燃烧学8 第八章 燃烧科学技术发展中的几个科学问课件.ppt

西安交通大学能源与动力工程学院,1,第八章 燃烧科学技术发展中的几个科学问题,燃烧科学与技术,燃烧学分支领域,燃烧污染物的生成与防治,新型燃烧方式,燃烧实验技术,燃烧过程数值模拟,西安交通大学能源与动力工程学院,2,8.1氮氧化物的生成机理及燃烧控治8.2催化燃烧8.3燃烧过程的相似与模化8.4燃烧过程数值模拟8.5富氧燃烧技术8.6化学链燃烧,一、Nox的危害NOx是N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5的总称，其中污染大气的主要是NO和NO2。NOx吸收并散射光线，在空气中形成光化学烟雾，降低能见度，并对眼睛和呼吸道有刺激作用。NOx使织物染料褪色，并损害合成纺织纤维，使儿童引起急性气管炎，增加呼吸道疾病发病率。NOx也是引起酸雨的主要物质之一。,西安交通大学能源与动力工程学院,3,8.1 NOx的生成机理及燃烧控治,西安交通大学能源与动力工程学院,4,火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度,单位：mgm-3,二、煤燃烧过程中NOx的生成机理,西安交通大学能源与动力工程学院,5,1、热力型NOx热力型NOx是由于燃烧空气中N2在高温下氧化而产生的。在燃料与空气的化学计量比小于1的火焰(燃料稀薄的火焰)中，NO的生成过程是在火焰带的后端进行的。,煤粉燃烧过程中所产生的NOx主要是NO和NO2，其中NO约占95%左右，而NO2只占5%左右，因而在研究燃煤锅炉的NOx生成时，一般主要讨论NO的生成机理。从NO的生成机理来看，主要有热力型、燃料型和快速型三部分。,生成NO的不分支链锁反应,西安交通大学能源与动力工程学院,6,氧气离解反应,控制步骤，T 有利于NO的转化,富燃料状态下有以下反应发生：,热力型NOx的生成速度和温度之间的关系,西安交通大学能源与动力工程学院,7,热力型NOx的生成速度和温度之间的关系按照阿累尼乌斯定律变化，即随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律迅速增加。当温度超过1500时，温度才对NOx生成量具有明显影响，而在温度低于1300时，几乎不计热力型NOx的生成量。温度在1500附近变化时，温度每增大100，反应速度将增大67倍。,NO生成速率,西安交通大学能源与动力工程学院,8,所表示的NO生成速度表达式中，N原子的浓度比NO的浓度低10-510-8倍，根据“准定常近似”原理，可以假定在短时间内，N原子的生成速度和消失速度达到平衡，即：,西安交通大学能源与动力工程学院,9,与NO相比，氧气的浓度O2很大，而且K2和K-1的大小基本上是同一数量级，所以可认为K-1NOK2O2，故有,如果认为O2的离解反应处于平衡状态,按捷里多维奇的试验结果,西安交通大学能源与动力工程学院,10,捷里多维奇机理的生成速度表达式,O2，N2，NOO2，N2，NO的浓度，（mol/cm3）；542000反应活化能，J/mol；T绝对温度，K；t时间，s；R通用气体常数，J/（molK）。,当燃料过浓时,还需要考虑下式反应的影响：,西安交通大学能源与动力工程学院,11,扩大的捷里多维奇机理,反应活化能最高，其反应速率决定了整个热力型NOx的生成速率。,捷里多维奇NOx的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，主要在火焰带下游的高温区生成NOx。,影响NOx生成量的影响因素,西安交通大学能源与动力工程学院,12,NOx生成量与温度的关系,NO的浓度和、停留时间的关系,NO的生成量在1时，生成量随氧气浓度增大而下降。,温度、氧气浓度对NO的生成速度和生成量的这种影响是非常重要的。,西安交通大学能源与动力工程学院,13,停留时间和温度对NOx生成的影响,扩散燃烧时热力型NOx与的关系,推迟混合(即混合变差)，火焰温度水平下降，最高温度移向较大的方向。因此，NOx生成量随之降低，最大浓度也移向大的方向。,控制热力型NOx生成量的方法:,降低燃烧温度水平，并防止产生局部高温区。降低氧浓度，在低过量空气条件下燃烧。使燃烧在远离=1的条件下进行。缩短烟气在高温区的停留时间。降低氮浓度。,西安交通大学能源与动力工程学院,14,2、燃料型NOx,燃烧型NOx是燃料中含有的氮化物在燃烧过程中氧化而生成的，主要是在燃料燃烧的初始阶段生成。