O2-CO2氣氛下單顆粒焦炭燃燒過程中焦炭氮轉(zhuǎn)化特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、O2/CO2燃燒技術(shù)在減少煤焦燃燒過程中熱力型 NOx生成方面具有突出的優(yōu)勢，作為 NOx控制技術(shù)受到越來越多的研究者的重視。目前，大多數(shù)研究者在數(shù)值模擬研究中采用一步反應(yīng)描述焦炭燃燒。然而焦炭并不是由單獨(dú)一種碳基構(gòu)成的，燃燒化學(xué)反應(yīng)也極為復(fù)雜，采用一步反應(yīng)計(jì)算得到的結(jié)果過于簡單，不能還原焦炭燃燒真實(shí)情況。同時，焦炭顆粒具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用隨機(jī)孔模型計(jì)算熱質(zhì)傳輸特性和焦炭轉(zhuǎn)化率，然而隨機(jī)孔模型無法計(jì)算復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)下的熱質(zhì)傳輸特性

2、，因此目前研究者們?nèi)匀浑y以使用隨機(jī)孔模型計(jì)算O2/CO2氣氛焦炭顆粒的燃燒特性。另一方面，在對于O2/CO2氣氛下焦炭氮轉(zhuǎn)化進(jìn)行的研究中，研究者普遍認(rèn)為焦炭氮向NO的轉(zhuǎn)化速率與焦炭燃燒速率成比例，比值為焦炭中碳和氮的比值。這種計(jì)算方式過于粗糙，得到的焦炭氮轉(zhuǎn)化特性與焦炭燃燒特性相似，與真實(shí)情況存在較大的誤差。
　　煤粉顆粒經(jīng)過高溫?zé)峤庑纬山固?。熱解過程中，顆粒內(nèi)部無序排列的 C原子組成的碳基受到影響，會有一部分 C原子轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺?/p>

3、列的碳基。另一方面，焦炭中的 H原子附著在一部分碳基上，改變了碳基的化學(xué)性質(zhì)。因此，研究者普遍認(rèn)為焦炭顆粒所含有的碳基共有三類，分別為有序結(jié)構(gòu)碳基、無序結(jié)構(gòu)碳基以及含H碳基。不同化學(xué)性質(zhì)的碳基與反應(yīng)氣體（O2、CO2、CO）會發(fā)生8步異相反應(yīng)和1步同相反應(yīng)。本工作根據(jù)焦炭顆粒的以上性質(zhì)，首次將9步化學(xué)反應(yīng)與隨機(jī)孔模型相結(jié)合，新建立了 O2/CO2氣氛下的三種碳基隨機(jī)孔模型。該模型的建立解決了隨機(jī)孔模型無法計(jì)算O2/CO2氣氛焦炭顆粒的燃

4、燒特性的問題。
　　高溫?zé)峤馍山固康倪^程中，焦炭內(nèi)的焦炭氮有一部分以官能團(tuán)的形式附著在碳基的表面，另一部分焦炭氮嵌套進(jìn)碳基內(nèi)部。在焦炭燃燒時，單個碳基表面的焦炭氮率先反應(yīng)，隨著碳基的消耗，內(nèi)部的焦炭氮暴露出來才會發(fā)生反應(yīng)，因此單個碳基上的焦炭氮呈現(xiàn)收縮變化的特征。與此同時，與焦炭氮發(fā)生反應(yīng)的氣體的擴(kuò)散傳輸特性又受到隨機(jī)孔模型的控制。因此焦炭氮的轉(zhuǎn)化過程同時具有收縮模型和隨機(jī)孔模型這兩種模型的特點(diǎn)。三種碳基隨機(jī)孔模型在計(jì)算 O2/

5、CO2氣氛下氣體傳輸特性的方面有著很高的準(zhǔn)確度，為計(jì)算焦炭氮轉(zhuǎn)化過程中的反應(yīng)氣體的傳輸特性提供理論支撐。本工作在三種碳基隨機(jī)孔模型的基礎(chǔ)上，選用收縮模型計(jì)算焦炭氮的比表面積，建立了基于反應(yīng)面積的Char-N轉(zhuǎn)化模型。在該模型中，焦炭燃燒速率和焦炭氮轉(zhuǎn)化速率不再是簡單的類比關(guān)系，兩種反應(yīng)速率因?yàn)槭艿椒磻?yīng)面積的影響而產(chǎn)生了差異。因此可以計(jì)算出一種工況，能夠促進(jìn)焦炭燃燒和抑制焦炭氮轉(zhuǎn)化，該工況即為高效潔凈燃燒最優(yōu)工況。
　　通過實(shí)驗(yàn)對比

6、證明，三種碳基隨機(jī)孔模型、基于反應(yīng)面積的Char-N轉(zhuǎn)化模型都與實(shí)際情況非常吻合。它們都具有表征焦炭顆粒的燃燒特性、熱質(zhì)傳輸特性以及焦炭氮轉(zhuǎn)化特性的能力。通過對計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知，焦炭顆粒在燃燒初期，孔隙內(nèi)的氣體濃度存在脈沖式波動的現(xiàn)象。波動現(xiàn)象發(fā)生原因是化學(xué)反應(yīng)和物理擴(kuò)散之間存在競爭效應(yīng)，該效應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)動力—擴(kuò)散控制區(qū)。競爭效應(yīng)會降低焦炭燃燒溫度，使其燃燒過程不穩(wěn)定，對于焦炭顆粒的燃燒有著負(fù)面影響。減小顆粒粒徑，增加環(huán)境

7、中的 O2濃度都可以有效縮短競爭效應(yīng)的持續(xù)時間，同時減小顆粒粒徑還能夠明顯降低競爭效應(yīng)的劇烈程度。焦炭顆粒孔隙內(nèi)NO濃度的變化受O2濃度影響較大，因此降低環(huán)境中O2濃度可以抑制焦炭氮的轉(zhuǎn)化和NO的生成。同時增大顆粒的粒徑同樣可以減少NO的生成，這是因?yàn)榇箢w粒焦炭燃燒使顆粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的還原性氣體CO。
　　綜上可以看出，本工作所建立的兩種新的模型，極大的提高了 O2/CO2氣氛下，針對焦炭燃燒特性及焦炭氮轉(zhuǎn)化特性的數(shù)值模擬工作的