（热能工程专业论文）挥发分、co火焰与炭粒燃烧的相互作用及其模化.pdf

挥发分、c 0 火焰与炭粒燃烧的相互作用及其模化 摘要 碳颗粒在氧化性气氛环境中的燃烧是包括多种表面反应及气相反应 的复杂系统。现代燃烧理论的连续膜模型已从理论上阐明了，碳表面氧 化反应一次产物c o 与o ，的空间反应对碳粒表面温度及其总体反应速率 的影响是极其复杂的。然而，由于高度非线性的气相燃烧与碳粒表面反 应热质耦合理论处理的复杂性、捕捉持续时间极短的颗粒表面c o 火焰 实验测量的困难性，在煤粉燃烧的反应动力学实验研究及煤粉火焰数学 模型的研究领域内，目前人们普遍采用的仍是假定c o 在颗粒边界层中 不燃烧的单膜模型。理论计算表明，c o 是否在颗粒表面附近被点燃所 引起的颗粒表面温度差可高达数百度之多。这一颗粒表面温度计算的不 确定性，对煤粉的燃尽、燃料n 的释放以及随后n o x 生成、控制过程 的数值模拟的影响是巨大的。正因为如此，这一课题至今仍是煤燃烧理 论工作者们所关注的热点之一。 本研究在煤粉气固两相传热、传质、化学反应全耦合数值模拟预报 的支持下，应用配置傅立叶变换红外光谱仪( f t i r ) 的透光式微量煤粉 燃烧装置对煤粉颗粒表面温度进行了直接测定，以此对挥发分火焰、c o 气相燃烧与炭粒表面反应的相互作用进行系统、深入的理论和实验研 究。在此基础上，研究开发考虑表面还原反应、及以离散形式体现c o 空间反应影响的碳粒燃烧模型，以适用于实际煤粉火焰，特别是此复杂 温度环境对n o x 生成影响的数值模拟。 本文的主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 完成了透光式微量煤粉燃烧装置的研制及与改型设计的f t i r 的 联机调试。完成了f t i r 发射透射( f t i re t ) 技术测量样品温度的理 论准备，并由此明确样品光学薄、符合独立单次散射条件是应用该方法 所必须满足的。在实验台上针对两种不同辐射特性的模拟火焰酒精 火焰内焰和蜡烛火焰，以及高温粘土尘团进行了模拟测试。结果表明， 本文研制的f t i r 测量实验台成功实现了f t i re t 测量技术对高温样品 温度的在线测量，可以满足实验室测温的精度要求。 ( 2 ) 建立了球坐标系下传热、传质、化学反应全耦合的碳粒煤粉燃 烧数值模拟程序。在详细理论计算的配合下，通过精密设计的实验研究， 用f t i re t 实验测温方法成功捕捉了持续时间极短的“c o 在颗粒表面 被点燃而引起的颗粒高温”现象。碳粒燃烧的连续膜模型的计算结果和 f t i re t 测温实验结果表明，在实际煤粉火焰条件下，单膜模型和严格 的连续膜模型的预报结果相差较大，特别是对着火点及着火后某段区间 内的颗粒温度的预报，是仅考虑表面氧化反应c + 1 2 0 ，一c o 的单膜模 型所无法完成的，这说明了单膜模型存在一定的应用局限性。 ( 3 ) 通过煤粉与事先脱除挥发分的焦炭的对比实验及数值模拟，研究 了挥发分火焰、c o 气相反应与炭粒燃烧的相互作用问题。f t i re t 测 温实验及煤粉燃烧动态过程的数值模拟不仅进一步验证了炭粒着火初期 c o 火焰所引起的颗粒高温现象，而且给出了挥发分引燃表面反应一次 产物c o 的直接证据。由于挥发分火焰的引燃作用，炭粒可以在较其非 均相着火温度为低的温度下被点燃，由此阐明了j i i n t g e n 提出的联合着 火方式的物理本质。 ( 4 ) 在原始移动火焰锋面( m f f ) 模型的基础上，考虑碳粒表面的还原 反应，提出一种改进的m f f 模型。并给出了碳粒表面燃烧反应速率的 显式表达式，以便于各种极限燃烧状态间的转变和影响因素的分析与讨 论。与单膜模型和原始的m f f 模型相比，颗粒温度和燃烧速率计算值 更符合严格的连续膜模型的预报结果，而计算时间又较连续膜模型有极 大的降低。这些研究表明，改进的m f f 模型是一种简单、准确、适于 工程应用的碳粒燃烧理论模型。 ( 5 ) 以一轴对称煤粉燃烧热态试验炉为研究对象，对改进的m f f 模 型进行了初步的应用分析。为满足辐射换热计算的需要，本文针对具有 二维特征的辐射换热问题，提出了一种降维处理方法。与三维方法不同 的是，降维后的辐射强度，。是在二维系统平面角的概念上导得的，其 值为辐射力e 的一半，即1 2 。= e 2 。经过降维处理后的数值方法使得具 有二维特征辐射传热问题的计算得到极大的简化。用离散传递法对含有 参与性介质的圆筒形腔体和无限长方腔内的热特性进行了计算，并将计 算结果与按三维辐射计算的结果或精确解进行了比较，两者取得了良好 的一致性。在此基础上，以降维后的离散传递法为辐射换热模型、反应 器网络模型为流动模型、改进的移动火焰锋面模型为燃烧模型，建立了 煤粉火焰燃烧传热综合模型，对煤粉燃烧炉进行温度场模拟，并与试验 结果进行比较，结果两者符合得较好。 关键词：f t i r 测温，c o 空间反应，碳粒煤粉燃烧，挥发分火焰， 辐射换热降维 s t u d ya n dm o d e l l i n go nt h ei n t e r a c t i o n o fv o l a t i l ef l a m e ，c of l a m ea n d c h a rp a r t i c l ec o m b u s t l 0 n a b s t r a c t t h ec o m b u s t i o no fc a r b o np a r t i c l e si na no x i d i z i n ge n v i r o n m e n ti s c o m p l i c a t e db ys e v e r a is i m u l t a n e o u s l y o ri ns e r i e s h a p p e n e d h e t e r o g e n e o u sa n dh o m o g e n e o u sr e a c t i o n s t h ec o n t i n u o u s f m m o d e io fm o d