激光诊断技术在煤及其气化气燃烧特性研究中的应用

摘要

在煤及生物质燃料的利用过程中，为了实现高效低污染，对燃料的分级转化利用成了一个重要手段。其中，煤及生物质的气化利用是分级转化利用的重要环节之一。通过气化过程产生的煤气，可以直接用于燃气轮机进行高效低污染燃烧发电，还可以用作众多化工生产的原材料。但是在分级转化的气化工艺中，会出现来源不同的煤及生物质原料。这些燃料的特性差异，加上气化工艺本身的不同，气化煤气的组份存在着较大的不确定性。煤气的主要组份包括氢气，一氧化碳，甲烷，氮气和二氧化碳等。其中作为重要的可燃组份，氢气的燃烧特性和通常使用的天然气有着很大的区别。加上大量的不可燃组份，比如氮气和二氧化碳，造成燃料热值较低，这都会给煤气的高效低污染燃烧利用造成很大的挑战。所以了解含有不同组份的煤气的燃烧特性，开发合理的稳定燃烧手段成了重要的研究课题。另外，在不少煤和生物质的气化燃烧过程中，会释放出大量的碱金属元素，这不仅仅会造成炉膛的结渣腐蚀，还会极大地影响煤气的品质。含碱金属的煤气，往往会造成燃气轮机叶片的腐蚀。所以，对于气化燃烧过程中，碱金属的释放规律的研究，以及探索实用的碱金属监测手段成为重要的研究内容。本文主要通过不同先进激光诊断技术对以上课题中的关键问题展开了相应的研究。
　　本研究对含有不同组份的煤气的层流火焰速度进行了精确的测量。层流火焰速度是燃料燃烧反应的重要特性之一，可广泛用于燃烧机理的验证和发展。本文使用的层流火焰速度测量方法包括热流量炉法和基于激光诱导 OH荧光（OH-PLIF）技术的本生灯法。通过不同比例的氢气和一氧化碳来模拟实际煤气的可燃组份，通过不同比例的氮气和二氧化碳来模拟实际煤气中稀释气体的比例。氢气在可燃组份中的比例从5％变化到75%，稀释气体比例从0%变化到50%。这些组份比例的大范围变化基本涵盖了不同类型的煤气。通过实验结果可以看出，煤气的层流火焰速度随当量比的变化趋势和甲烷等碳氢燃料有着很大的不同。煤气层流火焰速度峰值往往位于比较燃料富燃的区域，而不是通常的当量比1的附近。氢气量的增加可以极大地提高层流火焰速度，稀释度的增加可以明显减小层流火焰速度。通过对煤气燃烧机理的模拟分析发现，这些燃烧特性很大程度上都是受到燃烧过程中生成的H自由基的控制。本文总结了不同煤气的层流火焰速度和其燃烧反应区的H自由基浓度峰值之间的线性变化关系。通过总结实验获得的大量层流火焰速度，还总结出了用于估算不同煤气层流火焰速度的经验公式。通过OH-PLIF技术研究了不同煤气在较低湍流状态下，即皱褶区的火焰的燃烧特性。通过含有中心射流孔的平面火焰炉，生成了不同煤气在不同出口雷诺数下的预混射流火焰。这些火焰主要是在预混湍流火焰的起皱火焰区域和皱褶火焰区域。火焰的OH-PLIF瞬态图展示了不同工况下火焰的前锋面结构。本文分析计算了不同煤气在不同出口雷诺数下的湍流火焰速度。和对应的层流火焰速度相比较，湍流火焰速度随氢气比例以及稀释度的变化具有非常类似的趋势。较高的氢气比例造成较高的湍流火焰速度，较高的OH浓度以及较小的火焰尺寸。稀释度具有相反的效果。出口雷诺数的增加同样可以增加湍流火焰速度和 OH浓度。通过对实验获得的湍流火焰速度和对应煤气的层流火焰速度的比值的分析发现，对于起皱区和皱褶区的火焰，湍流度对湍流燃烧的影响规律不因煤气组分的不同而变化。另外，还通过 OH-PLIF技术和甲醛-PLIF技术研究了氮气稀释和二氧化碳稀释对低湍流度湍流火焰的影响。同样，稀释度的增加，极大地降低了 OH和甲醛的浓度，延迟了火焰的燃烧。对于相同湍流度下的火焰，稀释对火焰锋面局部结构的影响并不明显，但是会增加整体皱褶率。比较二氧化碳稀释气体和氮气稀释气体，区别比较大的是燃烧区的OH浓度。而对于未燃区的甲醛浓度，受不同稀释气体的影响较小。针对等离子体强化燃烧手段，研究了等离子体中的重要组分，即臭氧的强化燃烧特性。研究了臭氧强化燃烧的机理。通过甲醛-PLIF技术对臭氧强化甲烷/空气预混燃烧过程中甲醛生成的影响进行了研究。研究发现，臭氧的加入可以极大地促进火焰中甲醛的生成。在加入4500pp m的臭氧，对于当量比为1.4的甲烷空气预混火焰，反应区甲醛的浓度提高了50%以上。实验获得了在不同当量比下甲醛的增加率。通过实验数据和机理模拟结果的对照，验证了包含臭氧反应子机理的燃烧反应机理的可靠性。臭氧的加入，不仅仅增加了甲醛的浓度，而且明显提前了甲醛的生成时间。通过对甲醛的研究，可以看出，臭氧对于燃烧的促进作用主要发生在燃烧的预热区。通过可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术实现了对煤及生物质气化燃烧过程中钾原子浓度的定量测量，用于了解煤和生物质气化过程中碱金属的释放规律。比较不同的固体燃料，发现燃料本身的特性对碱金属的释放特性具有很大的影响。煤炭里面较多的固定碳使得其钾的释放主要发生在焦炭燃烧阶段。生物质较多的挥发份以及大量的水溶性碱金属，使其钾的释放主要发生在挥发份燃烧阶段。另外还比较了燃料在燃烧和气化过程中钾的不同释放特性。气化过程削弱了挥发分和焦炭的消耗反应，使得整个钾释放过程有所变弱。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1引言

1.2激光诊断技术在燃烧研究中的应用

1.3煤气燃烧特性研究现状

1.4臭氧强化燃烧研究现状

1.5煤/生物质气化燃烧过程中碱金属释放的激光诊断研究现状

1.6本文研究内容及结构

2试验仪器和系统

2.1激光测量系统

2.2燃烧系统

3 煤气预混层流火焰速度的测量及机理研究

3 .1 引言

3 .2 试验方案和模拟手段

3 .3 实验结果和机理验证

3 .4 煤气组份的影响

3 .5自由基H和OH的特性

3.6 H2/CO/O2预混燃烧的层流火焰速度

3.7 稀释度和层流火焰速度之间的相关性

3.9本章小结

4煤气低湍流度湍流燃烧特性的激光测量研究

4.1引言

4.2实验设备

4.3预混湍流火焰前锋面的分析和实验数据处理

4.4煤气稀释燃烧的研究

4.5甲烷稀释燃烧的研究

4.6本章小结

5臭氧强化燃烧的激光测量研究

5.1引言

5.2试验方案

5.3甲醛荧光辐射光谱

5.4臭氧对层流火焰中甲醛的强化生成

5.5臭氧对湍流火焰中甲醛的强化生成

5.6本章小结

6煤及生物质气化燃烧过程中钾原子浓度的在线测量研究

6.1引言

6.2实验装置

6.3实验结果和分析

6.4本章小结

7全文总结

7.1主要研究内容和结论

7.2本文主要创新点

7.3未来工作展望

参考文献

作者简介