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一氧化碳在循环流化床燃烧室中的燃烧模型 摘要：为了研究一氧化碳在循环流化床燃烧室（CFBC）中的燃烧，通过对纯气相反应中一氧化碳燃烧速率的若干常用公式的比较识别，根据CFBC内的气固结构特点，分析了一氧化碳在循环流化床燃烧室中的燃烧机理，提出了一氧化碳有效反应空间的概念，从而建立了一种适合于循环流化床燃烧室条件的一氧化碳燃烧计算模型。模型计算结果与报道的实验结果吻合很好。 关键词：循环流化床燃烧室；一氧化碳；燃烧模型 分类号：文章编号：CO combustion model for circulating fluidized bed combustorWANG Zhiwei,LI Dingkai,SHEN Youting,ZHENG Qiayu(Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract：For the purpose of calculating CO combustion in circulating fluidized bed combustor (CFBC),several formulas of CO oxidation rate for homogeneous gas-phase reaction were evaluated.The mechanism of CO oxidation reaction in CFBC was analyzed based on the characteristics of the CFBC gas-solid structure.The concept of effective reaction space was then introduced to develop a calculational model of CO burning rate in CFBC.The calculated results are in good agreement with reported experimental results.Key words：circulating fluidized bed combustor;carbon monoxide;combustion;combustion modelCO是可燃挥发份的主要组成之一，也是其它可燃挥发份和碳燃烧的中间产物。研究CO在CFBC中的燃烧特性，对保证CFBC的燃烧效率十分重要。许多研究者对可燃挥发份在CFBC中的燃烧作了大量的实验和理论研究14。大多数研究者认为，在CFBC内CO的燃烧速率远小于CO在气相条件下的燃烧速率。但是到目前为止，在多数发表的CFBC模型中，多采用纯气相反应条件下CO的燃烧模型，对CFBC中气固结构对CO燃烧的影响缺乏定量分析。本文对现有文献中的理论和实验结果进行识别，结合分析CFBC中气相燃烧特点，提出了一种适合于CFBC条件的CO燃烧速率计算方法。1CFBC中一氧化碳燃烧的机理分析考虑到水蒸气的影响，纯气相条件下CO燃烧反应速率公式可简化为如下的一般形式：(1) 式中：R=8.319J.mol-1.K-1。常见的具体公式如表1。表1CO燃烧速率公式(=1.0,=0.5)序号公式k0E/(kJ.mol-1)1Howard71.30×1011125.70.52Dryer62.19×10121670.253Lavrov61.01×10101180.254Yetter11.28×10172890.255Hannes11.00×1010125.70.56Jensen13.25×1010125.60.5Rajan和Wen在循环流化床的综合模型中推荐用如下公式5：(2)式中：A=6.699×104J.mol-1。图1是在xO2=0.15，xCO=0.03，xH2O=0.05时，不同温度下各个公式计算的CO燃烧速率。由图1可见，Rajan式和Jensen式，Hannes式和Yetter式的计算结果分别相当。对于CFBC中CO的燃烧速率，现有的文献一般采用与Yetter公式同量级的公式计算。图1CO的燃烧速率从燃烧机理上分析，CO的燃烧反应属于分支链式反应，在有H2O或H2时，反应更为复杂。CO的燃烧反应过程链主要有2：COO2CO2OCOOCO*2CO*2O2CO22OCO*2COCO2CO*CO*O2CO2O在有H2O或H2的条件下，还有能显著增加CO燃烧速率的附加反应过程：COOH2OCO2HOHOHCOCO2HHO2OHO其中，*表示为带电的活化粒子。