煤中氮有机化合物的CN结合键能比空气中氮分子NN链能小很多，氧容易首先破坏CN链并与其中的氮原子生成NO，这种从燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应而生成的NOx，称为燃料型NOx。对于大型煤粉锅炉，NOx主要包括热力型NOx和燃料型NOx，燃料型NOx大约占全部NOx生成量的75%95%。,西安交通大学能源与动力工程学院,15,（1）挥发分型NOx,燃烧时，燃料中的氮首先分解成氰（HCN）、氨(NH3)和CN等中间产物，随挥发分氮释放出来，最终被氧化成NO，残留在半焦中的氮化合物则是焦炭氮。在一般燃烧条件下，燃料型NOx主要来自挥发分氮。这是因为焦炭氮生成NO反应的活化能较大，并且焦炭的还原作用以及催化作用促使NO还原。挥发分氮中最主要的氮化合物是HCN和NH3。当燃料氮与芳香环结合时，HCN是主要的热分解初始产物；当燃料氮以胺的形式存在时，则NH3是主要的热分解初始产物。,西安交通大学能源与动力工程学院,16,西安交通大学能源与动力工程学院,17,HCN氧化的主要反应途径,NH3氧化的主要反应途径,燃料氮与芳香环结合,燃料氮以胺的形式存在,影响氮在HCN和NH3中分配的主要因素：,煤的挥发份对HCN和NH3的影响。高挥发份煤释放的NH3高于或等于低挥发份煤释放的NH3；高挥发份煤比低挥发份煤有高的或相等的NH3/HCN比；低挥发份煤比高挥发份煤的HCN的排放量高。温度的影响。一般高温下，HCN是主要的含氮气体。加热速率对HCN和NH3的影响。通常认为NH3是慢速加热的产品，HCN是快速加热的产品。压力对HCN和NH3形成的影响。T873K时，提高压力会促进NH3的形成。,西安交通大学能源与动力工程学院,18,（2）焦炭型NOx,西安交通大学能源与动力工程学院,19,焦炭中氮的释放比挥发分氮的析出复杂一些，这与NC、NH之间的结合状态有关，也就是说与煤的组织结构有关。如果煤的温度不超过热解的峰值温度，则焦炭氮就不再进一步挥发，此时焦炭氮发生非均相反应。,3、快速型NOx,当碳氢化合物燃料过浓燃烧时，在反应区附近会快速生成NOx。,西安交通大学能源与动力工程学院,20,进一步被氧化生成NOx,快速型NOx有以下主要特点：,从NOx的氮来源看，它类似热力型NOx，但其反应机理和热力型NOx不同，和燃料型NOx生成的机理非常相似。快速型NOx产生于燃烧时CH类原子团较多，N2分子反应生成氮化物的速率高的情况。对于油气燃烧情况，生成量较多；对于煤粉燃烧，生成量远小于热力型和燃料型NOx。,西安交通大学能源与动力工程学院,21,三、煤燃烧过程中NOx的破坏机理,燃煤过程中实际排放出的NO量远小于根据煤中氮含量计算出的NO理论排放量。这是因为部分NO在煤的燃烧过程中还原生成了N2。,西安交通大学能源与动力工程学院,22,1、挥发分燃烧阶段NOx的破坏,（1）NO与氨类（NHi，N）生成N2,（2）NO与烃根（CHi）结合生成氰（HCN）,西安交通大学能源与动力工程学院,23,NHi又由第1条途径把NO还原成N2,（3）NO生成N2O,西安交通大学能源与动力工程学院,24,N2O继而被还原成N2,2、焦炭燃烧阶段NOx的破坏,焦炭不仅直接可以作为还原剂，而且还可以作为催化剂，对NO与CO等反应有良好的催化作用。,西安交通大学能源与动力工程学院,25,其反应机理：,化学吸附能力较弱,与温度和碳粒种类有关,3、NO与CO的反应,西安交通大学能源与动力工程学院,26,CO既是焦炭和NO的还原产物又是反应物。试验发现焦炭、氧化铁和过渡金属氧化物、碳负载的碱金属、石灰石、氧化铝及石英等都对此反应有催化作用。对于CO的存在能加快焦炭还原NO的另一种解释：CO可以帮助焦炭表面除去表面氧络合物从而形成活性自由点。,四、影响煤粉炉内NOx生成的因素,西安交通大学能源与动力工程学院,27,1、炉内NOx的生成快速型NOx：生成时间极短，生成量仅是NOx总量的5%（体积分数）以下，基本上可以忽略。热力型NOx：一般在煤粉火焰中，热力型NOx约占20%左右，温度等对其生成有较大的影响。燃料型NOx：约占NOx的75%80%左右，可分为挥发分型NOx和焦炭型NOx，对高挥发分性煤其挥发分NOx是主要部分，它在燃烧初始阶段形成，即在离燃烧器很近的地方生成，工况对其影响很大。,西安交通大学能源与动力工程学院,28,煤粉炉内NOx的生成过程,第一阶段：NOx的生成量很小，温度也很低；第二阶段：温度很高，氧含量很高，NOx（热力型和挥发分型NOx）的生成反应很快，NOx体积分数急剧增加。