃烧实际应用中应选用粒径大于4 mm的煤颗粒。

焦炭颗粒在不同控制区域中的燃烧特性

针对焦炭颗粒在煤粉炉内的复杂燃烧过程,建立相互耦合的导热、气相传质模型及改进的随机孔模型.通过FORTRAN编程,研究了焦炭颗粒在不同控制区域中的燃烧特性,应用改进的随机孔模型,研究了焦炭颗粒在扩散-化学反应动力学控制区中的燃烧特性.结果表明,在扩散-化学反应动力学控制区,碳基上的小孔内部存在O2浓度梯度,焦炭颗粒的转化速率在转化率约为0.39时出现最大值,随燃烧过程进行先增大后减小.