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Simulation of gas-solid flow characteristics of the circulating fluidized bed boiler under pure-oxygen combustion conditions

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2024年第6期70卷 9-19页

作者： Kaixuan Gao xiwei ke Bingjun Du Zhenchuan Wang Yan Jin Zhong Huang Yanhong Li Xuemin Liu key Laboratory of Special Equipment Safety and Energy-Saving for State Market Regulation China Special Equipment Inspection&Research InstituteBeijing 100029China Department of Energy and Power Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China School of Electrical and Power Engineering Taiyuan University of TechnologyTaiyuan 030024China

Under the pressure of carbon neutrality,many carbon capture,utilization and storage technologies have witnessed rapid development in the recent years,including oxy-fuel combustion(OFC)***,the conventional OFC technology usually depends on the flue gas recirculation system,which faces significant investment,high energy consumption,and potential low-temperature corrosion *** these deficiencies,the direct utilization of pure oxygen to achieve particle fluidization and fuel combustion may reduce the overall energy consumption and CO_(2)-capture *** this paper,the fundamental structure of a self-designed 130 t·h^(-1) pure-oxygen combustion circulating fluidized bed(CFB)boiler was provided,and the computational particle fluid dynamics method was used to analyze the gas-solid flow characteristics of this new-concept boiler under different working *** results indicate that through the careful selection of design or operational parameters,such as average bed-material size and fluidization velocity,the pure-oxygen combustion CFB system can maintain the ideal fluidization state,namely significant internal and external particle ***,the contraction section of the boiler leads to the particle backflow in the lower furnace,resulting in the particle suspension concentration near the wall region being higher than that in the center ***,the upper furnace still retains the classic core-annulus flow *** addition to increasing solid circulation rate by reducing the average bed-material size,altering primary gas ratio and bed inventory can also exert varying degrees of influence on the gas-solid flow characteristics of the pure-oxygen combustion CFB boiler.

关键词： Circulating fluidized bed Pure-oxygen combustion Gas-solid flow characteristics Simulation CO_(2)capture

Progress of circulating fluidized bed combustion technology in China:a review

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Clean Energy 2017年第1期1卷 36-49页

作者： Runxia Cai xiwei ke Junfu Lyu Hairui Yang Man Zhang Guangxi Yue Wen Ling Department of Thermal Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China Shenhua Group Co.Ltd. Beijing 100011China

Circulating fluidized bed(CFB)technology plays an important role in the utilization of low-grade coal in *** article reviews CFB combustion technology development in China and summarizes recent *** 1990 Chinese engineers and researchers have been undertaking work to improve CFB boiler technology.A completely novel CFB boiler design theory was developed and used in the domestic manufacturing of CFB boilers with various *** is the largest supplier and customer of CFB boilers in the world due to the widespread use of CFB *** 2007,the lower energy consumption CFB technology was successfully developed by re-specifying the fluidization state,which reduced the power consumption of forced fans and solved the potential erosion problems on the water ***,in order to increase the electric power generation efficiency,the supercritical CFB(SCCFB)boiler was developed and the first 600 MW SCCFB boiler was demonstrated and put into commercial operation in *** success of the technology is evident with over 80 SCCFB boilers on order with capacities of 350 MW to 660 *** scientists and engineers are also developing technology to lower the emissions of CFB combustion to meet the requirements of China’s strict emission *** emission reduction is through high-efficiency desulfurization by limestone injection into the furnace and low NOx combustion,ultra-low emission of SO2 and NOx in the furnace can be realized by improving the bed quality and increasing the solid circulation *** is currently further research and design development being undertaken to develop a 660 MW ultra-supercritical CFB(USCCFB)*** new boiler is expected to be operational before 2020 resulting in higher efficiency and lower energy consumption and emissions.

