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煤及气化煤气燃烧过程中的碱金属及OH自由基激光在线测量研究

作　者: 何勇
导　师: 岑可法
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 煤基多联产激光燃烧诊断碱金属释放煤裂解煤气燃烧
分类号: TQ534
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在众多煤清洁利用技术中,煤分级转化多联产技术是未来煤清洁利用的重要方向。在以煤裂解为基础的多联产系统中,可将煤部分燃烧提供热源,通过煤裂解产生煤气和焦油,裂解后的半焦用于燃烧发电。此外,裂解产生的煤气及合成气除进一步用作化工原料外,也可直接用于燃气轮机的高效燃烧发电。在煤基多联产系统中,一方面,煤燃烧过程释放的碱金属是引起锅炉换热面腐蚀的主要原因。与此同时,释放的碱金属如果混入煤气及合成气,在下阶段气体燃烧中对燃气轮机叶片也会产生显著的腐蚀和破坏。另一方面,作为整个多联产系统的源头,煤的裂解过程对后续转化(如燃烧、气化、液化等)具有重要影响。由于研究手段的限制,目前尚缺乏对煤裂解过程系统深入的研究。再者,裂解气化产生的煤气及合成气由于成分复杂且多变,加上热值较低,给其稳定燃烧带来巨大挑战。本文利用先进的激光诊断技术对多联产系统中煤燃烧碱金属释放、单颗粒煤裂解特性、煤气及合成气燃烧等关键问题进行研究。本文首先以典型高钠准东煤为例,利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在真实火焰环境下对煤燃烧过程碱金属释放特性进行了在线测量研究,通过在线标定技术获得了碱金属释放的定量浓度信息。研究表明,温度对煤燃烧挥发分阶段、焦炭阶段、灰分阶段的Na、K释放速率均存在促进作用。02浓度对挥发分阶段的Na、K释放过程影响不大。随着O2浓度增加,焦炭燃烧速率加快,促进了该阶段Na、K的释放,对应灰分阶段的Na、K释放减少。C02浓度对挥发分阶段的Na、K释放过程同样没有明显影响。随着CO2浓度增加,焦炭燃烧速率减慢,抑制了该阶段的Na、K释放,对应灰分阶段的Na、K释放相应增多。对于煤裂解特性的研究,本文利用自行搭建的单颗粒煤裂解试验系统,结合激光LIBS测量技术,对煤裂解特性进行研究。最后对煤裂解模型进行探讨,对现有的Fu-Zhang通用模型进行了改进,并与本文试验结果进行对照。研究表明,随着颗粒尺寸的减小,颗粒内部传热速率增大,导致颗粒中心温度的上升速率变快,最大失重速率显著增大,且峰值对应的时间提前,裂解反应得到正向促进。主要元素C、H、O的释放时间提前,但峰值浓度降低,这与绝对质量的挥发速率对应。与主要元素释放时间相比,碱金属释放时间明显提前,且随着颗粒直径的减小,Na释放浓度增大。在1073K温度下,单颗粒煤裂解过程中Na含量的变化主要体现在水溶性Na的减少。随着温度升高,颗粒中心温度上升更快,颗粒的最大失重速率显著增大,且峰值时间提前,裂解反应得到正向促进。C、H、O元素的释放浓度均显著增大,且峰值时间提前。在873K低温下裂解时,Na的释放主要来自于非水溶性有机Na。随着温度的升高,水溶性Na成为释放主体。裂解温度升高后,Na释放时间提前,且释放浓度明显增大,表明温度的升高会促进热解过程碱金属的释放。从褐煤到无烟煤(即随着煤化程度的提高),煤的反应活性下降,热解反应时间明显延后,最大失重速率降低,且峰值时间延后,表明煤化程度的提高不利于热解反应的进行。颗粒上方C、H、O等主要元素的绝对浓度随着煤化程度的提高显著下降,且释放总量降低。针对裂解气化产生的煤气及合成气成分复杂多变的问题,本文最后利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对真实组分煤气层流燃烧和湍流燃烧特性进行研究,系统性地探讨了可燃成分变化对其燃烧特性的影响,并结合CHEMKIN模拟进行了深入的动力学机理研究。研究表明,煤气层流火焰速度随H2含量的增加而增加,并呈线性增加趋势。这是由于煤气中H2含量增加时,火焰中H和OH自由基增多,其生成速率和消耗速率增大,从而促进了整个链式反应的发生和传播。当没有H2成分时,煤气层流火焰速度随CO和CH4混合物中CO含量的增加先增大,在80%CO含量附近达到峰值,随后下降。动力学分析表明,CO氧化主要通过与OH反应发生。在到达峰值之前,CO与OH反应速率随CO含量增加加快，预热阶段热释放速率增大,促进了链式分支反应的发生和进行。在过峰值之后,随着CO含量增加,OH浓度降低,CO与OH反应速率减慢,预热阶段热释放速率下降,火焰速度降低。对于煤气湍流燃烧,研究得出,雷诺数的增加有利于火焰中传热传质过程和燃烧反应的进行,使火焰中OH自由基增多,强化了煤气燃烧。H2含量的增加使火焰中OH自由基增多,有利于链式反应的发生和传播,提高了燃烧速度和强度。随着CO比例的增大,由于CH4比例相对减少,火焰中OH自由基浓度下降。当火焰中OH充足时,燃烧速度随CO比例的增大而增大。当火焰中OH浓度迅速下降后,煤气燃烧速度随即迅速降低。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-16
1. 绪论  16-44
  1.1 引言  16-18
  1.2 燃烧过程的激光在线测量技术  18-25
    1.2.1 激光测量技术的优势  18-20
    1.2.2 PLIF技术  20-22
    1.2.3 LIBS技术  22-25
  1.3 煤燃烧碱金属释放特性研究现状  25-27
  1.4 煤气燃烧特性激光测量研究综述  27-30