e r nc o m b u s t i o nt h e o r yh a st h e o r e t i c a l l ys h o w nt h a t t h e e f f e c t so ft h ev o l u m e t r i cr e a c t i o n ，c o + 1 2 0 ，一c o ，o nt h es u r f a c e t e m p e r a t u r ea n dt h ec o m b u s t i o nr a t eo fc a r b o np a r t i c l ea r ee x t r e m e l y c o m p l i c a t e d h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft r e a t i n gt h eh i g h l y n o n l i n e a rh e a ta n dm a s sc o u p l i n g a n dt h ed i 仟i c u l t yo fm e a s u r e m e n ti n c a p t u r i n gc of l a m ea tt h ep a r t i c l es u r f a c e ，t h es i n g l e f 1 mm o d e l ， a s s u m i n gn oc oc o m b u s t i o ni nt h eb o u n d a r yl a y e ro fp a r t i c l e i ss t i l l w i d e l yu s e di nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r j c a ls i m u l a t i o no f p u l v e r i z e dc o a ic o m b u s t i o na tp r e s e n t t h et h e o r e t i c a ic a l c u l a t i o n s s h o wt h a tt h es u r f a c et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f p a r t i c l ec a u s e db y w e a t h e rc oj si g n i t e dj nt h ev i c i n i t yo fp a r t i c l eo rn o t ，c a nb eu pt o s e v e r a ih u n d r e dd e g r e e sk e l v i n t h ej n f i u e n c eo ft h eu n c e r t a i n t yo f c a l c u l a t i n gs u r f a c et e m p e r a t u r eo nt h en u m e r i c a is i m u l a t i o no fb u r n o f f o fp u l v e r i z e dc o a l ，r e l e a s eo ff u e ina n ds u b s e q u e n t l yf o r m a t i o na n d c o n t r o lo fn o x ，i sg r e a t t h e r e f o r e ，t h es u b j e c ti ss t i l io n eo ft h eh o t s p o t st h a tr e s e a r c h e r sl nt h i sf i e l da r ec o n c e r n e dw i t h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei n t e r a c t i o no fv o l a t i l ef l a m e 。c oc o m b u s t i o n a n dc h a rp a r t i c l es u r f a c er e a c t i o n sj ss t u d i e ds y s t e m i c a l l ya n dd e e p l y b y n u m e r i c a is i m u l a t i o na n d d i r e c t l ym e a s u r i n g c o a l p a r t i c l e t e m p e r a t u r eu s i n gat r a n s p a r e n tc o m b u s t i o nr e a c t o rc o m b i n e dw i t h f t i r o nt h i sb a s i s ac o m b u s t i o nm o d e lf o rc a r b o np a r t i c l ew h i c h - i v t a k e st h ei n f i u e n c eo ft h es u r f a c er e d u c t i o na n dt h ec ov o l u m e t t i c r e a c t i o ni n t oa c c o u n t i sp r o p o s e df o rt h ei n d u s t r i a ip u l v e r i z e dc o a i f l a m e ，e s p e c i a l l yf o rs i m u l a t i n g t h ee f f e c t so ft h e c o m p l i c a t e d t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to nt h ef o r m a t i o