当炉温达到最高值附近时，NOx的体积分数也达到最大值；第三阶段：温度和氧含量均，NOx基本不变或略有下降。,2、炉温对NOx生成的影响,西安交通大学能源与动力工程学院,29,当Tmax（22002300）K时，燃料N对NOx已无影响。,以燃料型NOx为主,燃料型NOx的比例减小,3、煤的性质对NOx生成的影响,（1）煤中含氮量对NOx生成的影响含氮量，总的NOx含量大致线性。（2）煤中挥发分含量对NOx生成的影响对于挥发分高的煤种，煤中的氮更易析出，但最终生成的NOx浓度受以下三个种因素的影响：（a）着火区段挥发分的析出量（b）着火段中的氧含量（c）在着火段的停留时间,西安交通大学能源与动力工程学院,30,（3）煤化度对NOx生成的影响煤化度主要影响HCN、NH3等中间产物的生成。煤化度，热解过程中HCN的形成；煤化度对NH3的形成没有明显的影响。随着煤化度的加深，焦炭的还原反应成为NOx还原的主要因素。（4）煤中水分对NOx生成的影响水分，着火延迟。一方面着火处的氧浓度，且氮在着火段的停留时间，反应充分，故燃料型NOx增加。另一方面，水分，煤的发热量，炉内的温度水平与温度峰值，故热力型NOx减少。通常，前者的影响较后者大，所以总的NOx是随煤中水分的增加而增加的。,西安交通大学能源与动力工程学院,31,（5）燃烧工况对NOx生成的影响a）过量空气系数对NOx生成的影响,西安交通大学能源与动力工程学院,32,过量空气系数对NOx生成的影响,接近于1.0的条件下燃烧最佳,b）一、二次风比值对NOx生成的影响随着一、二次风比值的增加，煤粉从富燃料燃烧转为富氧燃烧，由于氧含量的逐渐增多，煤中的氮转变为NOx程度在逐渐增加。,西安交通大学能源与动力工程学院,33,4、煤粉细度对NOx生成的影响,在不考虑低NOx的情况下，煤粉越细NOx越高。部分研究结果却表明，随着粒径的减小，O2的消耗加速，生成了大量的还原性气体CO，从而使得部分燃料型NOx被还原成N2。同时细煤粉由于其反应表面积增大，焦炭对NOx的还原能力增强。NOx的排放浓度与煤粉粒度存在一个煤粉粒度临界值：当煤粉粒径临界值时，煤粉粒度，NOx排放浓度；当煤粉粒径临界值时，煤粉粒度，NOx排放浓度。,西安交通大学能源与动力工程学院,34,8.2 催化燃烧,催化燃烧是多相催化反应中的完全氧化反应，可燃气体借助催化剂的作用，能在低温下完全氧化。催化燃烧常常用于气体燃料的热值很低或者浓度很低的情况。,西安交通大学能源与动力工程学院,35,一、催化燃烧控制NOx和CO生成的原理,西安交通大学能源与动力工程学院,36,火焰燃烧与催化燃烧对比,西安交通大学能源与动力工程学院,37,催化燃烧中温度的可操纵性与高空燃比燃烧的稳定性使其具有节能和低CO、NOx排放的特点，并且催化燃烧缓和安全，是一种非常理想的燃烧方式。,燃烧室中温度分布与NOx排放情况,西安交通大学能源与动力工程学院,38,火焰燃烧,催化燃烧,高温下，空气中的N2和O2反应生成热力型NOx。,低于热力型NOx的生成温度，确保低NOx燃烧。,二、典型催化燃烧室,1、全催化燃烧室多催化剂联用的燃烧室，根据各种催化剂的工作温度特点，在燃烧室的不同温度区间布置不同种类的催化剂。,西安交通大学能源与动力工程学院,39,低温段采用活性高但高温易烧结的Pd催化剂,高温段使用活性较差但热稳定性高的六铝酸盐催化剂,2、燃料分级催化燃烧室,西安交通大学能源与动力工程学院,40,催化剂工作温度在1000以下。只有部分燃料和空气混合均匀后进入催化段发生催化燃烧，燃烧后生成的高温烟气进入均相燃烧段。剩余的燃料和空气加入高温均相燃烧段。燃料分级催化燃烧室中，催化剂对下游均相燃烧起预热作用。,3、空气分级催化燃烧室,西安交通大学能源与动力工程学院,41,在低温着火段采用富燃料燃烧，在催化段过量空气系数为0.2-0.5。烟气进入均相燃烧段后，加入剩余空气，确保燃尽并达到最终温度。,产生的烟气中含有CO2和H2O，部分不完全燃烧生成的CO、H2，以及剩余的CH4。,4、半催化燃烧室,西安交通大学能源与动力工程学院,42,低温段和全催化燃烧室类似，但半催化燃烧室中未使用高温催化剂，从低温段产生的高温烟气直接进入均相燃烧区燃烧。,三、催化燃烧催化剂的研究进展,催化燃烧催化剂的工作环境：高温、高水蒸气含量、热和机械冲击力强。