流化床增压富氧燃烧机理研究

SoutheastUniversity1流化床增压富氧燃烧机理研究汇报人：段伦博东南大学能源与环境学院SoutheastUniversity背景介绍Poxy-FBC气固流动Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧Poxy-FBC排放特性下一步工作展望12345SoutheastUniversityR&Droadmapofoxy-FBCinChinaSinglesparticlecombustionfacility6kWt&50kWtoxy-CFBsystem2.5MWtIBHX-CFBcombustor2.0MWtmulti-functionaloxy-CFBsystem201420122006201050kWtwarm-recycleOxy-CFBsystem2010Thefirstpilotoxy-CFBwithfluegasrecycleinChinaDevelopthein-bedheatexchangerforhighO2concentrationapplication2.0MWtoxy-CFBcombustorwitha100kg/hbubblingbedpyrolysisreactorStudycombustioncharacteristic,emissionofsolidfuelAtransparentFBtostudythemechanismofcoalcombustioninoxy-FB50kWthoxy-PFBCcombustorforthe2ndgenerationdevelopment201450kWthoxy-PFBCcombustorConceptualdesignofa300MWeUSCOxyCFBPowerPlant2016SoutheastUniversity常压增压背景介绍避免压力先降后升的功损；避免漏风，降低CPU的功耗；提高水蒸气露点，易回收潜热；改善煤焦燃烧速率；降低了锅炉等设备的尺寸等。成本！市场技术科学SoutheastUniversityPoxy-FBC气固流动压力升高，气泡尺寸较小；流化数升高，尺寸增大并趋于合并，稳定性变差。增压流化床（B类颗粒）临界流化速度（最小鼓泡速度）的实验研究；增压流化床气泡行为特性（大小、频率、尾涡等）研究。SoutheastUniversity0.51.01.50.00.10.20.30.40.5Umf(m/s)Pressure(MPa)0.85~1.0mmquartzsand0.3~0.35mmquartzsand0.1~0.15mmironpowder0.130℃，N2气氛0.51.00.00.10.20.30.4Umf(m/s)Pressure(MPa)0.85~1.0mmquartzsand0.3~0.35mmquartzsand0.1~0.15mmironpowder0.1400℃，N2气氛0.51.00.00.10.20.30.4Umf(m/s)Pressure(MPa)0.85~1.0mmquartzsand0.3~0.35mmquartzsand0.1~0.15mmironpowder0.1200℃，N2气氛0.51.00.00.10.20.3Umf(m/s)Pressure(MPa)0.85~1.0mmquartzsand0.3~0.35mmquartzsand0.1~0.15mmironpowder0.1800℃，N2气氛压力升高，Umf下降，且减小幅度随着温度的升高而降低；且压力变化对大颗粒的Umf的影响较为明显；0.00.51.00.00.20.3Umf(m/s)Pressure(MPa)0.3~0.35mm,N20.3~0.35mm,CO20.85~1.0mm,N20.85~1.0mm,CO2400℃同样的温度和压力条件下，CO2气氛下的Umf的要小于N2气氛下；压力升高，CO2与N2气氛下Umf的差值逐步增加；对于不同的压力和气氛，气体密度的差异是导致Umf不同的主要因素；Poxy-FBC气固流动SoutheastUniversity100001000001000000110100RemfAr计算值与试验值的相对误差：平均：3.70%;最大：12.46%01002003004005006007008009000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.85~1.0mm实测0.85~1.0mm计算0.3~0.35mm实测0.3~0.35mm计算0.1~0.15mm实测0.1~0.15mm计算Umf(m/s)Temperature(OC)公式拟合与验证基于试验数据拟合得到的Umf计算式322()32.060.03732.06gpgpgmfgpgdgUdPoxy-FBC气固流动SoutheastUniversity临界流化速度（可视化）可视化流化床尺寸：截面：200mm*34mm视窗：100mm*200mm；N2气氛下，用过量气体将床层流化，并以0.125L/min的速度降低风量，直至气泡完全消失；气泡采用1000帧/秒快速CCD拍摄；Poxy-FBC气固流动SoutheastUniversity序号作者关联式实验条件1Wen&Yu2Richardson3Babu4Grace5Chitester6Saxena7Thonlimp8Sangeetha9Barbosa10Doichev11拟合公式Poxy-FBC气固流动SoutheastUniversity1bar2bar3bar4bar5bar6barPoxy-FBC气固流动SoutheastUniversity473K573K673K773K373K随着压力和温度升高，临界流化速度均有下降，且下降速率降低；通过可视化以及差压计算测得的临界流化速度可靠性较好。