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《超临界CFB锅炉气固流动均匀性研究取得新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2020-08-18

  • 循环流化床（CFB）锅炉作为一项洁净煤燃烧技术，具有燃料适应性广、负荷调节能力强、污染物排放控制成本低等优点，在工业生产和电力行业得到广泛应用。随着CFB锅炉容量扩大，炉膛内的烟气和颗粒的量增加，受制造工艺、分离效率和烟气处理量等因素的制约，大型CFB锅炉一般采用多个旋风分离器并联布置结构。然而，多个旋风分离器并联布置的循环回路之间存在气固流动不均匀现象，使得锅炉内温度偏差增大、燃烧效率降低、脱硫脱硝成本增加。

    　　为了提高CFB锅炉循环回路之间气固流动的均匀性，项目组利用多旋风分离器并联布置的CFB冷态试验装置，研究获得了旋风分离器布置和炉膛切角等结构参数对循环回路之间颗粒质量流率分布均匀性的影响规律，优选出一种有助于提高循环回路之间颗粒质量流率分布均匀性的旋风分离器布置方案，并将该方案应用于350MW超临界CFB锅炉的方案设计中。通过数值模拟，在1:1尺度下，对采用该优选方案和传统方案的350MW超临界CFB锅炉的气固流动均匀性进行了对比研究，如图1所示。研究结果表明：采用该优选方案的350MW超临界CFB锅炉的循环回路之间颗粒质量流率的相对偏差低于采用传统方案的350MW超临界CFB锅炉，该优选方案提高了350MW超临界CFB锅炉的循环回路之间颗粒质量流率分布的均匀性。

    　　CFB锅炉循环回路之间气固流动的均匀性将直接影响温度分布的均匀性，进而影响锅炉运行的经济性和安全性。项目组在应用该优选方案和传统方案的350MW超临界CFB锅炉上研究了旋风分离器布置方案对循环回路之间温度分布均匀性的影响，如图2所示。研究结果表明：采用该优选方案的350MW超临界CFB锅炉的旋风分离器入口的烟气温度偏差和返料器中的循环灰温度偏差均低于采用传统方案的350MW超临界CFB锅炉，该优选方案有助于提高循环回路之间温度分布的均匀性。