燃烧催化剂应满足以下几个方面的要求：高活性，尽可能使CH4在较低的温度下起燃，并且在高空速工作条件下，也能保证完全燃烧；高热稳定性，可满足在燃烧温度1000时长期使用；有良好的耐压、耐磨损等机械性能。,西安交通大学能源与动力工程学院,43,1、贵金属催化剂,与其它几类催化剂相比，贵金属显示出更高的活性。贵金属的高活性来自于金属状态的原子对O-O、C-H键有较强的活化能力，使得原本很稳定的分子形成反应性能极强的自由基，从而触发链反应。对于负载型贵金属催化剂主要有Pd、Pt、Rh和Au等元素。贵金属的氧化活性顺序是：RuRhPdOsIrPt。实际应用中，通常把贵金属负载到大比表面积的载体上制备成负载型催化剂。,西安交通大学能源与动力工程学院,44,贵金属催化剂的影响因素,（1）载体的影响负载型催化剂的甲烷燃烧活性和稳定性与载体关系密切，目前，应用于催化燃烧的载体种类繁多，主要有Al2O3、SiO2、ZrO2、Si3N4、TiO2、LaMnO3、分子筛等。Al2O3具有良好的热稳定性、大的比表面积、抗热冲击、机械震动和经济可行性，在催化剂工业中被大量用作活性组分的载体。但Al2O3在1000以上时，通过表面阴、阳离子空位迁移和羟基间脱水发生转晶，使表面积大幅度下降。,西安交通大学能源与动力工程学院,45,Pd催化剂对CH4的催化活性,西安交通大学能源与动力工程学院,46,本表的反应条件为：CH4摩尔分数1.%；空气摩尔分数99%；空速13.333s-1,CH4转化率为10%时候的温度,分子筛是另一类研究人员较多使用的催化剂载体材料。现今用于负载Pd催化剂的分子筛载体主要有ZSM-5、Mordenite、Ferrierite和SAPO。这些Pd/分子筛催化剂主要是采用离子交换法制备，催化剂表现了高的甲烷低温燃烧活性。但分子筛催化剂的主要缺点是水热稳定性差。所以目前仅处于实验室阶段。近年来，部分研究人员使用钙钛矿类物质和六铝酸盐类物质作为贵金属催化剂的载体。,西安交通大学能源与动力工程学院,47,（2）掺杂元素的影响,在载体中掺入其它组分或助剂是另一种提高活性或稳定性的方法。掺杂不仅能改变催化剂的催化活性，有时掺杂本身也具有一定的氧化活性。Ahlstrom-Silversand用浸渍方法向Al2O3载体中添加Si、La、Ba等元素，以提高热稳定性。Persson研究了添加Pt、Co等元素对活性稳定性的影响。Fraga和Liotta采用浸渍法，向质量分数为1%Pd/Al2O3催化剂中添加La、Sn、Ba、Ce等改善催化剂的活性和稳定性。,西安交通大学能源与动力工程学院,48,Pd/Al2O3催化剂中添加其它元素对CH4催化活性的影响,西安交通大学能源与动力工程学院,49,注：表中Pd催化剂的Pd负载量为5%（质量分数），其余催化剂Pd负载量为2.5%（质量分数）,元素的加入没有提高活性。但Pt的加入能提高水热稳定性。,2、非贵金属简单氧化物催化剂,原料丰富、价格低廉，但比较容易烧结，不能在高温下使用。由于非贵金属氧化物催化剂具有多种价态，因而这类催化剂容易形成氧化还原循环，可以使晶格氧顺利释放和修复，形成活性。Co、Cr、Mn、Fe、Cu、Ni等氧化物活性较高，具有一定的应用前景。,西安交通大学能源与动力工程学院,50,3、钙钛矿催化剂,物理性质：具有缺电性、压电性、热电性、磁性及光电效应。化学性质：化学结构适用于相当多的阳离子、晶体结构中的阳离子可被其他阳离子部分取代、能稳定氧缺陷和过量氧等。钙钛矿催化剂的热稳定性较贵金属催化剂虽然有所提高，但仍存在高温烧结而引起的比表面积降低和甲烷燃烧活性下降问题。,西安交通大学能源与动力工程学院,51,钙钛矿结构,过渡金属离子,氧离子,稀土离子,4、六铝酸盐催化剂,超过900-1000时应该使用热稳定性更好的六铝酸盐催化剂。六铝酸盐通式：AAl12O19特点：过渡金属离子部分取代Al3+离子后，所得到的取代型六铝酸盐同时具有很高的热稳定性和催化燃烧活性。结构有两种：磁铅石型和-A12O3 型。,西安交通大学能源与动力工程学院,52,六铝酸盐结构,西安交通大学能源与动力工程学院,53,六铝酸盐催化剂制备方法,西安交通大学能源与动力工程学院,54,5、整体催化剂,与传统的颗粒填充床反应器相比：整体催化剂床层压降低，浓度梯度小，可以明显降低床层过热点产生。它具有良好的耐热性以及改善传质和传热等特性。它的几何表面积较大，扩散距离短，有利于反应物的快速进入和生成物的排出，适当应用还能强化化学过程，有助于形成低能耗、零排放的新催化工艺过程。常应用于汽车尾气处理、烟道气净化、高温催化燃烧等。