激光診斷技術(shù)在煤及其氣化氣燃燒特性研究中的應(yīng)用.pdf

1、在煤及生物質(zhì)燃料的利用過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)高效低污染，對(duì)燃料的分級(jí)轉(zhuǎn)化利用成了一個(gè)重要手段。其中，煤及生物質(zhì)的氣化利用是分級(jí)轉(zhuǎn)化利用的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)氣化過(guò)程產(chǎn)生的煤氣，可以直接用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行高效低污染燃燒發(fā)電，還可以用作眾多化工生產(chǎn)的原材料。但是在分級(jí)轉(zhuǎn)化的氣化工藝中，會(huì)出現(xiàn)來(lái)源不同的煤及生物質(zhì)原料。這些燃料的特性差異，加上氣化工藝本身的不同，氣化煤氣的組份存在著較大的不確定性。煤氣的主要組份包括氫氣，一氧化碳，甲烷，氮?dú)夂投趸嫉?/p>

2、。其中作為重要的可燃組份，氫氣的燃燒特性和通常使用的天然氣有著很大的區(qū)別。加上大量的不可燃組份，比如氮?dú)夂投趸迹斐扇剂蠠嶂递^低，這都會(huì)給煤氣的高效低污染燃燒利用造成很大的挑戰(zhàn)。所以了解含有不同組份的煤氣的燃燒特性，開(kāi)發(fā)合理的穩(wěn)定燃燒手段成了重要的研究課題。另外，在不少煤和生物質(zhì)的氣化燃燒過(guò)程中，會(huì)釋放出大量的堿金屬元素，這不僅僅會(huì)造成爐膛的結(jié)渣腐蝕，還會(huì)極大地影響煤氣的品質(zhì)。含堿金屬的煤氣，往往會(huì)造成燃?xì)廨啓C(jī)葉片的腐蝕。所以，對(duì)于

3、氣化燃燒過(guò)程中，堿金屬的釋放規(guī)律的研究，以及探索實(shí)用的堿金屬監(jiān)測(cè)手段成為重要的研究?jī)?nèi)容。本文主要通過(guò)不同先進(jìn)激光診斷技術(shù)對(duì)以上課題中的關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)了相應(yīng)的研究。
　　本研究對(duì)含有不同組份的煤氣的層流火焰速度進(jìn)行了精確的測(cè)量。層流火焰速度是燃料燃燒反應(yīng)的重要特性之一，可廣泛用于燃燒機(jī)理的驗(yàn)證和發(fā)展。本文使用的層流火焰速度測(cè)量方法包括熱流量爐法和基于激光誘導(dǎo) OH熒光（OH-PLIF）技術(shù)的本生燈法。通過(guò)不同比例的氫氣和一氧化碳來(lái)模擬

4、實(shí)際煤氣的可燃組份，通過(guò)不同比例的氮?dú)夂投趸紒?lái)模擬實(shí)際煤氣中稀釋氣體的比例。氫氣在可燃組份中的比例從5％變化到75%，稀釋氣體比例從0%變化到50%。這些組份比例的大范圍變化基本涵蓋了不同類(lèi)型的煤氣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤氣的層流火焰速度隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)和甲烷等碳?xì)淙剂嫌兄艽蟮牟煌Ｃ簹鈱恿骰鹧嫠俣确逯低挥诒容^燃料富燃的區(qū)域，而不是通常的當(dāng)量比1的附近。氫氣量的增加可以極大地提高層流火焰速度，稀釋度的增加可以明顯減小層流火

