煤粉/生物质颗粒混合燃料气力输送特性的基础研究

It is an envoriment friendly way to prompt the existing pluverized coal generations to reduce CO2 by usig cofiring technique. How to pneumatically convey the pulverized coal blended with biomass particles is one of fundamental tasks, which should be solved to prompt cofiring technique widely. In this proposal, a three high-speed video camera system will be developed by using fibre imaging and video processing techniques. This system will used to study collision bettween biomass particles and pulverized coal as wellas the interaction between biomass particle between gas flow. Based on the experimental and numerical results in advance, both scientific questions of the interaction between biomass particle and flow, the modulation mechaninse of pluverized coal flow by biomas particle will be intensively studies by usig kinds of fluid instruments and CFD-DEM simulations. The theory for pneumatic conveying the mixed fuel will be developed according to the experimental data and numerical results. The research will benefit the pneumatic conveying system design for the blended fuels.

本项目以煤粉/生物质共燃技术实现煤粉电站CO2减排和绿色电力能源结构调整的国家重大需求为背景，针对共燃技术中存在煤粉/生物质颗粒混合燃料气力输送的难题，拟从发展测量方法、试验表征和数值模拟等方面进行基础研究，属于生物质能利用中的工程热物理问题。提出构建一种光纤式差频高速三摄像机视频处理系统，基于图像分析与重构的方法，研究颗粒与气流场间的相互作用、以及颗粒间的相互碰撞特性，从颗粒尺度上研究混合燃料管道内多流场间相互作用以及耦合机制。结合CFD-DEM数值模拟方法，重点解决"生物质颗粒与气流场相互作用的表征"和"生物质大颗粒对煤粉细微颗粒流场的调制"两个关键科学问题，解析混合燃料气力输送过程的特性，为混合燃料气力输送的大规模工程应用提供理论和技术基础。

将生物质秸杆颗粒替代部分煤粉，从而实现CO2减排的目标，用这种共燃技术改造现存煤粉电站具有明显的经济和环保效益，也是当前能源领域热点的研究方向之一。在共燃技术推广过程中，其中煤粉/生物质颗粒混合燃料气力输送机理是应用瓶颈的核心问题，本项目从测试方法、试验表征和数值模拟等三个层面展开了研究工作，共发表SCI收录论文2篇、获国家发明专利受权4件、发表EI收录论文3篇，培养硕士毕业生4人。项目研究期间的重要成果如下：成功的开发了一套适用于气力输送表征颗粒速度、浓度空间分布特性参数的光纤内窥显微成像测量装置和发展一种异形颗粒曳力系数的测量方法，这2项独有技术已经获得了国家发明专利授权（分别是ZL201110443119.2 和 ZL201210429189.7），并用于表征流化床内测量区域颗粒群流动的快慢和脉动的强弱，相关结果已发表EI收录论文3篇；对于气力输送过程中的Roping现象，本项目基于相似性原理，采用三种不同尺寸分布的玻璃珠模拟气流、煤粉与生物质颗粒通过弯管后的流动，在弯管后的竖直管道内，试验测得不同沿程截面的颗粒径向速度分布。试验结果表明三种类型颗粒所形成的Roping现象都在离弯管出口15mm的横截面上都呈出一种马掌形状的几何结构，该形状沿流速方向在下游的横截面上逐渐扭曲、直到完全消失。相关结果发表在国际刊powder Technology (2017, 314(6):500-509，获得SCI/EI收录)；同时，还从理论上分析了生物质颗粒与煤粉混合后颗粒的起动的受力模型，得到关于混合颗粒起动速度的理论模型，并且引入相对暴露度的概念，修正和完善了混合颗粒的临界起动速度模型，并结合本文相关典型工况的实验进行验证，发现临界起动速度模型计算值和实测值吻合的较好，两者误差均在±13%以内，表明临界起动速度模型能够对本实验范围内混合颗粒的起动速度进行很好的预测，相关结果已在2017年第六届中英国际颗粒论坛上进行了宣讲，发表国际会议论文1篇。