,西安交通大学能源与动力工程学院,55,理想的整体催化剂反应模型,西安交通大学能源与动力工程学院,56,理想整体催化剂孔道中的反应,整体式催化剂中的载体,作用：承载涂层和活性组分，并为催化反应提供合适的流体通道。常用的载体具有均一的平行孔道，在它的直通道内存在有限的径向混合，而相邻通道之间几乎无任何传质作用。,西安交通大学能源与动力工程学院,57,常见的蜂窝载体的外形,孔隙率高，排气阻力小。,工业中常用的载体,西安交通大学能源与动力工程学院,58,涂覆于载体上的多孔氧化物,作用：用于增加载体的比表面积。好的涂层应满足以下要求：高的比表面积；高的热稳定性；厚度均匀；与载体结合牢固。常见的制备涂层的方法：胶体溶液法、溶胶一凝胶法、悬浮液法。,西安交通大学能源与动力工程学院,59,分散于氧化物表面上的活性组分,负载活性组分的方法：粉末涂覆法、浸渍法、离子交换法和沉积沉淀法。由于整体催化剂结构的特殊性常常会导致活性组分分布不均，所以对于整体催化剂，活性组分的负载方法和后处理过程是很重要的步骤。如果催化剂本身容易被加工成型，且具备足够的机械强度，就可以将催化剂与粘接材料均匀混合在一起，挤压成整体催化剂。采用六铝酸盐作燃烧催化剂时，可以直接把六铝酸盐加工成蜂窝状。,西安交通大学能源与动力工程学院,60,8.3 燃烧过程的相似与模化,一、相似理论在燃烧过程中的应用,西安交通大学能源与动力工程学院,61,对某一热工过程应用相似理论,1、积分类比法,在几何相似的两个系统中假设进行着流动，如果对应的速度场或其他各种有关物理量场符合在对应点上成比例的关系，那么就称为相似。对某一系统中的粘性不可压缩流体的定常等温流动：,西安交通大学能源与动力工程学院,62,连续方程式,西安交通大学能源与动力工程学院,63,对于x，y，z三轴可写出运动方程组：,惯性力,重力,压力,粘性力,单值条件,为了求得某一具体系统的特解，还必须给出附加条件单值条件：（1）物理条件流体物理性质的具体数值及其随状态的变化关系。（2）边界条件流动现象必然受到与其直接接触的周围情况的影响，因此在边界上的情况也是单值条件。在边界条件中，入口条件尤为重要。入口处的速度平均值及速度分布状况都对流动具有很大影响。,西安交通大学能源与动力工程学院,64,用积分类比法推导无量纲特征数,以x轴方向上运动方程为例：,西安交通大学能源与动力工程学院,65,对于两个系统,对于相似的这两个系统，在整个流场的每一个对应点上，式与式的各项都成比例。,（2）,（1）,西安交通大学能源与动力工程学院,66,对于式：,利用两个系统中的速度场等相似关系可以得到,w平均速度L定型尺寸,西安交通大学能源与动力工程学院,67,弗劳德数,欧拉数,是压差，不是压力P,雷诺数,运动粘度。,积分类比法的程序可归结如下：写出数学物理方程组和单值条件关系式。用方程式的任意一项除其他各项。所有导数用相应量的比值，即所谓积分类比来代替，换句话说，所有微分符号全部去掉，另外沿各轴向的分量用这个量的本身代替，坐标用定型尺寸代替，某一点的速度用平均速度代替，于是就得到无量纲特征数。,西安交通大学能源与动力工程学院,68,2、流动的相似,流动相似的条件,西安交通大学能源与动力工程学院,69,当Re与Fr数在两个系统中数值一样时，Eu也自然地数值一样,决定性特征数,Eu是由Re与Fr决定的函数，即：,3、对流传热的相似,（1）强制对流传热的相似,西安交通大学能源与动力工程学院,70,对流传热方程,边界条件,对流换热,导热,流动带来的热传递,导热引起的热传递,T温度；热导率；Cp定压比热容；传热系数；T壁面与流体平均温度之差。,其中：,根据积分类比法,西安交通大学能源与动力工程学院,71,热扩散率,贝克利数,努谢尔特数,普朗特数,强制对流传热的相似条件：,西安交通大学能源与动力工程学院,72,几何相似与单值条件相似（特别要指出边界与入口的温度分布相似）,（2）自然对流传热的相似,在无限空间内自然对流放热时，运动方程需加一项浮力项gT。,西安交通大学能源与动力工程学院,73,流体的体积膨胀系数,将浮力项去与粘性力项相除得到：,再乘上Re得：,格拉晓夫数,自然对流放热的条件,西安交通大学能源与动力工程学院,74,Nu与Re数这时都是非决定性特征数，因为这时的流速完全是由自然对流现象引起的。,4、气固两相流或载粉气流的相似,假定流动恒定（即定常）。在气体流场中，各个固体颗粒受到以下力的作用：,西安交通大学能源与动力工程学院,75,（1）惯性力或离心力,惯性力,向心加速度,r固体颗粒的密度；w某一点的切向速度；w系统中的平均速度(即反映速度水平的某一名义值)；r曲率半径。