化学链燃烧系统设计与计算流体力学模拟

论文摘要

CO2作为主要的温室气体,日益影响着全球气候和生态环境的变化,并威胁着人类的生存环境。化学链燃烧（chemical looping combustion,CLC）是一种低能耗、低污染实现CO2高浓度富集的先进技术,本文对以Fe2O3/Al2O3为氧载体的化学链燃烧系统进行了详细的系统设计,得到了串行流化床反应器的关键设计参数,根据流体动力学相似原理设计并搭建了冷态试验台架,通过大量实验,研究了串行流化系统的稳定性、压力平衡及流体动力学特性。进而,基于计算流体动力学软件（Fluent）,对设计方案中的CLC系统进行了冷态和热态模拟,这对设计中经验参数的选取有指导意义。以快速流化床、鼓泡床分别作为空气反应器（Air Reactor,AR）和燃料反应器（Fuel Reactor,FR）,提出一套基于化学反应动力学平衡、质量平衡、压力平衡、流体动力学分析等理论的设计方案,一定程度上改进了现有串行流化床台架设计理论。根据流体动力学相似原理设计了40kW化学链系统对应的冷态试验台架,AR与FR高度分别为2.2m、0.39m,直径分别为0.1m、0.2m,并以平均粒度约为213微米、颗粒密度2917kg/m3的石英砂作为循环物料,AR和FR床料量分别为3.2kg（床高约0.24m）、5.34kg（床高约0.11m）时,流化风速分别控制在1.82.4m/s（约11.3ut）、0.180.22m/s（约4.255.19umf）范围内,Loopseal流化风约为14倍最小流化速度（umf）,松动风约为0.52.5umf,侧吹风约为0.51umf,能够满足设计工况,证明该方案可行。基于Fluent的冷态模拟结果表明,对于AR,流化风速1.5m/s时轴向平均空隙率约为0.945,表现为快速流化床,0.8m/s时表现为湍动流态化,床层的轴向压降与冷态试验吻合;对于FR,流化风速0.150.2m/s时轴向平均空隙率约为0.5720.629,与理论设计吻合;采用欧拉模型对FR进行了反应动力学模拟,结果显示,CH4的分压、温度是影响反应速率的主要因素,分压力越大、温度越高,反应速率越大。流化速度越大,床层内部气泡越多,空隙率越大。风速为0.2m/s0.25m/s时床层空隙率平均在0.680.73之间变化。另外,分压越大,生成的气体会稀释燃料分压,影响反应速率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 化学链燃烧技术
• 1.3 本文研究内容
• 2 串行流化床系统的设计
• 2.1 设计流程
• 2.2 设计方案
• 2.3 根据相似定律来确定冷态参数
• 2.4 其他辅助设备的计算和选择
• 2.5 设计结果
• 2.6 本章小结
• 3 串行流化床冷模试验
• 3.1 实验装置及实验过程简介
• 3.2 实验内容及结果分析
• 3.3 本章小结
• 4 冷态及热态CLC 反应器的CFD 数值模拟
• 4.1 数学模型
• 4.2 基于冷态试验的AR、FR 数值计算
• 4.3 基于气固化学反应动力学的热态FR 数值计算
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录