5、焰速度。通過(guò)對(duì)煤氣燃燒機(jī)理的模擬分析發(fā)現(xiàn)，這些燃燒特性很大程度上都是受到燃燒過(guò)程中生成的H自由基的控制。本文總結(jié)了不同煤氣的層流火焰速度和其燃燒反應(yīng)區(qū)的H自由基濃度峰值之間的線(xiàn)性變化關(guān)系。通過(guò)總結(jié)實(shí)驗(yàn)獲得的大量層流火焰速度，還總結(jié)出了用于估算不同煤氣層流火焰速度的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)OH-PLIF技術(shù)研究了不同煤氣在較低湍流狀態(tài)下，即皺褶區(qū)的火焰的燃燒特性。通過(guò)含有中心射流孔的平面火焰爐，生成了不同煤氣在不同出口雷諾數(shù)下的預(yù)混射流火焰。這些火

6、焰主要是在預(yù)混湍流火焰的起皺火焰區(qū)域和皺褶火焰區(qū)域?；鹧娴腛H-PLIF瞬態(tài)圖展示了不同工況下火焰的前鋒面結(jié)構(gòu)。本文分析計(jì)算了不同煤氣在不同出口雷諾數(shù)下的湍流火焰速度。和對(duì)應(yīng)的層流火焰速度相比較，湍流火焰速度隨氫氣比例以及稀釋度的變化具有非常類(lèi)似的趨勢(shì)。較高的氫氣比例造成較高的湍流火焰速度，較高的OH濃度以及較小的火焰尺寸。稀釋度具有相反的效果。出口雷諾數(shù)的增加同樣可以增加湍流火焰速度和 OH濃度。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的湍流火焰速度和對(duì)應(yīng)煤氣

7、的層流火焰速度的比值的分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于起皺區(qū)和皺褶區(qū)的火焰，湍流度對(duì)湍流燃燒的影響規(guī)律不因煤氣組分的不同而變化。另外，還通過(guò) OH-PLIF技術(shù)和甲醛-PLIF技術(shù)研究了氮?dú)庀♂尯投趸枷♂寣?duì)低湍流度湍流火焰的影響。同樣，稀釋度的增加，極大地降低了 OH和甲醛的濃度，延遲了火焰的燃燒。對(duì)于相同湍流度下的火焰，稀釋對(duì)火焰鋒面局部結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，但是會(huì)增加整體皺褶率。比較二氧化碳稀釋氣體和氮?dú)庀♂寶怏w，區(qū)別比較大的是燃燒區(qū)的OH濃度。而

8、對(duì)于未燃區(qū)的甲醛濃度，受不同稀釋氣體的影響較小。針對(duì)等離子體強(qiáng)化燃燒手段，研究了等離子體中的重要組分，即臭氧的強(qiáng)化燃燒特性。研究了臭氧強(qiáng)化燃燒的機(jī)理。通過(guò)甲醛-PLIF技術(shù)對(duì)臭氧強(qiáng)化甲烷/空氣預(yù)混燃燒過(guò)程中甲醛生成的影響進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，臭氧的加入可以極大地促進(jìn)火焰中甲醛的生成。在加入4500pp m的臭氧，對(duì)于當(dāng)量比為1.4的甲烷空氣預(yù)混火焰，反應(yīng)區(qū)甲醛的濃度提高了50%以上。實(shí)驗(yàn)獲得了在不同當(dāng)量比下甲醛的增加率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和機(jī)

9、理模擬結(jié)果的對(duì)照，驗(yàn)證了包含臭氧反應(yīng)子機(jī)理的燃燒反應(yīng)機(jī)理的可靠性。臭氧的加入，不僅僅增加了甲醛的濃度，而且明顯提前了甲醛的生成時(shí)間。通過(guò)對(duì)甲醛的研究，可以看出，臭氧對(duì)于燃燒的促進(jìn)作用主要發(fā)生在燃燒的預(yù)熱區(qū)。通過(guò)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤及生物質(zhì)氣化燃燒過(guò)程中鉀原子濃度的定量測(cè)量，用于了解煤和生物質(zhì)氣化過(guò)程中堿金屬的釋放規(guī)律。比較不同的固體燃料，發(fā)現(xiàn)燃料本身的特性對(duì)堿金屬的釋放特性具有很大的影響。煤炭里面較多的固