,向心加速度的变化关系与沿线加速度的变化是一致的，所以离心力的变化关系也和惯性力一致。,（2）重力,气体对固体的浮力可忽略不计，重力为：,西安交通大学能源与动力工程学院,76,颗粒在气体中相对运动时所受阻力：,颗粒与气体之间相对运动的雷诺数,u相对速度；和气体的密度和运动粘度；C常数。,相似系统中可认为相对速度uw,西安交通大学能源与动力工程学院,77,R的起因是粘性力引起的边界层发生脱体以及粘性力本身引起的阻力。,按照积分类比法，各力的比就是无量纲特征数：,弗劳德数,斯托克斯数,引起颗粒分离的力,阻止颗粒分离的力,Stk数表征颗粒在气流转弯时是否容易从气流中分离出来的指标，Stk数愈大，愈容易分离。,气固两相流的相似条件,西安交通大学能源与动力工程学院,78,5、燃烧过程的相似,燃烧过程总是在气体的流动中进行的。并伴有传热和传质。所以燃烧过程的相似，首先要求流动与传热传质的相似。然后再考虑同相燃烧反应本身所要求保持的无量纲特征数。,西安交通大学能源与动力工程学院,79,雷诺数,普朗特数,斯密特数,弗劳德数,对定常状态下某一组分的连续方程式,西安交通大学能源与动力工程学院,80,wx，wy，wz为流速；Ci该组分在某一点的物质的量的浓度(如1mol/m3)；wm燃烧速度(每秒每立方米烧掉的该组分的物质的量)。,应用积分类比法变换：,其中,表示汇(燃烧反应中该组分消耗掉),西安交通大学能源与动力工程学院,81,除以雷诺数得到施密特数,达姆克勒第一特征数。,燃料的浓度,定义燃尽时间：,西安交通大学能源与动力工程学院,82,能量方程,反应热,应用积分类比法,除以雷诺数就得到普朗德数,西安交通大学能源与动力工程学院,83,达姆克勒第三特征数,燃尽时间r也可定义为：,燃烧过程相似的条件：,达姆克勒第二与第四特征数D与D不是独立的无量纲特征数：,西安交通大学能源与动力工程学院,84,西安交通大学能源与动力工程学院,85,燃尽时间又可按质量作用定律与阿累尼乌斯定律写成：,阿累尼乌斯特征数,二、燃烧空气动力过程的物理模化,如果模型与原型几何相似，单值性条件（如进口截面上的速度、浓度和温度分布等）一样，各个无量纲特征数在模型与原型上一样，那么两者中的工作过程就相似。自模化现象：不管Re数值多少，只要ReRelj主流中的流动图谱和阻力系数就总是一定的，这个现象称为自模化（即自动模化）。ReRelj的区域称为自模化区，或湍流自摸化区或第二自模化区。Relj称为临界雷诺数。,西安交通大学能源与动力工程学院,86,8.4 燃烧过程数值模拟,一个完整的燃烧过程数值模拟的内容包括：开发适用于整个炉膛的流动与燃烧过程算法，并制作与调试计算程序；对程序进行优化和封装，便于开展全面的针对性数值分析；制作数据后处理体系，包括数据可视化处理、数据与商用软件的挂接等；对数值模拟的结果进行分析。,西安交通大学能源与动力工程学院,87,一、基本原理、算法与程序特点,1、控制方程,西安交通大学能源与动力工程学院,88,K-模型,通用变量；广义扩散系数；为源项。,采用SIMPLE算法求解。,三维直角坐标系下的控制方程,西安交通大学能源与动力工程学院,89,西安交通大学能源与动力工程学院,90,其中,K-模型中的系数,2、基本算法,燃烧过程的控制方程组通常用SIMPLE算法进行求解，对复杂形状的计算区域用“区域扩充法”进行处理，固体壁面上的边界条件用高Re数模型的“壁面函数法”。,西安交通大学能源与动力工程学院,91,3、网格剖分,对一个300MW煤粉锅炉的炉膛进行数值模拟，整个网格体系使用交错的非均分网格。,西安交通大学能源与动力工程学院,92,计算区域与网格剖分示意图,4、边界条件,（1）壁面条件用高Re数的壁面函数法，将第一个内节点布置到旺盛湍流区，假设其速度分布为对数分布，计算出当量壁面扩散系数t。（2）进口条件（3）出口条件为防止出口截面出现回流区引起发散，使用“出口流速提升法”来设定速度场的出口条件，而其它物理量如温度等使用“充分发展条件”。,西安交通大学能源与动力工程学院,93,5、燃烧过程的数学模型和控制方程,（1）气体组分的化学反应模型气体的组分可划分为：O2、N2、可燃物(FUEL)和CO2 4种成分。气体组分的化学反应的模型就是要确定K-方程中通用变量为组分f和温度T时的普通源项Sf和ST。