CD的燃烧产物为CO2，当CO2浓度大时，上述链式反应能通过以下反应而终止：CO2OCOO2更为重要的是，由于CFBC内有大量颗粒和颗粒团存在，这些颗粒表面会使CO燃烧反应链中的任何活化粒子（O,H,OH,CO*,CO*2）失活，从而使在颗粒表面附近的CO反应减弱或终止，导致流化床内的CO整体燃烧速率降低2。同时在颗粒表面附近，由于气体的燃烧和颗粒对气体的吸附作用，CO2的浓度增大，CO和O2的浓度降低，这也造成颗粒周围的气相反应难以进行。因此，在颗粒和颗粒团附近相当于存在一个扩展的“惰性”气体层，如图2所示。在“惰性”气体层内，CO很难发生反应。图2“惰性”气体层示意图Hayhurst2，3等的实验研究证实了CO在流化床密相区颗粒相内的燃烧反应受到强烈的抑制，因此可以推断CO在CFBC内的燃烧速率比按纯气相反应公式所得的燃烧速率要小得多。2一氧化碳燃烧的计算模型及计算结果分析实际上CO在燃烧室横截面上的分布不均，炉内物料的流动结构也十分复杂。为简化起见，本文采用沿轴向一维方法处理CO在CFBC中的燃烧计算问题。对CO在CFBC中的燃烧模型，可作如下简化：1）燃料热解的挥发份在燃烧室内满足一定的分布规律； 2）在CFBC中CO的燃烧反应为容积反应； 3）所有物料为惰性颗粒，CO在“惰性”气体层内不发生反应。假定床内任一空间V的空隙率为，物料颗粒的平均直径为daver，“惰性”气体层的厚度为（dcloud-daver）/2。定义“惰性”气体层外直径同颗粒的平均直径比为当量直径比Kcd，CO在空间V内可发生燃烧反应的空间为有效反应空间Ve，有效反应空间同V的比值为有效空间反应系数Kev，则(3)Kev=1-K3cd(1-)(4)选适当的CO在气相中的燃烧速率RCO作为在CFBC中燃烧速率的近似，则V空间中CO的燃烧率为：(5)Ogada和Werther对可燃废渣在流化床中的燃烧作了大量的实验研究，并测出了O2和CO在燃烧室内沿高度的体积分数分布4。该实验台燃烧室的内径为0.1m，最大高度为9.3m，给料口高度为0.35m，密相区的运行高度为0.78m。空气干燥基的高位发热值为9.72MJ.kg1。可燃废渣的质量分数w如表2所示。表2可燃废渣的质量分数w%CHONSH2O25.363.7314.983.110.6713.0挥发份灰份固定碳44.3739.153.48实验条件为：密相区温度为800，稀相区温度为850，床料是平均粒径为550m、密度为2600kg/m3的石英沙，气体表观速度为2.5m/s，燃烧室出口O2的体积分数为6%。将不同的Kcd值和CO的燃烧速率公式带入一维CFBC模型8计算，所得的O2和CO体积分数沿燃烧室高度分布如图36所示。从图中可看出，用Hannes公式计算烟气体积分数时，在Kcd=1.5时所计算的CO和O2体积分数同实验值相当，即在颗粒的0.25 daver范围内可不考虑CO的反应。对Rajan公式，在Kcd=1.7时所计算的CO和O2体积分数同实验值相当，在0.35 daver范围的颗粒周围不考虑CO的燃烧反应。图3O2体积分数分布图4CO体积分数分布图5O2体积分数分布图6CO体积分数分布循环流化床密相区的空隙率约为0.850.9，有效空间反应系数Kev=0.490.66（对dcloud=1.5 daver）和0.260.51（对dcloud=1.7 daver）。由公式（4）可知，当空隙率小于某一值时，有效空间反应系数Kev<0，其物理意义即为CO不发生燃烧反应。因此，可定义Kev=0时的床内空隙率为最小反应空隙率min，其表达式为(6)当dcloud=1.5 daver时，min=0.70； 当dcloud=1.7 daver时，min=0.80。如果床内空隙率小于最小反应空隙率min，虽然RCO不为零，CO也不会发生燃烧反应。在实际的CFBC中，当降低炉内温度时，烟气的表观速度降低，炉内的空隙率减小，即CO的燃烧反应空间减小，当达到min时，CO不发生燃烧反应。Hayburst等人在流化床可燃气体燃烧实验中所观察到的现象炉内温度降低时，稀相区燃烧的可燃气体量增大； 在炉内点火过程中，随着温度的增加，可燃气体的火焰位置从稀相区逐渐达到布风板区域验证了上述推理是正确的。3结论本文所建立的模型为解决CO在CFBC中的燃烧计算问题提供了一个很好的方法。将有效反应空间（当量直径比Kcd）概念与适当的纯气相CO燃烧速率公式结合起来进行计算，所得到的结果与实验结果吻合得很好。当使用Rajan公式（或Jensen公式）时，Kcd的值取为1.7; 当使用Hannes公式（或Yetter公式）时，Kcd的值取为1.5。