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第一篇 基础知识3

1流化床技术3

1.1 流化床技术概述3

1.2 流化床技术分类5

1.2.1 按分离器工作温度分类5

1.2.2 按分离器结构形式分类7

1.2.2.1 采用旋风分离器的循环流化床锅炉7

1.2.2.2 采用惯性分离器的循环流化床锅炉8

1.2.2.3 采用组合系统的循环流化床锅炉9

1.2.2.4 旋涡燃烧分离器的循环流化床锅炉9

1.2.3 按有无外置式换热器分类9

1.2.4 按物料循环倍率分类10

1.2.5 按固体物料循环方式分类11

1.2.6 按炉膛压力分类13

1.2.7 按工质蒸汽压力分类13

1.2.8 按锅炉水循环的方式分类15

1.3 流化床反应器内气固特性研究17

1.3.1 流化床反应器内气固流动特性研究17

1.3.2 流化床反应器内气固燃烧特性研究19

1.3.3 流化床反应器内气固气化特性研究20

2流化床内颗粒动理学理论研究22

2.1 颗粒动理学理论概述22

2.2 颗粒动理学理论的发展23

2.2.1 颗粒二阶矩理论23

2.2.2 粗糙颗粒动理学理论23

2.3 颗粒动理学理论在流化床中的应用25

3流化床内气相大涡模拟方法研究27

3.1 大涡模拟方法概述27

3.2 亚格子流动模型研究28

3.3 亚格子反应模型研究29

3.4 大涡模拟方法在流化床中的应用31

4流化床内气固相间作用研究33

4.1 气固相间一阶作用力模型研究33

4.2 气固相间二阶作用脉动能量模型研究34

4.3 气固相间作用模型在流化床中的应用34

第二篇 应用实例39

5气相大涡模拟-颗粒相二阶矩模型39

5.1 引言39

5.2 气相大涡模拟模型39

5.2.1 气相可解尺度质量守恒方程39

5.2.2 气相可解尺度动量守恒方程41

5.2.3 气相可解尺度能量守恒方程42

5.2.4 气相可解尺度组分守恒方程43

5.2.5 气相亚格子流动模型的封闭44

5.2.6 气相亚格子反应模型的封闭46

5.3 颗粒相速度脉动二阶矩模型48

5.3.1 颗粒速度各向异性分布函数48

5.3.2 颗粒相流动控制方程49

5.3.3 颗粒相反应控制方程51

5.4 气体-颗粒相间作用模型53

5.4.1 相间曳力模型53

5.4.2 气固相间二阶关联项模型54

5.5 壁面边界条件56

5.6 本章小结57

6流化床内气固两相流动特性的模拟58

6.1 引言58

6.2 低质量流率提升管流动特性分析58

6.2.1 模拟工况及条件58

6.2.2 模拟结果与Jiradilok等实验对比60

6.2.3 瞬时流动特性分析62

6.2.4 浓度与速度特性分析65

6.2.5 气相亚格子湍动能与耗散分析67

6.2.6 颗粒相速度脉动二阶矩分析69

6.2.7 气相与颗粒相雷诺应力型二阶矩分析75

6.3 高质量流率提升管流动特性分析77

6.3.1 模拟工况及条件77

6.3.2 模拟结果与Herbert等实验数据对比78

6.3.3 瞬时流动特性分析79

6.3.4 气相亚格子模型比较82

6.3.5 气固相间二阶关联模型比较87

6.3.6 颗粒碰撞弹性恢复系数影响91

6.3.7 气体表观速度的影响94

6.3.8 颗粒质量流率的影响97

6.4 本章小结102

7流化床内燃烧过程特性的模拟103

7.1 引言103

7.2 流化床洁净煤燃烧特性分析103

7.2.1 煤颗粒燃烧过程反应模型103

7.2.1.1 煤热解反应模型104

7.2.1.2 碳燃烧反应模型105

7.2.1.3 挥发分燃烧反应模型106

7.2.1.4 NOx排放过程反应模型107

7.2.1.5 脱硫过程反应模型110

7.2.2 模拟工况及条件111

7.2.3 模拟结果与Topal等实验数据对比112

7.2.4 煤颗粒燃烧过程瞬时结果分析114

7.2.4.1 瞬时浓度与速度分布114

7.2.4.2 瞬时颗粒相组分质量分数分布116

7.2.4.3 瞬时气相组分摩尔分数分布117

7.2.4.4 瞬时气相与颗粒相温度分布121

7.2.5 煤颗粒燃烧过程时均结果分析123

7.2.5.1 时均浓度与速度分析123

7.2.5.2 时均颗粒相速度脉动二阶矩分析125

7.2.5.3 时均颗粒相雷诺应力型二阶矩分析128

7.2.5.4 时均碳燃烧结果分析130

7.2.5.5 时均挥发分燃烧结果分析132

7.2.5.6 时均NOx排放结果分析135

7.2.5.7 时均脱硫结果分析138

7.2.5.8 时均气相与颗粒相温度分析141

7.3 煤-生物质混合燃烧特性分析143

7.3.1 模拟工况及条件143

7.3.2 单纯煤燃料模拟结果及分析144

7.3.3 煤与稻壳混合燃烧模拟结果及分析150

7.4 循环流化床反应器二氧化碳捕集特性分析152

7.4.1 模拟工况及条件152

7.4.2 实验对比153

7.4.3 模拟结果分析与讨论154

7.5 本章小结156

8流化床内气化过程特性的模拟158

8.1 引言158

8.2 Gerber等的生物质气化过程模拟研究158

8.2.1 生物质气化过程反应模型158

8.2.1.1 生物质热解反应模型159

8.2.1.2 焦油热解反应模型160

8.2.1.3 水气转换反应模型160

8.2.1.4 燃气氧化反应模型161

8.2.1.5 碳的气化反应模型161

8.2.2 模拟工况及条件162

8.2.3 模拟结果与Gerber等实验对比165

8.2.4 生物质气化过程瞬时结果分析166

8.2.4.1 初始流化特性分析166

8.2.4.2 瞬时浓度分布171

8.2.4.3 瞬时气相组分摩尔分数分布172

8.2.4.4 瞬时气相与颗粒相温度分布178

8.2.5 生物质气化过程时均结果分析180

8.2.5.1 时均浓度与速度分析180

8.2.5.2 时均颗粒相速度脉动二阶矩分析184

8.2.5.3 时均气相与颗粒相雷诺应力型二阶矩分析189

8.2.5.4 时均焦油热解过程分析192

8.2.5.5 时均燃气氧化分析193

8.2.5.6 时均碳颗粒燃烧和气化过程分析198

8.2.5.7 时均气相与颗粒相温度分析202

8.3 Loha等的生物质气化过程模拟研究203

8.3.1 模拟工况及条件203

8.3.2 与Loha等实验结果的对比204

8.3.3 流动特性分析205

8.3.3.1 床料流动模型分析瞬时特性205

8.3.3.2 颗粒速度分布时均特性207

8.3.4 反应模拟结果分析208

8.3.4.1 瞬时气相各组分浓度分布208

8.3.4.2 时均气相各组分浓度分布210

8.3.4.3 生物质颗粒浓度分布与温度场的关系210

8.3.4.4 化学反应速率分布212

8.3.5 不同生物质气化模拟结果及分析213

8.4 本章小结215

参考文献217

附录 气相亚格子湍动能方程的推导过程234