《Advanced Powder Technology》：Computational fluid dynamic simulation of combustion process of pulverized coal char considering heterogeneous regimes
编辑推荐：
煤炭颗粒异质燃烧三维数值模拟研究，采用拉格朗日CFD方法结合MATLAB求解能量方程，分析随机分布粒子对火焰传播的影响。比较均匀与随机分布模型，发现火焰速度随煤炭浓度增加显著提升（10μm颗粒浓度从0.1到1.2kg/m3增幅达95%），而氧气摩尔分数和颗粒尺寸变化也有显著影响。
Sameer Alshehri | Saeed Shirazian
药剂学与工业药学系，泰夫大学药学院，邮政信箱11099，泰夫21944，沙特阿拉伯
摘要
本文对非均相条件下煤焦颗粒的燃烧过程进行了建模。这些颗粒在三维控制体积内随机分布，从而能够研究火焰在非均相介质中的复杂传播动力学。该模型使用MATLAB代码，通过拉格朗日流体动力学（CFD）方法求解每个颗粒的能量方程，实现对火焰传播的精确模拟，包括火焰前沿的形状和位置。这种方法有助于理解含颗粒混合物燃烧的复杂物理机制。为了突出颗粒随机分布的影响，将结果与均匀分布和递减分布的情况进行了比较。此外，还分析了颗粒大小、平均煤焦浓度和氧摩尔分数对平均火焰前沿速度的影响。总体而言，增加煤浓度会提高火焰前沿速度，而减小颗粒大小或增加氧摩尔分数则会增强火焰的平均传播速度。例如，对于颗粒直径为10微米的煤焦粉末，平均浓度从0.1千克/立方米增加到1.2千克/立方米时，火焰前沿速度提高了95%；而对于颗粒直径为100微米的粉尘云，增加幅度约为70%。
引言
全球范围内，多达五分之二的电力生产依赖于煤炭。在某些国家，这一比例甚至更高；例如，在美国这一比例超过50%[1]，在中国则超过70%[2]。另一方面，发电厂约占全球温室气体排放量的40%[3]。2019年，煤炭占能源总消耗量的近22%，并导致了约44%的二氧化碳排放[4]。减少这种污染需要深入研究煤炭的燃烧特性，特别是煤粉在气溶胶悬浮液中的燃烧行为，这对于燃烧器、燃烧室和炉子的最佳设计至关重要[5]。解决这些问题至关重要，因为预计到2030年煤炭仍将是重要的能源来源，尽管可再生能源的比例将逐渐增加（2050年至2070年间减少5-17%[4]）。通过对煤尘云燃烧的动态和热行为进行参数研究，可以提高燃烧效率，减少污染物排放，并为传统燃煤电厂的设计提供依据。这些见解可以通过复杂的实验获得，但这些实验通常耗时且成本较高。由于多相反应流中参数测量的复杂性，只有少数实验研究集中在气固燃烧上[6]。相比之下，数值方法被广泛用于估算煤焦粉末的燃烧速率，希望这种方式更便宜且更快捷[7]。
无论是气相还是颗粒表面，煤颗粒的燃烧都可以通过均相或非均相机制进行[8]。在均相煤颗粒燃烧中，煤的挥发分在煤焦和颗粒点燃之前就达到了着火条件[9]。而在非均相煤颗粒燃烧中，反应发生在煤焦或煤的表面，导致有焰或无焰燃烧[10]、[11]。据报道，含有小颗粒（0-100微米）的煤悬浮液的燃烧主要受非均相机制支配[12]。根据悬浮颗粒的大小，煤尘云燃烧有不同的应用：直径为100微米或更小的煤颗粒用于流化床，而直径小于75微米的煤颗粒则用于锅炉。直径小于10微米的煤悬浮液用于柴油发动机[13]。因此，在许多涉及煤气溶胶燃烧的应用中，颗粒大小通常在0到100微米之间，燃烧过程主要由非均相机制主导。因此，煤颗粒的非均相燃烧在运输和发电等领域非常常见。
Wheeler首次讨论了煤尘云的非均相燃烧[14]。研究发现，对于颗粒较小[15]且挥发性成分较低的煤悬浮液[16]、[17]，非均相机制的作用更为显著。Mitchell通过实验研究了直径在75-125微米范围内的煤焦颗粒的非均相燃烧[18]。此外，还引入了一个分析模型来确定煤焦尘云的燃烧行为。据报道，在1600-1700 K的温度范围内，燃烧产物以非均相形式在颗粒表面形成[19]。Liu等人[19]对煤尘云燃烧进行了实验研究，发现无烟煤的燃烧主要通过非均相机制进行，而烟煤的燃烧机制则取决于实验条件（如氧化剂的质量流量）。Huang等人[20]使用多个动力学模型研究了原煤和煤焦的燃烧，并将结果与实验结果进行了比较。新的WESM模型显示了最佳的准确性。他们的研究主要集中在预热阶段，而没有对火焰动态进行建模。Zhang等人[21]开发了一个瞬态模型来研究煤颗粒的点燃过程，发现小颗粒倾向于非均相点燃，而大颗粒则更倾向于均相点燃。无论是均相还是非均相点燃温度都随着颗粒大小和环境氧浓度的增加而降低。对于直径分别为50微米、100微米和200微米的颗粒，从均相点燃转变为非均相点燃的临界氧分数分别为15%、20%和30%。Bae等人[22]对单个煤焦颗粒的热传递进行了建模，并将结果与实验结果进行了比较。他们的模型考虑了煤焦燃烧过程中的气化过程，并表明在煤焦反应阶段，温度与碳转化率之间的关系遵循指数模型。然而，在模拟煤尘云燃烧时，还必须考虑颗粒之间的相互作用以及颗粒间的热传递。
