木屑在富氧燃烧过程中着火的实验与模拟研究

作     者：李阳光 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹春

授予年度：2019年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：O2/CO2气氛 着火机理 滴管炉 数值模拟 

摘      要：化石燃料燃烧所导致的的温室效应已成为人类亟待解决的关键问题之一。由于CO是主要的温室气体,作为碳捕捉与封存(Carbon Capture and Storage)技术之一的富氧燃烧(oxy-combustion)被认为是极具有前景的控制燃煤电站CO排放的技术。另一方面,生物质能源具有可再生、清洁、来源丰富和价格低廉等优点,正受到研究者广泛关注。由于生物质的光合作用是吸收CO释放O,因此oxy-biomass燃烧可以实现CO“负排放。一些研究者对生物质在空气和O/CO气氛下着火/燃烧特性进行了大量的实验研究。本文使用实验与数值模拟相结合的方法对木屑在O/CO气氛下的着火特性进行了研究。实验在自主搭建的滴管炉中进行,使用高速摄像仪来记录木屑在不同O浓度下的着火过程。通过数字图像处理技术对着火图像分析,结果表明,oxy-fuel气氛下木屑颗粒的着火距离随着O浓度的增加而减小,当O浓度超过50%后着火距离几乎保持不变,这是由于O浓度超过50%后着火机理由之前的均相着火转变为联合着火。均相着火中,存在帽形火焰与包络型火焰两种火焰结构。非均相着火火焰灰度PDF分布在着火初期存在不连续,焦引燃挥发分后PDF分布重新恢复连续。在数值模拟研究中,使用fluent 15.0加载详细的着火机理预测木屑颗粒在不同O浓度下的着火距离和着火机理。研究表明,数值模拟预测得到的着火距离与实验值吻合良好。木屑在O浓度低于50%为均相着火,O浓度等于50%时为非均相着火,O浓度大于50%时为联合着火,与实验的观测结果一致。木屑富氧燃烧中非均相着火/联合着火的着火距离与O浓度关系不明显。O浓度增大着火机理由均相着火变为联合着火的原因是挥发分燃烧速率的降低和生物质燃烧速率的增加。在均相着火过程中,着火发生后的某个时刻,生物质燃烧速率会超过生物质脱挥发分速率,即会发生生物质自身燃烧的过程,没有出现挥发分燃烧与木屑焦着火之间的空档期;在非均相着火中,着火过程初期是由焦燃烧占主导,焦的燃烧引发挥发分与生物质自身的着火。