摘要：本文对华中科技大学自主设计的50 kWth化学链燃烧双循环流化床进行全床尺度的计算颗粒流体力学（CPFD）模拟。CPFD提供了反应器内气固流动和化学反应的详细信息,不仅是对实验难以测量的细节信息的补充,而且可用于优化实验操作条件和指导反应器设计优化和放大。该实验装置以天然赤铁矿为氧载体,以煤为燃料。首先对床内气固两相反应流动进行分析,比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度,验证了CPFD模拟的可靠性。之后重点分析反应器间的固体循环流量、系统压力分布、固相浓度分布、煤转化过程关键信息。最后基于模拟分析,提出了优化操作工况,模拟结果显示可提高CO2气产率和燃烧效率。本文结果表明CPFD模拟可为化学链燃烧反应器的设计和运行提供重要的参考依据。

摘要：针对化学链燃烧反应器,特别设计了双循环流化床反应器。提出“鼓泡流化床/湍动流化床+提升管”的设计,通过提升管提供颗粒循环的动力,调整2个流化床反应器(空气反应器和燃料反应器)的流化气速以分别控制反应器的固体循环流量;提出双向流动密封阀的设计,形成对固体循环流量和床料量分布的柔性控制。建立了全尺寸双循环流化床冷态实验装置,并进行了连续稳定的冷态运行,实验研究了不同运行操作条件对反应器性能的影响。实验结果表明,流动密封阀内压力差范围在955~1834 Pa,固体循环流量范围在0.27~0.38 kg/s,双循环流化床之间的气体泄漏率为0.10%~0.22%。冷态实验提供了流体动力学参量,并验证了设计的可行性。

摘要：采用"湍动床+快速床"作为煤基化学链燃烧(CLC)系统的空气反应器(AR),鼓泡床作为燃料反应器(FR),设计了流动密封阀和旋风分离器,分别用于隔绝2个反应器之间的气氛和进行气固分离,在冷态试验装置上分析研究了CLC系统的压力分布、固体循环流量、气体泄漏率及煤灰与循环载体的分离效果.结果表明:该串行流化床反应器之间气氛隔绝性良好,气体泄漏率较低,固体循环流量达到甚至超过设计标准,FR二级旋风分离器的分离效率接近100%,FR中煤灰进入AR的质量分数小于1.55%,煤灰分离效果良好;装置可以长时间连续稳定运行,且操作气速范围较广,自行设计建造的循环流化床作为煤基化学链燃烧试验装置是可行的.

摘要：基于商业软件Fluent对自行搭建的5,k Wth级化学链燃烧串行流化床进行全床计算流体力学(CFD)模拟.以天然赤铁矿为氧载体,以CH4为燃料,对床内气固两相反应流动的细节信息进行了分析,气相组分出口浓度模拟结果与实验结果基本吻合.基于以上的模拟分析,通过改变模拟工况进行计算,初步指导了实验的进行.以上过程体现了CFD模拟可为CLC系统的设计和运行提供重要的参考依据.

摘要：在新设计的串行流化床反应器系统中,采用天然赤铁矿作为氧载体进行了连续CH_4化学链燃烧实验.研究了在不同反应温度(900,℃、950,℃、1,000,℃)、不同热功率(1.00,k Wth、1.25,k Wth、1.50,k Wth)时燃料反应器对CH_4转化率及CO_2气产率的影响.对新鲜和反应后的赤铁矿氧载体的比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)的表征测试表明:表面轻微的烧结和磨损导致使用过的氧载体比表面积有所下降;氧载体仍保持多孔结构,有利于其与燃料气体之间的充分接触和反应;氧载体颗粒之间没有团聚现象.对新鲜样品和连续运行100,h后的样品在TGA上进行载氧能力测试,结果表明,连续运行100,h后的氧载体载氧能力保持良好.CH_4化学链燃烧串行流化床连续运行实验验证了反应器设计和运行的可行性,同时也证明该种赤铁矿是实现化学链燃烧比较理想的氧载体.