當(dāng)今世界的能源形勢(shì),需要同時(shí)兼顧傳統(tǒng)化石燃料的清潔利用和可再生能源的開發(fā)。本文圍繞煤及生物質(zhì)的利用過程,對(duì)堿金屬釋放危害熱力設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)問題,采用自行搭建的先進(jìn)激光在線診斷系統(tǒng)對(duì)單顆粒煤和生物質(zhì)的燃燒特性以及堿金屬的釋放特性進(jìn)行多參數(shù)耦合實(shí)驗(yàn)測量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知,采用數(shù)學(xué)建模以及數(shù)值模擬的方法,對(duì)焦炭燃燒和堿金屬釋放構(gòu)建模型并進(jìn)行反應(yīng)本質(zhì)現(xiàn)象探究。通過實(shí)驗(yàn)與模擬的雙重手段加深對(duì)顆粒燃燒及堿金屬釋放行為的認(rèn)識(shí),為將來的大規(guī)模實(shí)際利用低品質(zhì)煤和生物質(zhì)提供理論支撐。首先,基于自行搭建的移動(dòng)式單顆粒爐系統(tǒng),對(duì)準(zhǔn)東煤和玉米秸稈的不同燃燒及混燃特性,不同溫度、粒徑的準(zhǔn)東煤焦燃燒特性,不同燃料焦炭的燃燒特征以及堿金屬對(duì)焦炭燃燒影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明生物質(zhì)對(duì)混燃料的焦炭燃燒具有明顯的加速作用;提高反應(yīng)溫度、縮小粒徑以及添加堿金屬等方式,均可以增強(qiáng)焦炭的反應(yīng)活性�；趯�(shí)驗(yàn)認(rèn)知,構(gòu)建了縮核型焦炭燃燒模型,并求取了準(zhǔn)東煤焦炭的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù),該模型對(duì)不同溫度和粒徑的準(zhǔn)東煤焦炭燃燒模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,為構(gòu)建堿金屬釋放模型奠定基礎(chǔ)。然后,為探究堿金屬元素的氣相釋放及固相轉(zhuǎn)化,采用溫度、質(zhì)量、堿金屬等多參數(shù)耦合測量的多點(diǎn)LIBS在線測量手段探究堿金屬的氣相釋放特征,采用萃取、消解法分析堿金屬的固相轉(zhuǎn)化。并利用上述手段對(duì)準(zhǔn)東煤和玉米秸稈的混燒過程的堿金屬釋放/轉(zhuǎn)化特性進(jìn)行了全面研究。根據(jù)比爾-朗博定律標(biāo)定的修正LIBS測量方法,可獲得堿金屬氣相濃度的定量測量結(jié)果。根據(jù)測量曲線可知,準(zhǔn)東煤顆粒的燃燒過程,鈉的釋放具有三個(gè)特征釋放階段:(1)揮發(fā)分析出階段;(2)焦炭燃燒階段;(3)灰反應(yīng)階段。楊木顆粒燃燒過程的鉀釋放也具有上述三個(gè)特征,但玉米秸稈的鉀釋放僅具有揮發(fā)分析出階段。對(duì)不同階段的釋放進(jìn)行分析,準(zhǔn)東煤的鈉主要釋放階段為焦炭燃燒階段,而生物質(zhì)的鉀主要釋放階段為揮發(fā)分析出階段。在混燃過程中,隨生物質(zhì)比例的提高,鉀的釋放將上升;隨準(zhǔn)東煤比例提高,鈉的釋放將增強(qiáng)。此外,在準(zhǔn)東煤與玉米秸稈混合質(zhì)量分別為50%時(shí),燃燒產(chǎn)生了低溫共融的現(xiàn)象,灰熔點(diǎn)迅速下降�；趯�(shí)驗(yàn)溫度、直徑、質(zhì)量以及堿金屬的同步測量結(jié)果,構(gòu)建了堿金屬釋放的數(shù)學(xué)模型。本文構(gòu)建的雙方程堿金屬釋放模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合良好,能夠較好的捕捉煤/生物質(zhì)顆粒燃燒過程中不同階段的堿金屬釋放過程。接著,進(jìn)一步研究堿金屬的氣相分布特征,采用PLIF測量技術(shù)對(duì)準(zhǔn)東煤、玉米秸稈以及楊木燃燒過程中的堿金屬原子的釋放特性、氣相分布特征以及氣相組分進(jìn)行了深入探究。雙光子激發(fā)的Na-PLIF測量系統(tǒng)、耦合偏振片的K-PLIF測量系統(tǒng)能夠很好的避免煤和生物質(zhì)顆粒燃燒過程中產(chǎn)生的輻射、散射以及雜光等干擾�；诒葼�-朗伯定律,可由測量區(qū)出入射光的強(qiáng)度變化推算堿金屬原子的定量分布。堿金屬原子的釋放過程與揮發(fā)性堿金屬的LIBS測量結(jié)果類似。在高溫下,氣相鈉原子約占總鈉的24%,鉀原子約占總鉀的0.8%,氣相堿金屬的最主要成分為氫氧化物。根據(jù)LIBS和PLIF獲取的堿金屬的釋放特性、氣相組分測量以及離線分析結(jié)果,本文構(gòu)建了含八條變化路徑的煤和生物質(zhì)燃燒過程堿金屬的釋放及轉(zhuǎn)化機(jī)理,其中,堿金屬具有五種氣相釋放途徑和三種固相轉(zhuǎn)化途徑。最后,本文采用格子玻爾茲曼方法(LBM)探究焦炭燃燒與堿金屬釋放的本質(zhì)現(xiàn)象。發(fā)展的算法經(jīng)由丙烷對(duì)沖火焰文獻(xiàn)結(jié)果驗(yàn)證了燃燒反應(yīng)在LBM中的可行性以及本文計(jì)算代碼的準(zhǔn)確性�；谏鲜龃a,進(jìn)一步與焦炭燃燒模型、堿金屬燃燒模型進(jìn)行耦合。并對(duì)4 mm準(zhǔn)東煤顆粒燃燒過程的焦炭燃燒階段進(jìn)行模擬,雖然模型采用了部分簡化,但模擬計(jì)算的顆粒碳轉(zhuǎn)化率以及鈉釋放依然具有較高的準(zhǔn)確性。經(jīng)過文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)雙重驗(yàn)證后的計(jì)算代碼應(yīng)用于孔隙尺度的焦炭多孔介質(zhì)燃燒,模擬探究孔隙尺度的焦炭多孔介質(zhì)燃燒的本征反應(yīng)特性。模擬結(jié)果很好的呈現(xiàn)了孔隙尺度的焦炭結(jié)構(gòu)因燃燒產(chǎn)生的支持結(jié)構(gòu)斷裂、流道擴(kuò)張等微觀變化特征。此外,還表明了燃燒反應(yīng)產(chǎn)物與揮發(fā)產(chǎn)物在氣相具有截然相反的分布特征,燃燒產(chǎn)物主要集中在反應(yīng)鋒面并隨氣相流動(dòng)向內(nèi)擴(kuò)散,但是揮發(fā)產(chǎn)物則主要堆積在焦炭內(nèi)部的空孔、阻滯型流道等氣流擴(kuò)散能力較弱的區(qū)域。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK6
【部分圖文】：

