摘要
富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一，将传统的空气燃烧模式变革为O2/CO2燃烧，从而使烟气中CO2浓度大大提高，有利于后续封存和利用。煤与生物质混合燃料的流化床富氧燃烧，综合了生物质生长对CO2的吸收和富氧燃烧CO2的捕集，被认为是有望实现CO2负排放的清洁燃烧新技术，受到学术界和工业界的重要关注。过去十年，流化床富氧燃烧研究取得重要进展，但针对混合燃料(如煤与生物质混合)的研究还非常有限，很多关键基础问题尚不明确。本文通过实验和数值模拟，研究了煤、煤和生物质混合燃料在富氧、流态化条件下的燃烧特性。 构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统(反应器内径10mm，燃烧温度700℃-900℃)，探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法，以烟煤和花梨木为对象，研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为，重点考察了煤与生物质质量比、燃烧气氛、氧浓度、燃烧温度对CO2强度谱峰曲线形态、反应持续时间、烟气中富集CO2体积浓度、颗粒燃烧产生CO2量、CO2相对生成率、NO生成等特性的影响。 发展了适合于煤/生物质流态化富氧燃烧、气固流动与化学反应耦合的三维数理模型和数值模拟方法。基于多相流质点网格方法建立欧拉-拉格朗日框架下的三维数理模型：采用LES模型描述气相的湍流行为，采用离散颗粒方法描述颗粒项运动；化学反应考虑了挥发分析出及燃烧、焦炭燃烧、污染物产生；气固流动与化学反应的耦合通过设置连续性方程、动量方程、能量和组分输运方程的源项实现。设计了科学的数值模拟验证策略，从气固流动结构、关键产物CO2富集动态过程两个方面，定性和定量地验证了模型的正确性和准确性。 揭示了煤/生物质流化床燃烧参量场分布和时空演化规律，并阐明了其与流动结构的内在关联。通过开展煤、煤和生物质混合流化床富氧燃烧的大量数值模拟，获得了流态化、富氧条件下燃烧的动态特性，解析了燃烧参量场(气固流场、温度场、组分场)的分布和时空演化规律，分析了CO2、SO2和NO谱峰曲线的特征(峰形、峰高、峰宽、峰持续时间等)，探讨了其与流动结构的关系。 论文的研究，丰富了机理实验和数值模拟研究手段，获得了流态化富氧燃烧特性数据，充实了流化床富氧燃烧基础理论，可为发展煤/生物质流化床富氧燃烧捕集CO2技术提供有益参考。
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