【摘要】：我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主,煤炭資源的燃燒利用為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、高速發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),但同時(shí)燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的污染物如SO_2、NO_x,等引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。此外,煤粉燃燒時(shí)釋放的堿金屬會(huì)加速鍋爐受熱面的積灰、結(jié)渣和腐蝕,危及鍋爐的安全運(yùn)行。為此,急需開(kāi)發(fā)高效、清潔的煤粉燃燒與利用技術(shù),如煤炭分級(jí)利用多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等。開(kāi)發(fā)高效、清潔的煤粉燃燒與利用技術(shù)需要我們深入地了解煤粉氣固兩相湍流反應(yīng)中的熱解、燃燒以及污染物釋放與反應(yīng)過(guò)程�；诖�,本文通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的研究方法,對(duì)煤的熱解特性、煤粉氣固兩相湍流熱解/燃燒特性以及煤粉湍流火焰中堿金屬反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性等煤粉高效、清潔燃燒與利用中的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先,為進(jìn)一步深入理解煤的熱解過(guò)程,本文基于自行搭建的單顆粒實(shí)驗(yàn)平臺(tái),結(jié)合質(zhì)量、溫度等多種測(cè)量手段對(duì)準(zhǔn)東煤、大同煙煤、麥殼-生物質(zhì)、玉米秸稈-生物質(zhì)以及這兩種煤、兩種生物質(zhì)的混合燃料在高升溫速率下(相對(duì)于熱重分析法)的熱解特性進(jìn)行綜合分析。采用了單一變量法研究了不同熱解溫度、顆粒尺寸、燃料種類(lèi)對(duì)煤/生物質(zhì)熱解特性的影響,同時(shí)采用全面實(shí)驗(yàn)法探索了不同混合比例下煤與生物質(zhì)混合熱解的特性。同時(shí),利用化學(xué)滲透脫揮發(fā)分(CPD)熱解模型耦合顆粒能量方程對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量及模型模擬結(jié)果,更好地揭示了煤顆粒在不同因素影響下的熱解規(guī)律。然后,本文利用大渦模擬的手段結(jié)合兩種不同的煤熱解模型:一種典型的基于煤結(jié)構(gòu)的詳細(xì)熱解模型——CPD模型,和一種典型的宏觀煤熱解模型——單方程熱解模型,對(duì)高溫氮?dú)猸h(huán)境下煤粉在氣固湍流射流中的熱解過(guò)程進(jìn)行了模擬研究和對(duì)比。同時(shí)探索了一系列關(guān)鍵參數(shù),包括顆粒直徑、煤種、給煤量、載氣流速和熱解溫度等,對(duì)氣固湍流中煤粉熱解特性的影響。接著將煤粉氣固兩相湍流射流從熱解工況拓展到燃燒工況,利用先進(jìn)的熱解模型和揮發(fā)分燃燒模型結(jié)合大渦模擬研究了兩種不同類(lèi)型的煤粉兩相湍流射流火焰,即采用甲烷值班火焰穩(wěn)燃的煤粉射流火焰A和采用高溫伴流點(diǎn)燃的煤粉射流火焰B。對(duì)于煤粉燃燒的三個(gè)階段,即熱解階段、揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒階段,采用的模型分別為:在線CPD模型、PaSR模型和反應(yīng)/擴(kuò)散聯(lián)合控制模型。為了進(jìn)一步探索煤粉兩相湍流燃燒過(guò)程中堿金屬的釋放和反應(yīng)特性,本文基于化學(xué)反應(yīng)建表法發(fā)展了一個(gè)適用于在煤粉燃燒大渦模擬中預(yù)測(cè)鈉組分化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)模型。