关键词： circulating fluidized bed(CFB) progress supercritical low electric consumption ultra-low emission supercritical CFB(SCCFB)

基于动态平衡预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸分布

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化学反应工程与工艺 2016年第5期32卷 445-454页

作者：柯希玮刘道银闫珂陈晓平东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室江苏南京210096

准确预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸对研究纳米颗粒流化具有重要意义。鉴于目前文献中主要根据力平衡模型得出聚团尺寸平均值,然而聚团尺寸实际呈宽筛分分布,本工作从动态平衡角度,采用分子动理论中麦克斯韦气体速率分布律类比流化床内... 详细信息

准确预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸对研究纳米颗粒流化具有重要意义。鉴于目前文献中主要根据力平衡模型得出聚团尺寸平均值,然而聚团尺寸实际呈宽筛分分布,本工作从动态平衡角度,采用分子动理论中麦克斯韦气体速率分布律类比流化床内聚团速度分布,建立基于微观作用力的聚团解聚—重聚模型,并用以预测纳米颗粒流化床内聚团尺寸分布。通过比较聚团间结合力和分离力的相对大小,判断聚团结合和破碎;在分离力中,碰撞力起着至关重要的作用,且与聚团相对运动速度关系密切。预测结果显示,纳米颗粒流化床内聚团尺寸呈现卡方分布。将模型预测值和文献中的实验数据进行对比,包括TiO_2、Ni、SiO_2等颗粒的团聚尺寸,发现大部分偏差在20%以内。

关键词：纳米颗粒聚团流化床聚团尺寸分布模型预测

基于PC-CFB的磨煤机分离器产品细度数值模拟

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第11期54卷 4531-4538页

作者：尚曼霞姚禹歌柯希玮周托黄中清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

为提高磨煤机产品细度、满足粉煤循环流化床(powdered coal-circulating fluidized bed,PC-CFB)对入炉煤粒度的要求,应用稠密离散相模型(dense discrete phase model,DDPM)和颗粒流动力学理论(kinetic theory of granular flow,KTGF)的四向耦合方法,对ZGM80型磨煤机分离器内部的气固流动进行计算。首先,通过计算流场获得分离器内部的速度矢量分布;然后,加入颗粒,研究颗粒在分离器内部的运动行为以及时空分布;最后,对不同通风量下分离器的溢流产率进行计算,获得拆除挡板后分离器的通风特性关系式。研究结果表明:拆除分离器挡板,气体进入分离器内锥体后产生的旋转流动被削弱,切向速度较小,低于8 m/s;颗粒在分离器内粒度分层现象明显,细颗粒上升速度明显比粗颗粒的大。当t=0.6 s时,返料出口开始有颗粒排出;t=5.0 s时,产品与返料2个出口的颗粒质量流率均达到稳定状态,且产品出口粒度分布满足PC-CFB技术的要求。

关键词：粉煤循环流化床磨煤机分离器细度 DDPM 通风特性

粉煤循环流化床锅炉0~1 mm制粉系统开发与热力计算方法

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1560-1566页

作者：尚曼霞姚禹歌柯希玮周托黄中清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

为实现粉煤循环流化床(powdered coal-circulating fluidized bed,PC-CFB)的0~1 mm给煤,借鉴传统煤粉锅炉制粉系统的设计及计算经验,开发PC-CFB锅炉0~1 mm制粉系统,其特征为采用中速磨煤机制备粉煤,利用气固分配器分离制粉乏气与粉煤的... 详细信息

为实现粉煤循环流化床(powdered coal-circulating fluidized bed,PC-CFB)的0~1 mm给煤,借鉴传统煤粉锅炉制粉系统的设计及计算经验,开发PC-CFB锅炉0~1 mm制粉系统,其特征为采用中速磨煤机制备粉煤,利用气固分配器分离制粉乏气与粉煤的混合物,并设置备用系统以保证系统发生故障时的正常燃料供应。提出0~1 mm制粉系统的热力计算模型,确定磨煤机通风量、干燥剂配比以及干燥剂温度等关键技术指标,预测制粉系统干燥出力,并分析PC-CFB锅炉0~1 mm制粉系统的性能变化规律。研究结果表明:保持磨煤机出力、热风温度不变,在系统允许的范围内降低磨煤机出口温度,有利于降低干燥剂量,提升干燥出力;磨煤机出口温度每降低1℃,制粉系统所需的干燥剂量减少约523 m3/h,干燥出力增加约0.4 t/h。

关键词：粉煤循环流化床 0~1 mm粉煤制粉系统热力计算

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烧结烟气的循环流化床焚烧处理方法

煤炭学报 2024年第10期49卷 4051-4059页

作者：沈宇帆韩诚良柯希玮张扬张杨鑫张海吕俊复清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 北京怀柔实验室北京101499 怀柔实验室山西研究院山西太原030032 清华大学山西清洁能源研究院山西太原030032

烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气,含NO_(x)、SO_(2)、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理,既能有效资源化利用废气中CO和余氧,又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境,将... 详细信息

烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气,含NO_(x)、SO_(2)、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理,既能有效资源化利用废气中CO和余氧,又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境,将烧结烟气中SO_(x)和NO_(x)等污染物与燃煤产生的污染物一并去除,有望成为高效的烧结烟气一体化污染物处理技术。然而,目前燃煤循环流化床燃烧背景下烧结烟气中二噁英、挥发性有机物等污染物脱除的研究尚不足。针对该问题,先通过化学反应动力学模拟,研究烧结烟气作为助燃剂燃烧过程,发现燃烧过程中产生的氢等自由基在二噁英分解过程中发挥重要作用,燃烧反应温度提高能显著促进二噁英及挥发性有机物的脱除,而燃尽烟气的余氧量降低对二噁英的脱除也有较显著促进作用。通过计算颗粒流体动力学的方法,模拟以烧结烟气为助燃剂的燃煤循环流化床锅炉运行情况,发现燃烧过程流态化情况好,烧结烟气中低浓度CO基本燃尽,旋风分离器出口CO质量浓度约100 mg/m^(3),燃烧温度达到去除污染物的要求,验证了将烧结烟气作为燃煤循环流化床锅炉中助燃剂的可行性。在唐山某钢铁企业开展了烧结烟气的循环流化床焚烧方法工程验证,测试发现低低温省煤器出口处烟气二噁英脱除率超过99.5%,低至0.0057 ng TEQ/m^(3),CO质量浓度低至108 mg/m^(3),此外烟气中NOx和SO2质量浓度低至38、24 mg/m^(3),满足超低排放要求。工程验证证实循环流化床烧结烟气一体化焚烧处理技术有效。

关键词：循环流化床烧结烟气焚烧处理二噁英污染物治理

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制焦条件对煤焦燃烧反应性的影响

煤炭学报 2020年第2期45卷 793-801页

作者：柯希玮陈陆剑张缦吴玉新张海吕俊复清华大学能源与动力工程系

煤的反应中绝大部分化学能在焦炭反应阶段释放或转化,相关研究中采用多种方法在不同环境条件下制焦以进行后续研究,而煤焦反应性又受热解条件影响很大。为研究制焦条件对煤焦燃烧反应性的影响,本文在不同热解温度下分别采用马弗炉、管... 详细信息

煤的反应中绝大部分化学能在焦炭反应阶段释放或转化,相关研究中采用多种方法在不同环境条件下制焦以进行后续研究,而煤焦反应性又受热解条件影响很大。为研究制焦条件对煤焦燃烧反应性的影响,本文在不同热解温度下分别采用马弗炉、管式炉和鼓泡床3种方法制焦,利用热重分析法(TGA)比较各焦样的燃烧反应性,并借助化学渗透析出(Chemical Percolation Devolatilization,CPD)模型和单颗粒传热模型,对各条件下煤颗粒的热解进程,如颗粒温度、挥发分析出总量、残余旁链结构份额等随时间变化规律进行了模拟。主要内容包括:①实验结果表明,热解环境温度越高,煤焦着火延迟,燃烧反应性越低,即存在"热失活"现象。而从CPD模型计算结果可以看出,热解温度越高,最终析出的挥发分总量越高(煤样工业分析结果也验证了残留在焦炭中的挥发分物质含量随热解温度升高而减小),且残留在碳网中的旁链结构份额越少,反映出酚羟基、羰基、脂肪侧链等的裂解加剧,减少了焦炭表面反应活性位点数量,可能是导致煤焦"热失活"的主要原因之一。另外,对各焦样的孔隙结构测量表明,热解温度越高,微孔与中大孔的相对比例逐渐减小,大量微孔相互缩并,导致孔隙直接连通率降低,气体扩散阻力增大,同样不利于焦炭燃烧。②不同制焦方法对煤焦反应性同样存在很大影响,相同热解温度下,鼓泡床、管式炉和马弗炉制得焦样的燃烧反应性依次降低。模型计算表明,马弗炉、管式炉和鼓泡床内煤样升温速率依次增大,煤焦反应性的差异可能与热解升温速率及热解气氛有关。对此,CPD模型尽管反映出热解进程不同,但热解终态3者近似相同,尚无法解释制焦方法对煤焦反应性的影响,还有待后续进一步研究。