no fn o y t h em a i ns t u d i e sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o i l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s p a r e n tp u l v e r i z e d c o a lc o m b u s t i o n r e a c t o ra n dt h eo n - l i n em e a s u r e m e n to fi tw i t hr e t r o f i td e s i g n e df t i r a r ec o m p l e t e d t h ec o n d i t i o nt h a ts a m p l em u s tb eo p t i c a l l yt h i na n d m o n o d i s p e r s i v ei sd e r i v e db yt h et h e o r e t i c a ia n a l y s i s a n ds h o u l db e s a t i s f i e di n e m p l o y i n gt h ef t i re m i s s i o n t 1 a n s m i s s i o n ( f t i r e t ) t e c h n i q u e t h ei n n e rf l a m eo fa l c o h o l ，t h ef l a m eo fc a n d l e ，a n dt h ec l a y p a r t i c l ec l o u da r et e s t e da ss i m u l a t e ds a m p l e s t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ed e v e l o p e df t l re x p e r i m e n ts y s t e ms u c c e s s f u l l yr e a l i z e st h eo n i i n em e a s u r e m e n tf o rt h et e m p e r a t u r eo fs a m p l eu s i n gf t i re - t t e c h n i q u e ，a n dm e e t st h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n to ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti ni a b ( 2 ) t h ep r o g r a ma n dc o m p u t i n gc o d e sf o rs i m u l a t i n gc a r b o n c o a l p a r t i c l ec o m b u s t i o n ，w h i c ht a k ec h e m i c a j t e a c t i o n s ，h e a ta n dm a s s t r a n s f e rj n t oa c c o u n t a r ee s t a b l i s h e di ns p h e r i c a ic o o r d i n a t es y s t e m w i t ht h es u p p o r to ft h ed e t a i l e dc a l c u l a t i o n s t h ep h e n o m e n o no f e l e v a t e dt e m p e r a t u r eo fp a r t i c l ec a u s e db yt h ei g n i t i o no fc oa tt h e p a r t i c l es u r f a c e ，w h o s ed u r a t i o ni sv e r ys h o r t ，i sc a p t u r e ds u c c e s s f u i l y b yu s i n gt h e f t i re - tt e c h n i q u e t h er e s u l t so ft h ef t i re - t e x p e r i m e n t sa n dt h ec a l c u l a t i o n sb yc o n t i n u o u s - f i i mm o d e if o rc a r b o n c o m b u s t i o ns h o wt h a tt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ep r e d i c t i o n so ft h e s i n g l e 娟i mm o d e la n dt h o s eo ft h er i g i dc o n t i n u o u s f i i mm o d e la r eg r e a t s p e c i a l l y , t h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r ea n ds o m ep a r t i c l et e m p e r a t u r e sa f t e r i g n i t i o nc a nn o tb ep r e d i c t e db ys i n g l e - f i l mm o d e l ，w h i c ho n l yc o n s i d e r s t h es u r f a c eo x i d a t i o nr e a c t i o nc + 1 1 2 0 ，一c o j ts h o w