一氧化碳在循環(huán)流化床燃燒室中的燃燒模型

1、一氧化碳在循環(huán)流化床燃燒室中的燃燒模型 作者：狂流轉(zhuǎn)貼自：本站原創(chuàng)點(diǎn)擊數(shù)：111更新時(shí)間：2004-3-18文章錄入：hblst 一氧化碳在循環(huán)流化床燃燒室中的燃燒模型王智微李定凱沈幼庭鄭洽余摘要：為了研究一氧化碳在循環(huán)流化床燃燒室（CFBC）中的燃燒，通過對(duì)純氣相反應(yīng)中一氧化碳燃燒速率的若干常用公式的比較識(shí)別，根據(jù)CFBC內(nèi)的氣固結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了一氧化碳在循環(huán)流化床燃燒室中的燃燒機(jī)理，提出了一氧化碳有效反應(yīng)空間的概念，從而建立了一種適合于循環(huán)流化床燃燒室條件的一氧化碳燃燒計(jì)算模型。模型計(jì)算結(jié)果與報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床燃燒室；一氧化碳；燃燒模型分類號(hào)：TK 16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

2、A文章編號(hào)：1000-0054(2000)02-0110-04CO 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 comb

3、ustor (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 calcu

4、lational 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是可燃揮發(fā)份的主要組成之一，也是其它可燃揮發(fā)份和碳燃燒的中間產(chǎn)物。研究CO在CFBC中的燃燒特性，對(duì)保證CFBC的燃燒效率十分重要。許多研究者對(duì)可燃揮發(fā)份在CFBC中的燃燒作

5、了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究14。大多數(shù)研究者認(rèn)為，在CFBC內(nèi)CO的燃燒速率遠(yuǎn)小于CO在氣相條件下的燃燒速率。但是到目前為止，在多數(shù)發(fā)表的CFBC模型中，多采用純氣相反應(yīng)條件下CO的燃燒模型，對(duì)CFBC中氣固結(jié)構(gòu)對(duì)CO燃燒的影響缺乏定量分析。本文對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合分析CFBC中氣相燃燒特點(diǎn)，提出了一種適合于CFBC條件的CO燃燒速率計(jì)算方法。1CFBC中一氧化碳燃燒的機(jī)理分析考慮到水蒸氣的影響，純氣相條件下CO燃燒反應(yīng)速率公式可簡化為如下的一般形式：(1) 式中：R=8.319J.mol-1.K-1。常見的具體公式如表1。表1CO燃燒速率公式(=1.0,=0.5)序號(hào)公式k

6、0E/(kJ.mol-1)1Howard71.301011125.70.52Dryer62.1910121670.253Lavrov61.0110101180.254Yetter11.2810172890.255Hannes11.001010125.70.56Jensen13.251010125.60.5Rajan和Wen在循環(huán)流化床的綜合模型中推薦用如下公式5：(2)式中：A=6.699104J.mol-1。圖1是在xO2=0.15，xCO=0.03，xH2O=0.05時(shí)，不同溫度下各個(gè)公式計(jì)算的CO燃燒速率。由圖1可見，Rajan式和Jensen式，Hannes式和Yetter式的計(jì)算結(jié)果

7、分別相當(dāng)。對(duì)于CFBC中CO的燃燒速率，現(xiàn)有的文獻(xiàn)一般采用與Yetter公式同量級(jí)的公式計(jì)算。圖1CO的燃燒速率從燃燒機(jī)理上分析，CO的燃燒反應(yīng)屬于分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在有H2O或H2時(shí)，反應(yīng)更為復(fù)雜。CO的燃燒反應(yīng)過程鏈主要有2：COO2CO2OCOOCO*2CO*2O2CO22OCO*2COCO2CO*CO*O2CO2O在有H2O或H2的條件下，還有能顯著增加CO燃燒速率的附加反應(yīng)過程：COOH2OCO2HOHOHCOCO2HHO2OHO其中，*表示為帶電的活化粒子。CD的燃燒產(chǎn)物為CO2，當(dāng)CO2濃度大時(shí)，上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能通過以下反應(yīng)而終止：CO2OCOO2更為重要的是，由于CFBC內(nèi)有大量顆粒

8、和顆粒團(tuán)存在，這些顆粒表面會(huì)使CO燃燒反應(yīng)鏈中的任何活化粒子（O,H,OH,CO*,CO*2）失活，從而使在顆粒表面附近的CO反應(yīng)減弱或終止，導(dǎo)致流化床內(nèi)的CO整體燃燒速率降低2。同時(shí)在顆粒表面附近，由于氣體的燃燒和顆粒對(duì)氣體的吸附作用，CO2的濃度增大，CO和O2的濃度降低，這也造成顆粒周圍的氣相反應(yīng)難以進(jìn)行。因此，在顆粒和顆粒團(tuán)附近相當(dāng)于存在一個(gè)擴(kuò)展的“惰性”氣體層，如圖2所示。在“惰性”氣體層內(nèi)，CO很難發(fā)生反應(yīng)。圖2“惰性”氣體層示意圖Hayhurst2，3等的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了CO在流化床密相區(qū)顆粒相內(nèi)的燃燒反應(yīng)受到強(qiáng)烈的抑制，因此可以推斷CO在CFBC內(nèi)的燃燒速率比按純氣相反應(yīng)公式所得