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  • 《研究所在超临界能源系统研究方面取得重要进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-09-10
    • 近日，由中国科学院工程热物理所储能研发中心陈林研究员主持编辑的超临界流体能源系统方面的英文专著《Handbook of Research on Advancements in Supercritical Fluids Applications for Sustainable Energy Systems》(两卷本)顺利在美国IGI Global出版社出版。该书是国际上第一部关于超临界流体应用于能源化工系统方面的专著，是由中国科学家领衔、各国权威专家通力合作的成果。它的出版显示了已中国科学院工程热物理所为代表的中国科研机构在该领域的重要研究实力和国际影响力。近年来，工程热物理所在该领域的重点方向上，特别是在大型跨临界设备、布雷顿循环及电力循环中适用的紧凑式超临界换热器设计、超临界系统装备制造、超/近临界环境化工过程中取得了一系列创新成果，成为中国科学院在超临界流体战略技术的重点突破方向之一。 　　超临界流体技术凭借其在能源动力领域的重大潜力，被称作是下一代“战略技术”。以布雷顿循环为代表的超临界动力循环及高温热利用等技术近年来在国际上已成为前沿热点，并逐步从基础数据积累进入到兆瓦级商业系统开发的阶段。不仅如此，流体在跨越临界区域时的相变过程和机理研究对许多关键领域的突破都十分重要，如超临界发电、太阳能热利用、新一代核能系统、航空航天工程、规模化储能、精细化工及材料工程等。具体而言，绝大多数跨临界热力和化工系统都需要面对流体跨越临界区域发生相态转变的过程。特别是在靠近热力工质临界点附近区域，由于流体热物性的强烈非线性震荡所引起的一系列复杂热力过程，是影响跨临界和超临界系统稳定性和能量转化、存储效率的关键因素。 　　该书共包含四个板块共22章，汇集了国内外在超临界流体领域的代表性团队近年来的系列研究成果，系统介绍了超临界流体热物理基础理论、小尺度对流传热及器件设计、超临界和跨临界热力循环系统设计以及超临界流体在代表性能源动力系统中应用等。该书的出版获得了包括来自法国巴黎高等物理化工学院(居里夫妇的母校)的Daniel A. Beysens教授、日本同志社大学Hiroshi Yamaguchi教授、东京大学Eiji Hihara教授、俄罗斯科学院Yuri A. Zeigarnik教授和Vladimir I. Anikeev教授、加拿大安大略理工大学Igor Pioro教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Thomas Schulenberg教授等专业领域国际学术权威的大力支持。同时，该书也包含了来自西安热工研究院、中国核动力研究设计院、重庆大学及中国科学院工程热物理研究所等国内领先团队的研究成果。日本京都大学Akira Onuki教授应邀为本书撰写序言并指出本书“汇集了最优秀的学者”、并且“是超临界流体领域非常及时而且重要的著作，因为它包含了从流体基础到能源系统应用等几个极其重要的课题”。 　　超临界流体领域的核心难点在于流体跨越临界区域时的相态变化及能质传递机制，是亟待突破的前沿领域。陈林研究员近年来的工作集中于这一特殊流体参数区域的热力学分析。这一区域内流体跨临界过程中同时受到热-声作用的影响，表现为密度、比热容及其他参数独特的演化特性。本书第3章介绍了我所团队在微小通道内超临界CO2流体流动传热特性方面的结果。在微通道等受限制的几何条件下，流体气相、液相和超临界相之间的相态相互转化过程对外部参数条件、变化的始-终路径以及流体特殊的热物理性质参数具有较大的依赖。通过构建微小通道内瞬态热扰动模型，研究团队获得了超临界流体的小尺度反馈规律并进一步总结了超临界流体微尺度热-机械作用产生扰动强化和换热强化的机制。本章的研究中将其归结为可压缩流体微槽道Kelvin-Helmholtz流动不稳定性，为进一步理解微尺度下超临界流体流动传热稳定性问题提供了新思路。 　　另外，在超/跨临界热力系统研究中，往往具有高热流密度、大温差区间和复杂对流情景，使得临界区域流体传热与相变过程细节掩盖在临界区域震荡和对流传热不稳定现象当中。本书第5章介绍了陈林研究员和印度理工学院P.K. Basu教授合作针对局部浮力效应与热加速现象对超临界区域流动换热，特别是湍流流动换热的影响。本书第7章介绍了工程热物理所团队进一步针对该问题在超临界流体自然循环及其在能源系统中基础传热和循环流动规律的探索：在国际上首次揭示了密闭回路中近临界流体自然对流流动、传热稳定性的规律及机制和预测关联式，在此基础上提出了稳定性反馈、安全控制及优化管理方法。 　　近期，陈林研究员正集中于发展多相位重构激光测试等方法用于超临界系统的高精度定量测量方面(近期论文Kanda & Chen, et al. Int. Commu. Heat Mass Transf., 89, 2017, pp. 57-63; Chen et al., Int. J. Heat Mass Transf., 155, 2020, 119684; Tran and Chen, ASME - J. Fluids Eng., 142(11), 2020, 111503)，期望通过对超临界流体界面传递的可视化研究，进一步解决跨临界系统机理“看不清”、“测试难”的课题。 
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  • 《研究所在循环流化床气固流动研究方向取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-05-11
    • 循环流化床煤粉气化燃烧过程是一个复杂的多尺度气固流动过程，为了保证系统安全、稳定和高效运行，要对反应器内部气固两相多尺度流动特性进行深入的机理研究，组织合理的颗粒浓度分布，使煤粉颗粒和空气或氧气之间有良好的接触面积和反应时间，以便提高系统运行效率和对过程进行调控。 　　针对循环流化床内部复杂的气固流动，工程热物理所循环流化床实验室开展了基于流体计算和过程层析成像相结合的复杂流动过程研究，研究了煤粉气化过程反应器及气固分离系统内部气固两相多尺度流动特征。数值计算采用MP-PIC方法，基于CPFD计算平台，嵌入EMMS曳力模型。通过三维全循环数值计算分析，获取了反应器内部气固多尺度运动特性，揭示复杂气固流场特性分布及颗粒循环流率变化特性。实验研究通过电容层析成像（ECT），微波多普勒（Microwave Doppler）、压力和光纤信号，结合信号互相关理论，对料腿内颗粒分布状况进行在线实时监测，通过双层电极同步测量和相关性分析，得到颗粒平均流速与循环流率；通过多模式融合测量和数据融合分析，为反应器不同区域提供固体颗粒浓度、速度、压力分布信息；分析获得了循环流化床气固多尺度流动特征。基于计算与测量的融合，获得了复杂炉流动结构下反应器之间固体颗粒质量分配规律，为煤粉气化过程设计和大型化提供在线监测工具和和实验数据库。 　　研究结果表明：数值计算结果可较好地反映流化床加压气固流场特性；颗粒体积分数及速度分布可反映出颗粒经过四个区域的循环状态；床内压降主要集中在底部密相区，要对压力信号进行频域分析需将芯管内外压力信号分别分析；EMMS曳力模型能够准确预测压力和固体浓度径向分布，但在固体通量预测上，较实验值偏低，今后将在模型上开展更深入的研究。通过该研究，得到了加压气固全循环回路详细动力学特征参数分布，包括循环回路压力平衡和密相区颗粒分布特征等关键参数的变化，实现了加压气固返料流率的非侵入式在线测量，为循环流化床加压气化的工业设计提供了重要参数数据。 　　上述研究率先在国际上开展了加压气固流动过程层析成像和CPFD数值计算研究，将电容层析成像、微波多普勒和数值计算融合，实现加压复杂气固流动过程在线测量。研究成果应邀分别在国际流态化化会议(International Conference on FLUIDIZATION XVI, Guilin, China – Keynote speaker)和国际能源会议(Energy Engineering and Powder Technology International Conference, Krakow, Poland – Plenary Speaker)做邀请报告2次。并受国际期刊 Applied Thermal Engineering邀请，撰写气固流动过程层析成像测量综述文章一篇，文章标题“Application of electrical capacitance tomography in circulating fluidised beds – A review” (10.1016/j.applthermaleng.2020.115311)。研究成果分别发表在Powder Technology(10.1016/j.powtec.2020.02.047)、Particuology(10.1016/j.partic.2019.05.002, 10.1016/j.partic.2019.11.003)、Measurement Science and Technology(10.1088/1361-6501/aafd7e)、Transaction of Institute on Measurement and Control(10.1177/0142331219851913, 10.1177/0142331218808857)等期刊上。 　　上述研究得到国家自然科学基金项目(61771455和61811530333)、科技部重大科研仪器项目(2018YFF01013801)、中国科学院重点对外合作项目、英国皇家学会牛顿高级学者基金（Royal Society Newton Advanced Fellowship-NA170124)的资助。
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