单颗粒煤及生物质燃烧过程中碱金属释放的激光测量及数值模拟

摘要

当今世界的能源形势，需要同时兼顾传统化石燃料的清洁利用和可再生能源的开发。本文围绕煤及生物质的利用过程，对碱金属释放危害热力设备运行的关键科学问题，采用自行搭建的先进激光在线诊断系统对单颗粒煤和生物质的燃烧特性以及碱金属的释放特性进行多参数耦合实验测量。根据实验认知，采用数学建模以及数值模拟的方法，对焦炭燃烧和碱金属释放构建模型并进行反应本质现象探究。通过实验与模拟的双重手段加深对颗粒燃烧及碱金属释放行为的认识，为将来的大规模实际利用低品质煤和生物质提供理论支撑。 首先，基于自行搭建的移动式单颗粒炉系统，对准东煤和玉米秸秆的不同燃烧及混燃特性，不同温度、粒径的准东煤焦燃烧特性，不同燃料焦炭的燃烧特征以及碱金属对焦炭燃烧影响进行了实验探究。实验结果表明生物质对混燃料的焦炭燃烧具有明显的加速作用；提高反应温度、缩小粒径以及添加碱金属等方式，均可以增强焦炭的反应活性。基于实验认知，构建了缩核型焦炭燃烧模型，并求取了准东煤焦炭的燃烧动力学参数，该模型对不同温度和粒径的准东煤焦炭燃烧模拟结果与实验结果吻合良好，为构建碱金属释放模型奠定基础。 然后，为探究碱金属元素的气相释放及固相转化，采用温度、质量、碱金属等多参数耦合测量的多点LIBS在线测量手段探究碱金属的气相释放特征，采用萃取、消解法分析碱金属的固相转化。并利用上述手段对准东煤和玉米秸秆的混烧过程的碱金属释放/转化特性进行了全面研究。根据比尔-朗博定律标定的修正LIBS测量方法，可获得碱金属气相浓度的定量测量结果。根据测量曲线可知，准东煤颗粒的燃烧过程，钠的释放具有三个特征释放阶段：（1）挥发分析出阶段；（2）焦炭燃烧阶段；（3）灰反应阶段。杨木颗粒燃烧过程的钾释放也具有上述三个特征，但玉米秸秆的钾释放仅具有挥发分析出阶段。对不同阶段的释放进行分析，准东煤的钠主要释放阶段为焦炭燃烧阶段，而生物质的钾主要释放阶段为挥发分析出阶段。在混燃过程中，随生物质比例的提高，钾的释放将上升；随准东煤比例提高，钠的释放将增强。此外，在准东煤与玉米秸秆混合质量分别为50%时，燃烧产生了低温共融的现象，灰熔点迅速下降。基于实验温度、直径、质量以及碱金属的同步测量结果，构建了碱金属释放的数学模型。本文构建的双方程碱金属释放模型与实验结果的吻合良好，能够较好的捕捉煤/生物质颗粒燃烧过程中不同阶段的碱金属释放过程。 接着，进一步研究碱金属的气相分布特征，采用PLIF测量技术对准东煤、玉米秸秆以及杨木燃烧过程中的碱金属原子的释放特性、气相分布特征以及气相组分进行了深入探究。双光子激发的Na-PLIF测量系统、耦合偏振片的K-PLIF测量系统能够很好的避免煤和生物质颗粒燃烧过程中产生的辐射、散射以及杂光等干扰。基于比尔-朗伯定律，可由测量区出入射光的强度变化推算碱金属原子的定量分布。碱金属原子的释放过程与挥发性碱金属的LIBS测量结果类似。在高温下，气相钠原子约占总钠的24%，钾原子约占总钾的0.8%，气相碱金属的最主要成分为氢氧化物。根据LIBS和PLIF获取的碱金属的释放特性、气相组分测量以及离线分析结果，本文构建了含八条变化路径的煤和生物质燃烧过程碱金属的释放及转化机理，其中，碱金属具有五种气相释放途径和三种固相转化途径。 最后，本文采用格子玻尔兹曼方法（LBM）探究焦炭燃烧与碱金属释放的本质现象。发展的算法经由丙烷对冲火焰文献结果验证了燃烧反应在LBM中的可行性以及本文计算代码的准确性。基于上述代码，进一步与焦炭燃烧模型、碱金属燃烧模型进行耦合。并对4mm准东煤颗粒燃烧过程的焦炭燃烧阶段进行模拟，虽然模型采用了部分简化，但模拟计算的颗粒碳转化率以及钠释放依然具有较高的准确性。经过文献和实验双重验证后的计算代码应用于孔隙尺度的焦炭多孔介质燃烧，模拟探究孔隙尺度的焦炭多孔介质燃烧的本征反应特性。模拟结果很好的呈现了孔隙尺度的焦炭结构因燃烧产生的支持结构断裂、流道扩张等微观变化特征。此外，还表明了燃烧反应产物与挥发产物在气相具有截然相反的分布特征，燃烧产物主要集中在反应锋面并随气相流动向内扩散，但是挥发产物则主要堆积在焦炭内部的空孔、阻滞型流道等气流扩散能力较弱的区域。

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