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化学链燃烧系统设计与计算流体力学模拟
作 者: 张少华
导 师: 赵海波;郑楚光
学 校: 华中科技大学
专 业: 热能工程
关键词: 化学链燃烧 二氧化碳减排 串行流化床设计 数值模拟 甲烷 氧化铁
分类号: O35
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 17次
引 用: 0次
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内容摘要
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。
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全文目录
摘要 4-5 ABSTRACT 5-9 1 绪论 9-21 1.1 课题背景 9-10 1.2 化学链燃烧技术 10-19 1.3 本文研究内容 19-21 2 串行流化床系统的设计 21-37 2.1 设计流程 21-22 2.2 设计方案 22-30 2.3 根据相似定律来确定冷态参数 30-33 2.4 其他辅助设备的计算和选择 33-35 2.5 设计结果 35-36 2.6 本章小结 36-37 3 串行流化床冷模试验 37-49 3.1 实验装置及实验过程简介 37-40 3.2 实验内容及结果分析 40-48 3.3 本章小结 48-49 4 冷态及热态CLC 反应器的CFD 数值模拟 49-66 4.1 数学模型 49-54 4.2 基于冷态试验的AR、FR 数值计算 54-57 4.3 基于气固化学反应动力学的热态FR 数值计算 57-64 4.4 本章小结 64-66 5 全文总结及展望 66-68 5.1 全文总结 66-67 5.2 进一步工作建议 67-68 致谢 68-69 参考文献 69-76 附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录 76
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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学
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