关键词：煤焦热解制焦方法燃烧反应性 CPD模型

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循环流化床燃烧低污染排放技术研究展望

中国工程科学 2021年第3期23卷 120-128页

作者：柯希玮蒋苓吕俊复岳光溪清华大学能源与动力工程系北京100084 热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

在污染物排放标准日趋严格、2060年前实现碳中和的背景下,深度挖掘循环流化床(CFB)燃烧技术的低污染排放潜力,进一步提高CFB锅炉的市场竞争力,对于煤炭清洁高效利用、能源转型升级具有重要意义。本文在阐述CFB燃烧污染物排放特性的基础... 详细信息

在污染物排放标准日趋严格、2060年前实现碳中和的背景下,深度挖掘循环流化床(CFB)燃烧技术的低污染排放潜力,进一步提高CFB锅炉的市场竞争力,对于煤炭清洁高效利用、能源转型升级具有重要意义。本文在阐述CFB燃烧污染物排放特性的基础上,分析了主流CFB锅炉低污染排放技术及应用,结合我国能源发展战略和相关政策,提出了CFB燃烧在污染物排放控制技术方面的发展建议。研究认为,需大力开发炉内原始低排放CFB燃烧技术,在保证锅炉效率的前提下,通过流态重构、燃烧组织来突破CFB锅炉污染物排放极限。着眼于煤炭能源长远发展,支持与超临界/超超临界,智能运行,碳捕集、利用与封存,储能等技术高度结合的新一代超低排放CFB燃烧技术研发;加快对现存中小容量CFB锅炉的优化升级;发挥CFB燃烧燃料适应性广的优势,推广生物质燃烧发电,促进对低热值燃料、城市垃圾、各工业废弃物的低成本高效清洁消纳;挖掘CFB锅炉的深度调峰能力并保持低污染排放性能,提高运行灵活性及对新能源的消纳能力;加强CFB燃烧脱硫灰渣的综合利用,关注N2O排放问题。还需从全局角度合理制定污染物排放标准和相关政策,引导包括CFB燃烧在内的能源行业健康发展。

关键词：煤炭清洁利用循环流化床污染控制碳中和燃料适应性新能源消纳

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兰炭循环流化床锅炉燃烧性能模型

洁净煤技术 2022年第6期28卷 143-149页

作者：李静渊柯希玮蒋苓黄中张缦清华大学能源与动力工程系北京100084

兰炭具有挥发分含量低、固定碳含量高的特点,与煤粉炉相比,循环流化床(CFB)锅炉更适合用于兰炭燃烧。为了解兰炭循环流化床(CFB)锅炉的燃烧性能,利用一维循环流化床锅炉模型对兰炭CFB锅炉进行了模拟。通过对比循环灰和底渣的粒径分布模... 详细信息

兰炭具有挥发分含量低、固定碳含量高的特点,与煤粉炉相比,循环流化床(CFB)锅炉更适合用于兰炭燃烧。为了解兰炭循环流化床(CFB)锅炉的燃烧性能,利用一维循环流化床锅炉模型对兰炭CFB锅炉进行了模拟。通过对比循环灰和底渣的粒径分布模型预测与现场取样测量结果,发现二者吻合良好,验证了锅炉整体模型的合理性和准确性。通过模型分析了分离器效率、给煤粒径对兰炭CFB锅炉的影响。模拟结果表明,提高分离器效率使兰炭燃烧更加充分,建议将飞灰中位粒径控制在10μm左右。给煤粒径对兰炭CFB锅炉有重要影响,给煤粒径减小导致燃烧效率略下降,同时NO_(x)排放量明显减少。针对兰炭成灰特性合理设计给煤粒径分布,建议将给煤粒径控制在0.5~6.0 mm为宜。通过与燃烧褐煤的循环流化床进行对比,发现燃烧兰炭时炉内温度高于燃烧褐煤,燃烧效率低于褐煤,SO_(2)和NO_(x)排放量均较低,但仍需通过烟气脱硝来满足污染物排放需求。利用模型的定量研究为兰炭CFB锅炉的运行优化提供了方向。

关键词：兰炭循环流化床一维模型燃烧性能运行优化烟气脱硝