Poxy-FBC气固流动SoutheastUniversity12Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧两色测温+热电偶测温（两根）可视化增压流化床；视窗:100*200mm；温度:＜950℃；压力:1.6MPa温度的测量与修正SoutheastUniversity13两色测温与热电偶测温相互结合与验证两色测温：脱挥发分时间、挥发分火焰温度分布、焦炭燃烧温度、焦炭燃烧时间等。热电偶测温：颗粒内部燃烧全过程温度（颗粒中心与近表面）、脱挥发分时间、焦炭燃烧时间，不同时刻颗粒温度梯度分布。颗粒加热过程中、挥发分火焰均会对热电偶测温产生影响，需修正！Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity141122,,,,TTTTELAEL2,,11lnln5lnRGGRTTGRCTLLA1,T52Eexp1CCT温度T的灰体中发射的辐射强度(Eλ,T)与辐射波长(λ)的关系为对同一灰体，灰体辐射率相同，联立2个不同波长下(λ1，λ2)方程求解，,1,2特定波长下的辐射强度与对应颜色值关系每个像素点选取红、绿、蓝三种颜色中任意两色值，A为相机与操作等带来的误差值，通过黑体炉标定拟合公式。相机状态的调整，保证测温范围内选用的颜色值低于255（即不饱和）。两色测温原理Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity151000110012001300140010001100120013001400温度（K）温度（K）标准值实验值验证A值准确性拟合A值公式最大误差小于7K，温度大于1273K区域（燃烧反应集中区域）误差小于3.2K。y=-0.0105x4+0.1351x3-0.6395x2+0.442x+2.3747R²=0.9997-2-101230123456850-1075Ky=59.037x5-96.201x4+59.005x3-16.979x2+1.8731x+2.5165R²=0.99122.352.42.452.52.552.6-0.100.10.20.30.40.50.60.71100-1275KPoxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity挥发分火焰尾部有少量未完全燃烧碳烟，煤焦燃烧过程中表面局部有残留的灰分，均会对这些点的测温有影响，但不影响对挥发分和焦炭燃烧的研究。Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity管内流体温度测量修正式中，α1,α2—颗粒内外介质对热电偶的放热系数；λ1,λ2—热电偶的热导率，λ1=λ2；U1,U2—热电偶的截面周长，U1=U2；F1,F2—热电偶的截面积，F1=F2;L1,L2—颗粒内外热电偶的长度。修正公式：降低热电偶管套的厚度、热导率以及增加埋在颗粒中热电偶的长度均可以降低热电偶测温误差。热电偶测温修正Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity020040060080010001200200400600800100012001400024681012300320340360380400420440460480500℃温度（）时间（s）温度（K）时间（s）床层温度颗粒外表面温度颗粒中心温度020040060080010001200200400600800100012001400温度（K）时间（s）颗粒外表面温度（10%O2/90%CO2）修正后温度曲线测温误差来源于加热与干燥过程（颗粒内外温差）以及挥发分燃烧过程（火焰温度引起温差）。结合热电偶测温曲线与燃烧过程的视频图片，判断不同燃烧过程的持续时间以及各个过程温度分布信息；燃烧三个过程会有不同程度交叉重叠。Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity挥发分燃烧（单颗粒）褐煤10%O2/90N2烟煤21%O2/79N2烟煤10%O2/90N2褐煤21%O2/79N2烟煤10%O2/90CO2烟煤21%O2/79CO2烟煤30%O2/70CO2烟煤30%O2/70N2褐煤30%O2/70N2SoutheastUniversity煤焦燃烧（单颗粒）褐煤10%O2/90N2烟煤21%O2/79N2烟煤10%O2/90N2褐煤21%O2/79N2烟煤10%O2/90CO2烟煤21%O2/79CO2烟煤30%O2/70CO2烟煤30%O2/70N2褐煤30%O2/70N2SoutheastUniversity着火延时（干燥时间）10%21%30%02468101214褐煤O2/N2褐煤O2/CO2烟煤O2/N2烟煤O2/CO2时间/s氧气浓度10%21%30%101520253035404550褐煤O2/N2褐煤O2/CO2烟煤O2/N2烟煤O2/CO2时间/s氧气浓度10%21%30%100011001200130014001500160017001800温度/K氧气浓度褐煤O2/N2烟煤O2/N2烟煤O2/CO2挥发分析出及燃烧着火延时-视频；干燥时间-温度曲线（120-180℃）；着火延时与燃料种类（水分含量等）相关，几乎不受气体组分影响。挥发分析出特性与燃料种类相关，碳化程度越高，析出越慢；随着氧浓度升高，析出速率加快（火焰温度升高，对颗粒辐射加热增加）；氧浓度增加，挥发分火焰面积、峰值和平均温度均有提高；干燥过程与挥发分析出过程有所重叠！脱挥发分时间火焰温度峰值Poxy-FBC单颗粒富氧燃烧SoutheastUniversity10%21%30%020040060080010001200140016001800时间/s氧气浓度褐煤O2/N2褐煤O2/CO2烟煤O2/N2烟煤O2/CO2煤焦燃烧焦炭燃尽时间焦炭表面温度峰值10%21%30%100011001200130014001500160017001800温度/K氧气浓度褐煤O2/N2烟煤O2/N2烟煤O2/CO2富氧燃烧过程中，煤焦燃尽时间低于空气下燃烧；煤阶越低，煤焦越容易燃尽，煤焦表面温度越高；氧浓度越高，煤焦燃尽时间越短，随着氧浓度升高，提升速率降低；富