,西安交通大学能源与动力工程学院,94,气体的燃烧模型,有限燃烧速率模型,极大燃烧速率模型,PDF,涡旋破碎模型(EBU),时均Arrhenius模型,西安交通大学能源与动力工程学院,95,EBU模型：本质是体现湍流混合的微观输运作用对湍流燃烧速率的影响，但与温度和化学反应动力学参数无关。时均Arrhenius模型：可以很好的考虑煤种和燃烧温度对燃烧速率的影响，却不能体现湍流混合的作用。,故采用EBU-Arrhenius混合模型,ST=wFUELQFUEL,，,wFUEL燃料的消耗速度。,反应指数，/为氧气与燃料的化学当量比fFUEL燃料的摩尔分数。fO2 氧气的摩尔分数。SFUEL燃料的普通源项。SO2 氧气的普通源项。ST 温度的普通源项。,（2）煤粉颗粒的运动和化学反应模型,半随机轨道模型：在进行两相流动模拟时选用加入湍流扩散修正的固定轨道模型。半随机轨道模型颗粒运动方程在拉格朗日坐标系下给出。,西安交通大学能源与动力工程学院,96,为正态分布的随机数，在涡旋生成期1内 值保持不变，当该涡消失后(或者颗粒穿越了该涡后)，变化为一新值。,脉动速度,假设湍流各向同性，则有：,西安交通大学能源与动力工程学院,97,运动方程用四级四阶的标准Runge-Kutta法求解,颗粒的运动速度,颗粒的运动轨迹,积分,挥发分析出速率和固定碳燃烧速率,可以得到连续方程的颗粒源项和温度方程的颗粒源项,西安交通大学能源与动力工程学院,98,V0颗粒中初始的挥发份含量。V颗粒中当前的挥发份含量。Kv,Ev颗粒中挥发份析出的频率因子和活化能。KC,EC颗粒中固定碳燃烧反应的频率因子和活化能。颗粒中固定碳燃烧反应的速度。氧气与固定碳的化学当量比。CC颗粒当前的固定碳含量。CO2 颗粒所处位置的氧气含量度。SFUEL,p燃料的颗粒源项。SO2,p 氧气的颗粒源项。SCO2,p CO2的颗粒源项。,式中：,（3）辐射传热的模型,辐射传热的模拟方法由热流法、区域法、Monte-Caelo法和离散传播法等。,西安交通大学能源与动力工程学院,99,（4）燃烧过程的求解流程,1）用SIMPLE算法求解K-方程和气相方程组，达到粗收敛；2）求解颗粒的运动轨迹、挥发分析出和固定碳燃烧，求出各颗粒源项；3）求解整个计算区域内辐射传热过程的温度源项；4）返回到1，反复进行气相场、颗粒相和辐射传热之间的耦合，直到收敛。,6、数值模拟工况安排,西安交通大学能源与动力工程学院,100,燃烧器喷口风速及风温为：一次风风温90，风速19.5m/s，二次风风温360，二次风风速29.8 m/s，二次风风速35.6 m/s。工况1和工况2的主要差异是各燃烧器出口气流的旋转方向不同。,工况1,工况2,二、数值模拟的结果,1、流场图谱,西安交通大学能源与动力工程学院,101,工况1,工况2,右图为第一列燃烧器平面x方向流场图谱。从图中可以看出，工况1和工况2第一列燃烧器平面x方向流场图谱存在差异，工况1在炉膛出口的速度分布大致是“两边低，中间高”的形状，而工况2则在两边和中间共出现3个速度的峰值，速度分布的均匀性稍好。,西安交通大学能源与动力工程学院,102,右图展现了工况2前墙y方向流场图谱的三维放大图样。图中清晰地显示了前墙燃烧器喷口的喷射状况。工况1的射流旋转方向驱动整个前墙的流体向上流动，而工况2的射流方向驱动流体先向下流动，然后扩散到炉膛两侧后向上流动。,二维,三维,2、炉内温度场分布,西安交通大学能源与动力工程学院,103,在炉膛的右半部分，在炉膛中央的温度水平相当的情况下，工况1的高温区域更接近于炉膛下方的第一排燃烧器，并且工况2的温度分布的均匀性更好。,第一列燃烧器平面x方向温度分布,第二列燃烧器平面x方向温度分布,西安交通大学能源与动力工程学院,104,在炉膛的左半部分，情况正好相反。以上现象出现的原因正是燃烧器喷口旋转方向的差异。但是，整体看来，工况1的火焰中心略高于工况2，而工况2的温度场均匀性略优于工况1，这与流场的分析结果是一致的。,第三列燃烧器平面x方向温度分布,第四列燃烧器平面x方向温度分布,3、壁面热负荷分布,西安交通大学能源与动力工程学院,105,左墙壁面热负荷分布（单位：W/m2）,右墙壁面热负荷分布（单位：W/m2）,西安交通大学能源与动力工程学院,106,后墙壁面热负荷分布（单位：W/m2）,前墙壁面热负荷分布（单位：W/m2）,数值模拟的结果可以定性并接近定量反映炉内热态流动和燃烧过程的状况，并在现代的燃烧科学研究中发挥着越来重要的作用。