对冲火焰条件下煤粉燃烧特性的实验方法研究

论文摘要

在煤粉燃烧过程和各种不同的燃煤应用系统中，煤粉从受热升温到着火燃烧的早期过程，往往经历着复杂的流场条件，使得煤粉的运动出现穿越火焰面的情况，从而使着火特性发生改变。然而受限于已有实验方法和观测条件的困难，尚未见到针对这一过程的相关报道，对其开展探索可进一步推动煤燃烧研究，提供新的视角和途径。针对上述科学问题，本文发展并建立了一套适用于煤燃烧研究的加压对冲火焰实验系统。设计的燃烧室可将反应气体预热至最高1600K，可调压力范围0.06-1.50MPa；基于碰撞解聚原理，自行研制了全新的微量给粉系统，具备50mg/min量级、连续1h以上不受载气流量影响的稳定给粉能力，进而实现了对冲火焰条件下煤粉的定点引入方法；研制了燃煤颗粒物采样枪；建立了SiC纤维辐射测温装置，测量了平面火焰的法向温度分布，误差小于±30K；自主开发了微机平台全参数测控软件，加快了对冲燃烧系统的启动速度，常用工况转换时的非稳态过程小于10s，极大提高了实验效率和安全性。该系统可广泛应用于对冲火焰条件下的气固相反应研究。随后研究了各子系统及测量方法的特点，对实验系统中煤粉给粉过程对测量结果的影响、以及ICCD光学图像拍摄方法和统计原理进行了详细分析，对完善燃煤对冲实验方法具有重要的指导作用和方法学意义。系统上首先开展了合成气组分影响其点火特性的实验研究，通过与国际上相关报道的数据比对，验证了系统的可靠性与测量精度。随后开展了对冲火焰中煤粉颗粒穿越火焰面的行为特性实验研究。利用先进的ICCD光学测量方法对火焰结构及煤粉热解、着火过程进行观测和表征。在此基础上建立了对冲火焰条件下煤粉热解和着火特性实验研究的方法和评价指标。最后建立了对冲火焰中单颗粒煤粉运动和着火特性的瞬态模型，分析了粒径、初速度、火焰温度等因素对煤粉在对冲火焰中的行为的影响，并计算不同粒径煤粉在不同火焰条件下的着火特性，对实验研究的发展具有指导意义。本文在新开发的燃煤对冲实验系统及实验方法基础上，对煤粉穿越火焰面的行为进行了观测和分析，为煤燃烧研究提供了新视角和重要数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2. 煤粉燃烧特性研究概况
• 1.2.1 煤粉着火研究
• 1.2.2 挥发分析出研究
• 1.2.3 燃煤细颗粒生成研究
• 1.3 对冲扩散火焰用于燃烧特性研究概况
• 1.3.1 对冲扩散火焰的发展
• 1.3.2 拉伸率对着火特性的影响
• 1.3.3 颗粒在对冲火焰中的行为
• 1.4 本文研究思路和主要内容
• 第2章 燃煤对冲实验系统研制
• 2.1 本章引论
• 2.2 燃煤对冲系统设计思路
• 2.2.1 对冲火焰结构及实验条件的选择
• 2.2.2 煤粉颗粒在对冲火焰中的行为
• 2.2.3 对冲火焰中煤粉颗粒着火判据
• 2.3 实验系统研制
• 2.3.1 系统组成与实验本体
• 2.3.2 集成套管式预热机构
• 2.3.3 舱内精密测温机构
• 2.3.4 气体流量与压强控制系统
• 2.3.5 微型单分散颗粒给粉系统
• 2.3.6 颗粒采样系统
• 2.3.7 激光测速与图像拍摄系统
• 2.3.8 安全保障与水冷系统
• 2.3.9 数据采集与联动控制系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 燃煤对冲实验方法研究
• 3.1 本章引论
• 3.2 火焰温度测量与校正
• 3.3 煤粉添加方式与标定
• 3.4 颗粒产物采样方法
• 3.5 光学图像拍摄和统计方法
• 3.6 实验方案与注意事项
• 3.7 本章小结
• 第4章 对冲火焰中煤粉燃烧实验及分析
• 4.1 本章引论
• 4.2 对冲燃烧实验系统的标定
• 4.2.1 常压H2着火实验
• 4.2.2 加压合成气着火实验
• 4.3 对冲火焰环境中煤粉单颗粒传热过程的数值分析
• 4.3.1 网格及计算条件
• 4.3.2 火焰面的参数分布
• 4.3.3 煤粉颗粒的温度经历
• 4.4 煤粉穿越火焰面的行为特性实验
• 4.4.1 煤粉的来源及预处理
• 4.4.2 实验方案及工况
• 4.4.3 火焰图像及分析
• 4.4.4 火焰区温度分布
• 4.4.5 煤粉的着火现象
• 4.5 对冲火焰燃煤过程非理想因素
• 4.5.1 煤粉射流扩散角的影响
• 4.5.2 火焰厚度的影响
• 4.5.3 速度滑移的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 对冲火焰中单颗粒煤着火的理论计算
• 5.1 本章引论
• 5.2 煤粉颗粒着火模型
• 5.2.1 煤颗粒的反应模型
• 5.2.2 气相方程
• 5.2.3 颗粒相方程
• 5.2.4 颗粒运动方程
• 5.2.5 着火判据
• 5.3 模型求解
• 5.3.1 数值方法
• 5.3.2 程序流程
• 5.4 结果讨论
• 5.4.1 煤颗粒的沿程经历
• 5.4.2 着火特性的影响因素
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 结论和创新点
• 6.2 研究展望
• 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