煤颗粒在常重力和微重力下着火特性研究

论文摘要

现有的煤着火特性的相关实验数据基本都在地面常重力条件下获得,无法排除重力,因而无法消除浮力及自然对流的作用。另一方面,现有的数学模型和数值模拟往往忽略浮力作用,但又直接和常重力下的实验数据比较。显然,如果浮力的作用不能忽略,这样的比较将产生一定的误差,由此导出的着火模型、判据和参数存在一定的不足。本文的研究目的是在一个理想的没有重力场的环境下开展单颗煤粒着火的实验研究,揭示煤粒在没有浮力影响下的本征着火特性,与相应的常重力实验比较,探讨浮力和气体对流对煤粒着火的影响形式和影响程度,同时,在理论上发展更为准确的着火数学模型。本文设计建立了一套适合于我国微重力国家实验室3.6s落塔的微重力煤粒着火特性研究的实验系统,开展了我国首次微重力煤燃烧研究,考察了粒径为1.5mm和2.0mm的烟煤和褐煤球形颗粒的着火燃烧过程。将RGB比色法与数字图像处理技术相结合的测温方法发展应用于测量着火前颗粒的表面温度。实验发现,微重力下煤粒发生均相着火,挥发分的析出与着火相互耦合,煤粒的着火温度随粒径和挥发分的增加而降低,相同粒径的煤粒在微重力下的着火温度比常重力下约低80K,相同粒径的煤颗粒在常重力下的着火时间较短。在理论上,改进和修正了现有的一维单颗粒着火模型,在模型中考虑内部导热,并利用热天平求得煤表面反应动力学参数。与忽略内部导热的模型相比,新模型的预测结果与相应的微重力实验结果符合更好。颗粒着火前,内部温度梯度较大,中心温度与表面温度的差值先增加后减少,最大差值随着粒径的增加而增大。研究同时表明,颗粒内部导热对着火方式的临界直径有很大影响,这种影响随着环境温度的升高而降低。本文还在常重力下进一步实验研究了环境气体流动,包括强制对流对单颗煤粒着火的影响。实验结果表明,颗粒着火模式随着环境温度和环境气体流动的不同分别出现均相着火,异相着火,以及由于颗粒表面反应引发的联合着火等不同着火模式。在实验条件下,着火时间随着流速的增加先减少后增加,着火温度随着气体流量的增加而增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 煤着火研究现状
• 1.2.1 煤着火机理
• 1.2.2 单颗粒煤着火模型
• 1.2.3 常重力下单颗粒煤着火的实验
• 1.3 微重力下煤着火研究现状
• 1.3.1 微重力下的传热特性
• 1.3.2 微重力下实验设备
• 1.3.3 微重力下煤着火研究现状
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 实验装置与实验结果
• 2.1 实验装置与方法
• 2.1.1 实验落塔系统要求
• 2.1.2 系统设计与建立
• 2.1.2.1 加热系统
• 2.1.2.2 给料系统
• 2.1.2.3 供电和控制系统
• 2.1.2.4 数据采集系统
• 2.1.2.5 实验台支撑与固定系统
• 2.1.3 微重力设施
• 2.1.3.1 落塔与落舱
• 2.1.3.2 提升释放与回收系统
• 2.1.3.3 测量与控制系统
• 2.1.4 实验步骤
• 2.2 数字图像处理技术
• 2.2.1 CCD 成像原理
• 2.2.2 彩色CCD 色度学原理
• 2.2.3 基于彩色三基色的双色法温度图像检测方法
• 2.2.4 MATLAB 数字图像处理技术
• 2.2.5 黑体炉标定
• 2.3 实验数据处理
• 2.3.1 颗粒表面温度处理
• 2.3.2 火焰面高度处理
• 2.4 实验结果
• 2.4.1 着火现象描述
• 2.4.2 着火温度与着火时间
• 第3章 单颗粒煤着火模型的改进和应用
• 3.1 TGA 求解煤焦反应动力学参数
• 3.2 单颗粒煤着火模型
• 3.2.1 模型方程
• 3.2.2 着火判据
• 3.2.2.1 异相着火判据
• 3.2.2.2 均相着火判据
• 3.2.3 数值求解方法
• 3.3 结果与讨论
• 第4章 气体流动对煤颗粒着火的影响
• 4.1 实验装置
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 不同环境温度下强制对流对煤粒着火的影响
• 4.2.2 对流对煤粒异相着火影响的理论分析
• 4.2.3 不同对流强度下高挥发分煤颗粒着火机理的讨论
• 第5章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 全文展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果