固体燃料化学链燃烧中气体-多组分颗粒相间作用机理研究

Chemical-looping combustion is a novel combustion technology with inherent carbon dioxide separation，which can reduce environmental pollution. Most of recent studies have focused on the chemical-looping combustion with gaseous fuel. Owing to the low cost and abundance of coal in our country, it is advantageous for industrial application to realize highly efficient utilization of solid fuels with economical feature and low pollution. . This project aims to study the interaction mechanics in gas and multi-component particles flow of chemical looping combustion with solid fuels.On the basis of the kinetic theory of granular flow, the gas- multi-component particles flow-chemical reaction coupling model is developed.The interaction between gas and reactive multi-component particles is considered. Additionally, the fluctuating energy transfer and dissipation by collisions of multi-component particles are studied. The performance of chemical looping combustion of coal under different operating conditions is investigated by means of experiments and numerical simulation.The distributions of velocity, gas concentration and temperature are obtained.The interaction mechanics between coal particles and oxygen carriers are analyzed. The mixing characteristic of multi-component particles and the influence on the performance of combustion process is evaluated. This provides a theory foundation for the prediction and optimization of gas-solid flow and reaction in the chemical looping combustion with solid fuels.

化学链燃烧技术是一种具有二氧化碳内分离特性，减少环境污染的新型无火焰燃烧方式，目前对化学链燃烧技术的研究多采用的是气体燃料，而我国由于煤资源更为丰富，价格更加低廉，将化学链燃烧技术应用于固体燃料有着更为广泛的工业应用前景。.本项目以固体燃料（煤）化学链燃烧过程为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法对反应过程中气体-多组分颗粒相间作用机理进行研究。基于颗粒动理学理论，考虑反应过程中气体与多组分颗粒之间的相互作用，同时考虑不同组分反应性颗粒之间碰撞所产生的动量和脉动能量传递和耗散的变化，构建气体-多组分反应性颗粒多流体模型。通过对不同操作条件下煤基化学链燃烧过程的模拟和实验研究，分析系统内速度、温度和浓度场的分布特点，揭示床内煤颗粒与载氧体颗粒之间的相互作用规律，评估多组分颗粒的混合特性及对化学链燃烧过程的影响，为正确的预测与优化固体燃料在化学链燃烧系统中流动和反应奠定理论基础。

化学链是将某一特定的化学反应通过化学介质的作用分多步反应完成的过程。化学链循环工艺可以有效地降低二氧化碳分离能耗，并能提高化石燃料的转化效率。流化床反应器可以实现气固充分混合，同时能实现高效工业分离，在化学链系统中得到了广泛应用。本项目基于固体燃料化学链燃烧流化床系统，发展了基于气泡介尺度的多组分颗粒多尺度曳力模型，引入非均质系数表征气泡对曳力介尺度的影响，分析了多组分非均质系数与操作条件、物性参数的依赖关系； 结合多流体模型和化学反应动力学模型，构建了流动-反应耦合的多尺度计算模型。 .首先，对多组分颗粒流化床系统中颗粒混合与分离以及细颗粒扬析过程展开数值模拟，分析了床层压降、浓度分布等变化情况，分析了颗粒粒径、床层温度等参数对颗粒扬析的影响。其次，考虑多组分颗粒存在对相间传质的影响，对流化床系统中多组分颗粒相间传质过程开展了模拟研究，探究了相间传质对颗粒混合及操作参数的影响。再次，对化学链系统煤气化和生物质原位气化化学链燃烧过程进行了数值模拟，获得了气相组分与温度场分布，探究了氧载体和固体燃料的相互作用机理，讨论了操作参数对颗粒混合行为及气体产物分布的影响。