鈉組分的化學(xué)反應(yīng)表格基于一系列采用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的鈉組分化學(xué)軌跡的零維模擬建立。采用了當(dāng)量比、鈉元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣相溫度這三個(gè)參數(shù)來(lái)定義鈉組分物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)軌跡的初始條件,這三個(gè)參數(shù)再加上表征鈉組分化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的反應(yīng)進(jìn)程變量,即為鈉組分化學(xué)反應(yīng)表格的四個(gè)坐標(biāo)。建立反應(yīng)表格后,利用該反應(yīng)表格計(jì)算了不同初始條件工況下鈉組分的零維化學(xué)反應(yīng)并與鈉組分詳細(xì)機(jī)理的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,兩者吻合良好,驗(yàn)證了所建反應(yīng)表格的準(zhǔn)確性。隨后,建立的鈉組分化學(xué)反應(yīng)表格被耦合到煤粉燃燒的大渦模擬中,用以預(yù)測(cè)一個(gè)采用高溫伴流點(diǎn)燃的煤粉火焰中鈉組分的化學(xué)反應(yīng)。最后,本文對(duì)所發(fā)展的氣固兩相煤粉燃燒大渦模擬程序LESsCOAL的并行效率進(jìn)行了探討和優(yōu)化,重點(diǎn)討論了程序顆粒模塊與輻射模塊的優(yōu)化方法。經(jīng)過(guò)并行優(yōu)化,LESsCOAL已經(jīng)能在英國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)ARCHER上使用多達(dá)3000核心時(shí)取得一個(gè)令人滿意的并行效率。這為將來(lái)在實(shí)際的工業(yè)燃燒器等較大規(guī)模的煤粉燃燒工況下進(jìn)行大渦模擬研究提供了可能。
【圖文】：

圖１．３日本ＣＲ舊Ｎ研究所煤粉射流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)逡逑美國(guó)Ｓａｎｄｉａ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Ｓｈａｄｄｉｘ等人［７４＇７６１利用激光在線診斷技術(shù)測(cè)量了煤粉在富氧逡逑燃燒環(huán)境下的熱解、著火與燃燒特性，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖１．４所示。整個(gè)燃燒室為一個(gè)密閉逡逑的石英腔體，煤粉氣流從中記、管道射入，，周?chē)鸀椋龋澹睿悖耄澹钊紵鳟a(chǎn)生的平面火焰用Ｗ提供逡逑煤粉氣流著火和燃燒所需的熱源。實(shí)驗(yàn)通過(guò)ＩＣＣＤ相機(jī)記錄活性分子ＣＨ的化學(xué)發(fā)光來(lái)研逡逑究煤粉射流的著火過(guò)程，同時(shí)利用Ｈｅ－Ｎｅ激光及平面小孔編碼成像技術(shù)（ｉｍａｇｅ－ｐｌａｎｅ逡逑ｃｏｄｅｄ－ａｐｅｒａｔｕｒｅ化ｃｈｎｉｑｕｅ）在線測(cè)量了煤粉顆粒的速度、溫度、粒徑變化。研究結(jié)果表明逡逑煤粉在低濃度化和高濃度Ｃ0２氣氛下出現(xiàn)了著火延遲現(xiàn)象。逡逑Ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ邐Ｅｘｈａｕｓｔ逡逑Ｆｉｌｔｅｒ邋、六衫逡逑Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ邋—＊＾１邐加。一邐Ｃｏｄｅｄ逡逑Ｐｒｏ的邐Ｃｈａｒ邋Ｒｅａｃｔｏｒ邐Ａｐｅｒｔｕｒｅ逡逑Ｆｏｃ向yURG＾的ａｍ汾逡逑Ｗ邐ｒ逡逑Ｖ邐Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ逡逑ＨｅＮｅ邋Ｌａｓｅｒ邐Ｉ邋Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ邐Ｂａｎｄ邋Ｐａｓｓ逡逑ｆ邐Ｉ逡逑Ｃｏａｌ邋Ｆｅｅｄ邐Ｌ過(guò)ｓｅｒ邋Ｌｉｎｅ邋Q啠桑簦澹蟈危義希校瑁錚簦镥澹停酰簦簦椋穡歟椋澹潁簀義賢跡保疵攔櫻幔睿洌椋峁沂笛槭頤悍凵淞鞴庋笛橄低沖義希瑰義

本文編號(hào)：2679621