,西安交通大学能源与动力工程学院,107,8.5 富氧燃烧技术,富氧燃烧技术在现有电站锅炉系统基础上，用高纯度的氧气代替助燃空气，同时辅助以烟气循环的燃烧技术，获得高达富含80%体积浓度的CO2烟气，从而以较小的代价冷凝压缩后实现CO2的永久封存或资源化利用，具有相对成本低、易规模化、可改造存量机组等诸多优势，被认为是最可能大规模推广和商业化的CCUS技术之一。,西安交通大学能源与动力工程学院,108,8.5 富氧燃烧技术,其系统流程为：由空气分离装置制取的高纯度氧气(O2纯度95%以上)，按一定的比例与循环回来的部分锅炉尾部烟气混合，完成与常规空气燃烧方式类似的燃烧过程，锅炉尾部排出的具有高浓度CO2的烟气产物，经烟气净化系统(FGCD)净化处理后，再进入压缩纯化装置，最终得到高纯度的液态CO2，以备运输、利用和埋存。,西安交通大学能源与动力工程学院,109,烟煤颗粒燃烧光强分布曲线,西安交通大学能源与动力工程学院,110,各种因素对NO排放的贡献率(氧/燃料比=0.7),西安交通大学能源与动力工程学院,111,富氧燃烧方式下矿物质转化及灰熔融特征,西安交通大学能源与动力工程学院,112,富氧燃烧条件下高CO2浓度会加剧灰沉积的形成，各种矿物质的迁移转化也有较大差异。与常规空气燃烧相比，富氧燃烧气氛下黄铁矿的分解氧化过程失重稍增加，CO2浓度的增加会导致黄铁矿分解过程缩短，氧化过程延长。与空气燃烧相比，富氧燃烧气氛下含铁矿物更倾向转化为赤铁矿(Fe2O3)；随着O2浓度由21%增加到32%，灰中赤铁矿含量增加，而磁铁矿含量减少；这也对灰沉积产生重要影响。,经济性评价,富氧燃烧系统发电成本是传统燃烧系统的1.391.42倍，氧燃烧系统CO2减排成本和CO2捕获成本的范围分别为160184和115128￥/t。富氧燃烧系统中组件产品的单位成本约为传统燃烧系统中相应值的1.1倍，而单位热经济学成本是传统燃烧系统中对应值的1.22倍左右。当考虑环境因素的影响时，在环境损害模型下求得的组件产品单位环境热经济学成本最大，这表明对污染物质进行脱除是必要且有利的，减排CO2的富氧燃烧技术不仅对环境友好，且具有经济竞争力。税收是将环境损害的外部性内部化的有效措施，当前分析工况下的合理CO2排放税收额为140￥/t左右。,西安交通大学能源与动力工程学院,113,8.6 化学链燃烧,1983 年德国科学家 Richter 等首次提出化学链燃烧（CLC）的概念，目的是降低热电厂气体燃烧过程中产生的熵变，提高能源使用效率。20世纪90年代后期，许多学者开始把CLC作为一种CO2捕捉和NOx控制的新型工艺进行研究。其基本原理是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧借助于氧载体的作用而分解为2个气固反应，燃料与空气无需接触，由氧载体将空气中的氧传递到燃料中。,西安交通大学能源与动力工程学院,114,CLC系统包括两个连接的流化床反应器：空气反应器（air reactor）和燃料反应器（fuel reactor），固体氧载体在空气反应器和燃料反应器之间循环，燃料进入燃料反应器后被固体氧载体的晶格氧氧化，完全氧化后生成CO2和水蒸气。由于没有空气的稀释，产物纯度很高，将水蒸气冷凝后即可得到较纯的CO2，而无需消耗额外的能量进行分离，所得的CO2可用于其它用途。其反应式如式（2n+m）MyOx+CnH2m（2n+m）MyOx1+mH2O+nCO2 在燃料反应器中完全反应后，被还原的氧载体（MyOx-1）被输送至空气反应器中，与空气中的气 态氧相结合，发生氧化反应，完成氧载体的再生。其反应式如式MyOx-1+1/2O2（气体）MyOx,西安交通大学能源与动力工程学院,115,氧载体,化学链燃烧过程中，以氧载体在两个反应器之间的循环交替反应来实现燃料的燃烧过程，氧载体在两个反应器之间循环既传递了氧，又传递了反应生成的热量，是整个化学链燃烧过程中最重要的因素。化学链燃烧要得到大规模的应用，必须找到相匹配的氧载体。加拿大Mohammad M.Hossain 等总结化学链燃烧过程指出，氧载体的性能可以从氧传递能力、氧化还原反应速率、力学性能（抗烧结、团聚、磨损、破碎）、抗积炭、生产成本、环境影响等方面来评价。氧载体按其 成分可分为金属氧化物氧载体、硫酸盐氧载体、钙钛矿氧载体等。,西安交通大学能源与动力工程学院,116,化学链燃烧反应器,西安交通大学能源与动力工程学院,117,1空气反应器；2下导管；3燃料反应器；4狭槽；5气体分布盘；6风室；7反应区；8颗粒分离器；9斜壁,120 kW 双流化床反应器示意图,西安交通大学能源与