O2/CO2气氛下强斯蒂芬流对炭粒燃烧影响的实验研究及其模化

作为最具吸引力的一种碳捕集技术，煤粉的Oxy-fuel燃烧已引起人们的普遍关注。区别于传统的煤粉燃烧，Oxy-fuel燃烧中煤粉的燃烧气氛是高浓度的O2/CO2混合气，在实际煤粉火焰温度下，炭表面将产生强烈的斯蒂芬流，从而对炭粒燃烧、传热传质规律产生重大影响。然而，在强斯蒂芬流条件下，炭粒边界层CO火焰位置如何变化？CO火焰对炭粒热平衡及表面反应的影响如何正确预报？等极基础而重要的煤粉燃烧理论问题，目前尚不清楚。本项目将在研究'有边界层CO气相反应时描述斯蒂芬流影响的近似解析方法'的基础上，开发适用于Oxy-fuel燃烧的炭粒燃烧实用模型，并在详细、严格的连续膜模型计算和精密设计的FTIR测温实验的配合下，深入研究O2/CO2气氛中强斯蒂芬流对CO火焰位置及炭粒表面温度和燃烧速率的影响，揭示O2/CO2气氛中炭粒的燃烧机理，为Oxy-fuel燃煤技术的工业应用奠定坚实基础。

本项目通过模拟计算和实验测量，系统、深入地研究了斯蒂芬流对炭粒燃烧、传热传质规律的影响，开发出适用于富氧燃烧的炭粒燃烧实用模型，为煤粉富氧燃烧的工业应用奠定坚实的基础。. 研究表明，考虑斯蒂芬流后，炭粒着火延迟，着火后的燃烧速率和表面温度降低；炭表面还原反应对总热流的贡献变小，表面热损失会增大，导热热流减小；在某些工况下，边界层CO气相反应将远离炭粒表面，甚至在边界层中难以驻留；斯蒂芬流的存在增加了炭粒的燃尽难度，在某些工况下，忽略斯蒂芬流不能正确预报颗粒熄火和燃尽率。斯蒂芬流对燃尽时间的显著作用通常发生在炭粒的动力-扩散燃烧模式下。较低的氧气浓度、较差的炭粒反应性和较低的环境温度等燃烧条件都易造成动力-扩散控制燃烧。而在扩散控制燃烧区域，斯蒂芬流对燃尽时间的影响相对不大。. 斯蒂芬流对传质过程的影响为，当炭粒表面仅有氧化反应时，考虑边界层CO气相反应后，O2传质系数的最大修正幅度为50%。火焰锋面离炭粒表面越远，修正系数越大。炭粒表面仅有还原反应时，CO火焰锋面离颗粒表面越近，CO2传质的修正系数越大，修正幅度越小；在约十倍颗粒半径的位置，修正系数开始急剧上升；在约3倍颗粒半径的地方，修正系数达到1.0。此刻，无需对扩散系数修正。火焰锋面位置有最小值，不可能极接近或落在颗粒表面上。同时考虑表面氧化和表面还原，O2和CO2的传质系数都会降低。反应数量的增多对CO2扩散的影响比对O2的影响大。水蒸气对O2传递速率和CO2传递速率几乎没有影响；相反，O2和CO2与炭的反应对水蒸气的传质影响很大。当仅有O2氧化反应时，对H2O传质的修正将高达24%；如果再增加CO2气化反应，修正将达到30%。因此，在炭的富氧燃烧中，如果表面氧化反应占主导地位，则各组分的传质系数将大大改变，斯蒂芬流修正将不能忽略。. 本项目首次提出考虑CO气相反应和斯蒂芬流的传质系数解析式，发展了考虑斯蒂芬流的、但仍以代数形式出现的移动火焰模型，同时开发了新的直接考虑斯蒂芬流的实用炭粒燃烧理论模型，建立了富氧燃烧中传质系数的分析测试方法，进一步阐明了“O2/CO2气氛下炭粒燃烧受到不可忽略的斯蒂芬流作用”的学术观点。研究结果对煤粉Oxy-fuel燃烧技术的开发具有重要的实际指导意义。