富氧燃烧气粒两相介质谱带关联辐射特性及耦合辐射传递规律

Oxy-fuel combustion is one of the most promising technologies for large-scale carbon capture and storage. The high concentrations of CO2 and H2O and increased particle concentration result in a great change in radiative property of participating media in the furnace under oxy-fuel combustion. Developing high-precision radiative property models are the key to the design and optimization of combustion equipment for oxy-fuel combustion. Based on the non-gray radiative property of the participating media, combined with the fundamental model development, numerical simulation, and experimental verification, this project investigates the radiative heat transfer in oxy-fuel combustion with pulverized coal. Firstly, the quantitative correlation between the size and composition of pulverized coal particles and its radiative property is established, then the non-gray radiative property model of the dispersed media is developed for pulverized coal combustion. Secondly, the interaction mechanism between gas and particle is analyzed, in terms of the spectral radiation. Then the radiative property model system is developed for "gas-soot-char/fly-ash" mixture. Finally, the combustion and heat transfer characteristics of oxy-fuel combustion in 300 kW coal-fired furnace are studied by using experimental and numerical methods. The radiation intensity of gas and particle are independently measured to reveal the individual contributions of gas and particle in different combustion zones. The research results will provide the necessary theoretical support for clean low-carbon combustion technologies, such as oxy-fuel combustion.

富氧燃烧作为一种极具前景的大规模碳捕集技术，烟气中高浓度的CO2和H2O以及增加的颗粒浓度，使得炉内介质辐射特性较空气燃烧发生显著变化，发展高精度的介质辐射特性模型是富氧燃烧设备设计和优化的关键。本项目基于辐射参与性介质的非灰辐射特性，结合基础模型开发、数值模拟和试验验证，对煤粉富氧燃烧的辐射传热规律开展研究。首先，明确煤粉颗粒尺寸和成分与其辐射特性的定量关联，建立煤粉富氧燃烧中弥散介质的非灰辐射特性模型；其次，分析气体与颗粒介质的谱带关联特性及耦合特征，建立适用于“气体-烟黑-焦炭/飞灰”混合物的非灰辐射特性模型体系；最后，对300kW煤粉富氧燃烧的燃烧和传热特性进行试验和数值模拟，对气体和颗粒的辐射强度进行独立测量，揭示不同燃烧区域内气体、烟黑和焦炭/飞灰颗粒对辐射传递的贡献比例。研究成果将为富氧燃烧等清洁低碳燃烧技术提供必要的理论基础。

富氧燃烧是一种极具前景的大规模碳捕集技术，烟气中高浓度的CO2和H2O以及增加的颗粒浓度，使得炉内介质辐射特性较空气燃烧发生显著变化，发展高精度的介质辐射特性模型是富氧燃烧设备设计和优化的关键。通过2020年至2022年的三年研究，完成了如下三方面的既定研究内容：(1)与化学成分关联的弥散介质非灰辐射特性模型；(2)气体和颗粒混合介质的谱带辐射耦合机制与复合辐射特性模型；(3) 煤粉富氧燃烧传热特性的小试试验与模型验证。针对研究内容(1)，基于全谱带k分布模型，开发了一种与氧化铁含量关联的颗粒非灰辐射特性模型(WSGP_SK_Fe)，模型的温度适用范围为500-2500K，粒径为1-250μm，氧化铁含量为5%-30%；与LBL相比，颗粒发射率的最大误差小于8%，辐射热流和辐射源项的平均相对误差分别小于5%和13%。针对研究内容(2)，采用混合建模法(MM)和叠加法(SM)分别开发了适用于富氧燃烧的灰气体加权和 (WSGG) 模型，然后比较了两者的精度以及它们分别与灰和非灰烟黑辐射特性模型的组合。MM与非灰烟黑辐射特性模型相结合(MMNS)为气体-烟黑混合物提供了最佳精度。将最优的气体-烟黑混合物WSGG模型与研究内容(1)开发的颗粒辐射特性模型耦合，获得了“气体-烟黑-焦炭/飞灰”辐射特性模型体系。针对研究内容(3)，在300kW垂直燃烧炉上进行了煤粉旋流和无焰燃烧实验，对炉内的温度、组分浓度以及壁面热流进行了详细测量。随后对煤粉火焰进行了大涡模拟，模拟结果表明，在研究的煤粉火焰中气体、烟黑和焦炭/飞灰的单独辐射贡献分别为35%、40%和25%。最后采用数值模拟方法研究了煤粉旋流燃烧和无焰燃烧的辐射特性，结果表明无焰燃烧的传热特性略优于旋流燃烧，且随着光学厚度的增加，优势更明显。本项目的研究成果可为富氧燃烧器和富氧燃烧锅炉的设计与运行提供必要的理论基础。