由于实验研究煤尘云燃烧的挑战性，许多研究集中在单个煤颗粒的燃烧上。这些研究的结果对于开发准确的煤尘云燃烧数值模型至关重要。此外，单个颗粒的燃烧特性（如火焰温度、燃烧时间和点燃温度）是建模煤尘云燃烧的关键输入参数。Prins等人[23]进行了实验，研究了各种操作条件对单个煤颗粒燃烧的影响，例如床温对煤焦点燃时间的影响，并发现提高床温可以缩短点燃时间。Zhang等人[24]测试了单个煤焦颗粒的点燃过程，发现煤焦点燃时间随颗粒大小和当量比的增加而增加，但随着压力和温度的升高而降低。热量释放和点燃行为主要受当量比、颗粒性质和气体密度的影响，在燃料过量的条件下会出现热失控现象随后衰减。Li等人[25]研究了煤粉的燃烧，并发现，在氧燃料燃烧条件下，火焰呈现逆向传播。
Essenhigh等人[26]提出了一个数学模型来估算煤尘云中的火焰传播速度。然而，他们的模型没有考虑颗粒随机分布对燃烧行为的影响。Bidabadi等人[27]使用一维模型理论分析了煤气溶胶悬浮液的非均相燃烧，但他们的模型未能揭示火焰前沿结构、颗粒随机分散的影响或火焰传播机制。相比之下，本研究提出的模型能够准确确定火焰位置、结构和传播机制，从而研究燃料性质（如粉尘浓度和煤焦颗粒大小）对燃烧行为和火焰稳定性的影响。因此，可以优化燃烧室尺寸。此外，所提出的CFD模型允许使用单个颗粒的点燃特性（即燃烧时间和火焰温度）快速评估煤粉的燃烧过程，这些特性可以通过简单且成本效益高的实验来测量。
在这项工作中，使用数值模型模拟了含煤焦颗粒混合物的非均相燃烧。之前的数值研究没有探讨颗粒随机分布对煤焦颗粒燃烧动力学的影响。为了获得真实的火焰前沿并准确研究燃烧动力学，采用了三维模型，其中颗粒在域内随机分布，以更好地匹配实验观察结果。利用这种随机颗粒分布，应用拉格朗日数值方法精确模拟非均相域内的热传递。此外，还比较了均匀分布和随机分布，以突出随机分散在实现真实煤尘云燃烧模拟中的重要性。本研究的主要重点是分析颗粒大小、煤焦浓度和氧摩尔分数对煤焦尘云燃烧行为的影响。
从煤尘云燃烧的数值模拟中获得的见解对工业应用具有实际意义。通过揭示颗粒大小、粉尘浓度和氧含量对火焰传播动力学的影响，本研究为优化锅炉、流化床和其他燃煤系统的燃烧过程提供了指导。理解非均相燃烧行为有助于改进燃料制备和燃烧器设计策略，从而提高效率、减少污染物排放并提高运行稳定性。因此，这些发现有助于实现更高效和可持续的煤炭利用。
部分摘录
非均相燃烧模型
在煤焦尘云燃烧的扩散控制阶段，反应发生在颗粒表面[18]。在此过程中，每个点燃的颗粒充当热源，预热周围的未点燃颗粒。预热颗粒从附近的燃烧颗粒吸收热量，直到其温度达到着火点。使用平板点火系统启动燃烧，为火焰在整个煤尘中的传播提供所需的能量
控制方程
为了模拟煤焦尘云的非均相燃烧，需要数值求解所有分散颗粒的能量方程。一旦颗粒在域内随机分布，就根据每个颗粒的个别能量平衡来制定其能量方程。对于预热颗粒，方程考虑了来自周围燃烧颗粒的导热热传递、从附近燃烧颗粒接收的辐射热以及其自身的辐射热损失
数值方法
使用数值模型模拟煤尘云的非均相燃烧。首先，根据平均煤尘浓度在域内随机分布均匀大小的颗粒。分散后，点火器在时间间隔内预热每个悬浮颗粒。达到点燃温度的颗粒被点燃，随后向相邻的煤焦颗粒释放导热热和辐射热。通过这种机制，火焰得以传播
结果与讨论
应用了2. 非均相燃烧模型、3. 控制方程、4. 数值方法来评估煤焦气溶胶的燃烧行为。在非均相尘云燃烧中，颗粒分布对确定火焰前沿速度等动态特性起着关键作用。在每种情况下，颗粒根据平均煤尘浓度在域内随机分布。为了验证结果，将它们与实验结果进行比较
结论
本研究提出了一个数值模型，用于模拟煤焦尘的非均相燃烧。煤焦颗粒根据平均煤焦浓度在域内随机分布。本研究的主要目的是研究煤焦燃烧的动力学。研究了粉尘浓度、氧摩尔分数和颗粒大小对火焰前沿速度的影响。主要结论如下：
•随着平均煤尘
作者贡献声明
Sameer Alshehri：撰写——原始草稿、软件开发、资源管理、方法论、研究实施、资金获取、正式分析。Saeed Shirazian：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、软件开发、方法论、正式分析、数据整理、概念构思。
资助
本研究由沙特阿拉伯的泰夫大学资助，项目编号为（TU-DSPP-2024-61）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯的泰夫大学通过项目编号（TU-DSPP-2024-61）对这项工作的支持。