    1.4.1 层流燃烧特性激光诊断研究  27-28
    1.4.2 湍流燃烧特性激光诊断研究  28-30
  1.5 煤反应特性激光在线测量研究现状  30-41
    1.5.1 单颗粒煤燃烧特性的激光测量研究  30-34
    1.5.2 煤粉燃烧特性的激光测量研究  34-40
    1.5.3 工业现场煤燃烧特性的激光测量研究  40-41
  1.6 本文研究内容及结构  41-44
2. 试验仪器与系统  44-56
  2.1 PLIF测量系统  44-48
    2.1.1 Nd：YAG泵浦激光器  44-46
    2.1.2 染料激光器  46-47
    2.1.3 像增强型CCD相机(ICCD)  47-48
  2.2 LIBS测量系统  48-51
    2.2.1 Brilliant b固体激光器  48-49
    2.2.2 USB 2000+光栅光谱仪  49-51
    2.2.3 DG535延迟发生器  51
  2.3 单颗粒煤燃烧测量试验系统  51-56
    2.3.1 移动式电阻炉  52-53
    2.3.2 质量温度采集系统  53-54
    2.3.3 激光测量系统  54-56
3. 煤燃烧过程碱金属释放特性激光测量试验研究  56-74
  3.1 引言  56
  3.2 试验方案  56-59
    3.2.1 真实火焰环境模拟  56-58
    3.2.2 试验煤样  58-59
    3.2.3 LIBS测量系统  59
  3.3 LIBS定量标定试验  59-62
  3.4 温度对碱金属释放的影响  62-65
  3.5 O_2浓度对碱金属释放的影响  65-68
  3.6 CO_2浓度对碱金属释放的影响  68-72
  3.7 本章小结  72-74
4. 煤裂解特性激光测量试验及模型研究  74-112
  4.1 引言  74
  4.2 试验系统与方案  74-76
    4.2.1 单颗粒煤裂解光学试验系统  74-75
    4.2.2 试验煤样与工况  75-76
  4.3 LIBS测量系统定量标定  76-82
  4.4 颗粒尺寸的影响  82-90
    4.4.1 温度变化和质量变化  82-85
    4.4.2 物质释放特性  85-90
  4.5 温度的影响  90-95
    4.5.1 温度变化和质量变化  90-92
    4.5.2 物质释放特性  92-95
  4.6 煤种的影响  95-104
    4.6.1 温度变化和质量变化  95-97
    4.6.2 物质释放特性  97-99
    4.6.3 生物质裂解特性  99-104
  4.7 煤裂解模型研究  104-108
    4.7.1 煤裂解模型简介  104-105
    4.7.2 Fu-Zhang通用模型  105-106
    4.7.3 通用模型的完善及验证  106-108
  4.8 本章小结  108-112
5. 典型煤气层流燃烧特性的试验和动力学机理研究  112-140
  5.1 引言  112-113
  5.2 煤气层流火焰速度测量试验方案  113-116
  5.3 基于本生火焰OH-PLIF图像的层流火焰速度测量  116-118
    5.3.1 层流火焰速度计算方法  116-118
    5.3.2 试验测量误差分析  118
  5.4 煤气层流火焰速度动力学模拟方法  118-120
  5.5 验证性试验  120-122
  5.6 典型煤气层流火焰速度测量和机理研究  122-137
    5.6.1 H_2含量影响的试验研究  122-123
    5.6.2 H_2含量影响的动力学机理研究  123-128
    5.6.3 不同H_2含量时当量比的影响  128-129
    5.6.4 CO/CH_4相对含量影响的试验研究  129-130
    5.6.5 CO/CH_4相对含量影响的动力学机理研究  130-137
  5.7 本章小结  137-140
6. 煤气湍流燃烧特性的激光测量试验研究  140-156
  6.1 引言  140-141
  6.2 试验系统及方法  141-144
    6.2.1 试验系统  141-143
    6.2.2 射流燃烧器  143
    6.2.3 激光PLIF测量系统  143-144
  6.3 雷诺数的影响  144-148
    6.3.1 瞬时火焰结构分析  144-146
    6.3.2 OH分布的统计学分析  146-148
  6.4 H_2含量变化的影响  148-151
    6.4.1 湍流火焰瞬时结构分析  148-150
    6.4.2 湍流火焰OH分布的统计学分析  150-151
  6.5 CO/CH_4相对比例变化的影响  151-154
    6.5.1 瞬时火焰结构分析  151-152
    6.5.2 统计学分析  152-154
  6.6 中热值煤气湍流火焰结构  154-155
  6.7 本章小结  155-156
7. 全文总结  156-162
  7.1 主要研究内容及结论  156-160
  7.2 本文主要创新点  160-161
  7.3 未来工作展望  161-162
参考文献  162-174
作者简介  174-175

煤及气化煤气燃烧过程中的碱金属及OH自由基激光在线测量研究

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