推廣等離子體點火技術(shù)是降低我國火電機組建設(shè)與運行成本和保障國家能源安全的迫切需求。無煙煤揮發(fā)分含量少且析出慢導致其目前無法實現(xiàn)等離子體無油點火。鑒于目前等離子體點火技術(shù)主要依賴電弧熱效應,強化放電的化學動力學效應有望實現(xiàn)無煙煤等離子體點火。微波誘導焦炭放電技術(shù)可實現(xiàn)場調(diào)控、多點源、分散產(chǎn)生活性物質(zhì)。但誘導放電機理、無煙煤裂解強化機制及其對點火過程的影響均不甚清楚。本文首先在氮氣氣氛下探究了微波誘導焦炭放電對晉城無煙煤和新華活性焦結(jié)構(gòu)的裂解作用。微波固定床實驗和熱解實驗結(jié)果表明,微波誘導焦炭放電確實具有化學動力學效應。本文通過光譜分析檢測到了放電產(chǎn)生的電子激發(fā)態(tài)氮氣,并通過氣相產(chǎn)物分析、分子量檢測和孔結(jié)構(gòu)分析證明放電與熱解對晉城無煙煤和新華活性焦結(jié)構(gòu)作用存在差異。本文通過對煤和焦熱解產(chǎn)物的放電實驗解耦出放電化學效應,證明放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)在脫除煤的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)等石墨化作用之外存在逆石墨化作用。本文在空氣氣氛下進一步探究了微波誘導焦炭放電對晉城無煙煤點火的影響。研究結(jié)果表明,微波誘導焦炭放電致無煙煤點火燃燒產(chǎn)物中二氧化碳比例達84.6%,高于焦炭和無煙煤單獨微波輻照產(chǎn)物之和中二氧化碳占比;無煙煤經(jīng)微波誘導焦炭放電溫度超過燃點,溫升較只采用微波輻照溫升更快,因此微波誘導焦炭放電可實現(xiàn)對無煙煤點火的強化。最后,本文通過頻域電磁場計算、等離子體流體模擬等方法揭示了微波誘導碳材料顆粒放電機制。數(shù)值模擬結(jié)果表明,在毫米級顆粒散射微波過程中,折射率滿足n4或k2的顆粒可通過顆粒間小間距對微波電場有10倍以上的強化;n4且k2的顆粒則更可能是通過顆粒形狀實現(xiàn)對微波電場10倍以上的強化。此外,顆粒間距過小則會因壁面附著電子而阻礙放電;添加低電離能氣體組分則會增加Townsend電離系數(shù)。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM621
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究的目的和意義煤炭是我國社會經(jīng)濟發(fā)展所依賴的主要能源。改革開放后，煤炭一直占據(jù)中國能源消費格局的主導地位[1]，其歷年所占我國能源消費總量比重均在 59%以上[2]。在世界范圍內(nèi)，我國是全球最大的煤炭消費經(jīng)濟體。我國煤炭年消費量占全球煤炭年消費量比重自 1986 年首次位居全球首位時的 20.9%，逐步攀升至 2017 年的 51.9%，為 1965 年以來歷史最高水平[3]。電力是我國最大的煤炭消費產(chǎn)業(yè)。近十年來，發(fā)電用煤在我國煤炭年消費量中所占比重均超過 40%[4]。2016 年，我國全年發(fā)電用煤高達 18.3 億噸標準煤，占煤炭消費量的 47.5%；同年供熱、煉焦和制油氣用煤所占煤炭消費量比重分別僅為 6.9%、15.8%和 0.6%[2]。

我國石油資源匱乏。截止 2017 年底，我國已探明石油儲量 257 億桶，僅占全球石油總儲量的 1.5%。同年，我國原油消費量 6.79 億噸標準油，進口量高達 4.22 億噸標準油，對外依存度超過 60%[10]。同時，減少機組鍋爐點火用油能夠提高鍋爐啟停過程的安全性[11]。因此，減少鍋爐啟動及低負荷穩(wěn)燃用油是國家、電力系統(tǒng)和企業(yè)亟待解決的問題。燃煤鍋爐點火節(jié)油技術(shù)主要包括等離子體點火技術(shù)[12]、微油點火技術(shù)[13]、激光點火技術(shù)[14]、電加熱點火技術(shù)[15]、高溫空氣點火技術(shù)[16]。由于激光器成本過高，電加熱易致壁面結(jié)焦，空氣加熱系統(tǒng)復雜，成本高且易故障[17,18]，目前僅有等離子體點火技術(shù)和微油點火技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)應用。其中，等離子體點火技術(shù)雖初次投資費用相對較高，但初次調(diào)試和正常啟動節(jié)油效果明顯。以 8×720t/h 煙煤鍋爐為例[19]，與微油點火技術(shù)相比，等離子體點火初次投資高 760 萬元；初次調(diào)試節(jié)省 1 320 萬元；單次正常啟動節(jié)省208 萬元。因此，等離子體點火技術(shù)經(jīng)濟性更強。獨聯(lián)體國家自 1989 年對等離子體點火技術(shù)成功測試并進行應用[20]；國內(nèi)煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司自 2000 年等離子體點火成功后將其在國內(nèi)外迅速推廣[21]。

圖 1-3 等離子體產(chǎn)生機制電弧是目前煤粉鍋爐等離子體點火所采用的放電形式[55-58]。電極通電起弧后，加熱載氣形成等離子體射流（等離子體炬）。煤粉氣流通過等離子體炬被快速加熱，從而點火燃燒[59,60]。由于電弧是電子能量低，氣體溫度高的平衡態(tài)等離子體[61]，所產(chǎn)生的等離子體炬溫度可達 2 000-10 000℃[62-66]。因而電弧對點火和助燃的作用主要是熱效應[67]。1.2.3 無煙煤等離子體點火問題分析（1）揮發(fā)分少且析出慢無煙煤是煤階最高的煤種。隨著煤階增加，煤的石墨化度上升，揮發(fā)分含量降低[68-72]，煤中芳香結(jié)構(gòu)所占比例增加[73-75]。其中，揮發(fā)分通常由煤的側(cè)鏈、橋鍵、含氧官能團以及芳香結(jié)構(gòu)邊緣碳氫鍵斷裂形成[76]。與碳氫鍵（甲基上 3.7eV、苯環(huán)上 4.3eV）和碳碳單鍵（苯環(huán)與甲基間 4.4eV、其它 5.0-5.3eV）鍵能[77]相比，苯環(huán)開環(huán)分解所需能量超過 5.5eV[78]，而多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)中間的碳與氧反應需要破壞中心的強共軛結(jié)構(gòu)。因此，無論裂解還是燃燒均只能從多環(huán)
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本文編號：2837167