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1、华中科技大学 硕士学位论文 化学链燃烧系统设计与计算流体力学模拟 姓名：张少华 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：赵海波;郑楚光 2011-01-05 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 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
2、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，A
3、R 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，
4、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。 关键词：化学链燃烧 二氧化
5、碳减排 串行流化床设计 数值模拟 甲烷 氧化铁 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract CO2 as the main greenhouse gas, increasingly affecting the changes in global climate and ecological environment, and threaten the survival environment of human, also take troubles to the social economic development.
6、Chemical looping combustion as a new technology which is low energy consumption and low pollution to achieve the high concentration of CO2, take the Fe2O3/Al2O3 as oxygen carriers, creat a detailed system design method for the chemical looping combustion system, and get the key design parameters of
7、the serial fluidized bed reactor, use the fluid dynamic similar theory, designed and built a cold model of the thermal experimental facility, and researched the system stability, pressure balance and fluid dynamics of the colde model. And based on the fluid dynamic software(Fluent), studied on the c
8、old and thermal simulation for the designed system, and that is useful for the design parameters slection. A fast fluidized bed and bubble fluidized bed reactor are respectively as the Air Reactor and the Fuel Reactor, based on chemical kinetic balance, mass balance, pressure balance, fluid kinetic
9、analysis, got a more comprehensive design program, improved the existing design theory for the serial fluidized bed system. According to the fluid kinetic similarity, design a cold model test bench correspond to a thermal CLC system about 40kW, ARs height and diameter are respectively equal to 2.2m
10、and 0.1m, FRs height and diameter are respectively equal to 0.39m and 0.2m, and take the quartz sand as the recyclable materials that the particle density and diameter are respectively equal to 2917kg/m3 and 0.213mm. When AR and FRs bed materials are respectively equal to 3.2kg(the bed material heig
11、ht about 0.24m), 5.34kg(the bed material height about 0.11m), the fluid wind speed of AR and FR are respectively 1.82.4m/s(about 11.3ut), 0.180.22m/s(about 4.255.19umf), the Loopseals fluid wind speed, loosen wind speed, side wind speed are respectively 14umf, 0.52.5umf, 0.51.0umf, it can meet the d
12、esign conditions, and proved the scheme is feasible. Based on the Fluent6.3.2, the cold simulation shows that, for AR, when the fluid wind speed equal to 1.5m/s, the axial mean void fraction is about 0.945, it showed as the 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III fast fluidized bed. When
13、 the fluid wind speed equal to 0.8m/s, it showed as the turbulent fluidization, and be consistent to the bed cold Test of axial pressure drop; for FR, when the wind speed equal to 0.150.2m/s, the mean axial void fraction is about between 0.572 to 0.629 that it is consistent with the theoretical desi
14、gn. As the Eulerian model for the FRs chemical kinetic simulation, the result shows, CH4 partial pressure and temperature are the main factors to affect the reaction rate, the greater of the partial pressure and the higher of the temperature, the greater of the reaction rate. The grater of the fluid
15、ization velocity and the more air bubbles in the fluidized bed, the greater of the void fraction. When the wind speed is between 0.2m/s to 0.25m/s, the bed void fraction is varied from 0.68 to 0.73, In addition, with the increase of partial pressure, the generated gases will dilute the fuel gas, and
16、 it will be affect the reaction rate. Keywords: Chemical looping combustion Carbon dioxide constrained Serial fluidized bed design Numerical simulation Methane Iron oxide 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检