9、的燃燒速率要小得多。2一氧化碳燃燒的計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果分析實(shí)際上CO在燃燒室橫截面上的分布不均，爐內(nèi)物料的流動(dòng)結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜。為簡化起見，本文采用沿軸向一維方法處理CO在CFBC中的燃燒計(jì)算問題。對(duì)CO在CFBC中的燃燒模型，可作如下簡化：1）燃料熱解的揮發(fā)份在燃燒室內(nèi)滿足一定的分布規(guī)律； 2）在CFBC中CO的燃燒反應(yīng)為容積反應(yīng)； 3）所有物料為惰性顆粒，CO在“惰性”氣體層內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)。假定床內(nèi)任一空間V的空隙率為，物料顆粒的平均直徑為daver，“惰性”氣體層的厚度為（dcloud-daver）/2。定義“惰性”氣體層外直徑同顆粒的平均直徑比為當(dāng)量直徑比Kcd，CO在空間V內(nèi)可發(fā)生燃燒反

10、應(yīng)的空間為有效反應(yīng)空間Ve，有效反應(yīng)空間同V的比值為有效空間反應(yīng)系數(shù)Kev，則(3)Kev=1-K3cd(1-)(4)選適當(dāng)?shù)腃O在氣相中的燃燒速率RCO作為在CFBC中燃燒速率的近似，則V空間中CO的燃燒率為：(5)Ogada和Werther對(duì)可燃廢渣在流化床中的燃燒作了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并測出了O2和CO在燃燒室內(nèi)沿高度的體積分?jǐn)?shù)分布4。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燒室的內(nèi)徑為0.1m，最大高度為9.3m，給料口高度為0.35m，密相區(qū)的運(yùn)行高度為0.78m?？諝飧稍锘母呶话l(fā)熱值為9.72MJ.kg1。可燃廢渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w如表2所示。表2可燃廢渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w%CHONSH2O25.363.7314.983.

11、110.6713.0揮發(fā)份灰份固定碳44.3739.153.48實(shí)驗(yàn)條件為：密相區(qū)溫度為800，稀相區(qū)溫度為850，床料是平均粒徑為550m、密度為2600kg/m3的石英沙，氣體表觀速度為2.5m/s，燃燒室出口O2的體積分?jǐn)?shù)為6%。將不同的Kcd值和CO的燃燒速率公式帶入一維CFBC模型8計(jì)算，所得的O2和CO體積分?jǐn)?shù)沿燃燒室高度分布如圖36所示。從圖中可看出，用Hannes公式計(jì)算煙氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)，在Kcd=1.5時(shí)所計(jì)算的CO和O2體積分?jǐn)?shù)同實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)，即在顆粒的0.25 daver范圍內(nèi)可不考慮CO的反應(yīng)。對(duì)Rajan公式，在Kcd=1.7時(shí)所計(jì)算的CO和O2體積分?jǐn)?shù)同實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)，在0

12、.35 daver范圍的顆粒周圍不考慮CO的燃燒反應(yīng)。一氧化碳在循環(huán)流化床燃燒室中的燃燒模型 作者：狂流轉(zhuǎn)貼自：本站原創(chuàng)點(diǎn)擊數(shù)：112更新時(shí)間：2004-3-18文章錄入：hblst 圖3O2體積分?jǐn)?shù)分布圖4CO體積分?jǐn)?shù)分布圖5O2體積分?jǐn)?shù)分布圖6CO體積分?jǐn)?shù)分布循環(huán)流化床密相區(qū)的空隙率約為0.850.9，有效空間反應(yīng)系數(shù)Kev=0.490.66（對(duì)dcloud=1.5 daver）和0.260.51（對(duì)dcloud=1.7 daver）。由公式（4）可知，當(dāng)空隙率小于某一值時(shí)，有效空間反應(yīng)系數(shù)Kev0，其物理意義即為CO不發(fā)生燃燒反應(yīng)。因此，可定義Kev=0時(shí)的床內(nèi)空隙率為最小反應(yīng)空隙率min，其表達(dá)式為(6)當(dāng)dcloud=1.5 daver時(shí)，min=0.70； 當(dāng)dcloud=1.7 daver時(shí)，min=0.80。如果床內(nèi)空隙率小于最小反應(yīng)空隙率min，雖然RCO不為零，CO也不會(huì)發(fā)生燃燒反應(yīng)。在實(shí)際的CFBC中，當(dāng)降低爐內(nèi)溫度時(shí)，煙氣的表觀速度降低，爐內(nèi)的空隙率減小，即CO的燃燒反應(yīng)空間減小，當(dāng)達(dá)到min時(shí)，CO不發(fā)生燃燒反應(yīng)。Hayburst等人在流化床可燃?xì)怏w燃燒實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象爐內(nèi)溫度降低時(shí)，稀相區(qū)燃燒的可燃?xì)怏w量增大； 在爐內(nèi)點(diǎn)火過程中，隨著溫度的增加，可燃