006至2016年中國能源消費(fèi)總量變化

2圖 1.2 2006 至 2016 年中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)化石能源的利用手段主要還是直接燃燒，但是由于燃料特性以及技引發(fā)了一系列的環(huán)境問題[2, 3]。以燃煤為例，煤炭的結(jié)構(gòu)組成極為復(fù)雜，硫組分和氮組分在燃燒過程中會(huì)被氧化生成硫氧化物（SOx）和氮氧化物（

但是，就混合燃燒中堿金屬的固相轉(zhuǎn)化與氣相釋放的聯(lián)合分同時(shí)同步的分析混合燃燒下燃料固相的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化、氣相釋放以及化學(xué)特征表現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)深入全面了解混合燃燒的積灰以及結(jié)焦結(jié)渣生物質(zhì)的燃燒特性與模型研究說，熱分析方法（TGA）表征了物理參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)，在燃直觀的表征燃料在燃燒（通過控制氣氛，也可以為熱解、氣化）過變化，從而獲得燃料的燃燒特性。圖 1.3 中所展現(xiàn)的是兩種典型的過程中的質(zhì)量變化值（TG）以及質(zhì)量變化速率（DTG）。從圖中可一定程度上具有較為相似的燃燒特性（燃料的燃燒都有明顯典型的段的表現(xiàn)程度則因?yàn)槿剂咸匦缘牟灰粯佑志哂胁煌奶卣鳌?

本文編號(hào)：2827581