st h es i n g l e - f i i m m o d e ih a si t sl i m i t a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v ( 3 ) t h r o u g ht h ec o n t r a s t i v ee x p e d m e n ta n dt h en u m e r i c a j s i m u l a t i o nb e t w e e nt h ep u l v e r i z e dc o a la n dt h ec h a rw i t h o u tv o l a t l i e ， t h ei n t e r a c t i o no f v o l a t i l ef l a m e c 0g a sr e a c t i o na n dc h a rp a r t i c l e c o m b u s t i o nl ss t u d i e d 。t h e f t l re - tt e m p e r a t u r e m e a s u r i n g e x p e r i m e n ta n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ed y n a m i cp r o c e s so f p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o 爨狂o to n l yp r o v ef u r t h e rt h a tt h ep h e n o m e n o n o fe l e v a t e dp a r t i c l et e m p e r a t u r el n d u c e db yc 0f l a m ei nt h ei n i t i a i p e r i o do fi g n i t i o ne x i s t s ，b u tp r o v i d et h ed i r e c te v i d e n c et h a tv o l a t i l e f l a m ei n d u c e st h ec o m b u s t i o no ft h ep r i m a r yp r o d u c to fs u r f a c e r e a c t i o nc 0 。d u et ot h ef u n c t i o no fv o l a t i l ef l a m e ，c h a rp a r t i c l em a yb e i g n i t e d a t t e m p e r a t u r e i o w e rt h a ni t s h e t e r o g e n e o u si g n i t i o n t e m p e r a t u r e 1 t s h o w st h e p h y s i c a | e s s e n c e o fj o i n t h e t e r o h o m o g e n e o u si g n i t i o nm o d ep r e s e n t e db yj o n t g e n ( 4 ) o nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a lm o v i n gf l a m ef 婚嫩f m f f ) m o d e l ， c o n s i d e r i n gt h es u r f a c er e d u c t i o no fc a r b o np a r t i c l e ，a ni m p r o v e dm f f m o d e | l sp u tf o r w a r d 。m o r e o v e r , t oa n a l y z ea n dd i s c u s st h et r a n s i t i o no f v a r i o u sl i m i t i n gc o m b u s t i o nc o n d i t i o n sa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s c o n v e n i e n t l y , a ne x p l i c i te x p r e s s i o no fc o m b u s t i o nr a t e o fe a 内o n p a r t i c l ei sg i v e n c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e - f i l mm o d e la n dt h eo r i g i n a l m f fm o d e l ，p r e d i c t i o n sf o fp a r t i c l et e m p e r a t u r ea n dc o m b u s t i o nr a t e b yt h ei r e p r o v e dm f fm o d e ia r em o r ec o i n c i d e n tw i t ht h o s eb yt h er i g i d c o n t i n u o u s - f i i mm o d e l 。a n dt h ec a l c u l a t i o nt i m ei sm u c hl e s st h a nt h a t b yc o n t i n u o u s - f i i mm o d e l a t h o s es t u d i e ss h o wt h a tt h ei m p r o v e d m f fm o d e ll sas i m p l e ，a c c u r a t ea n da p p r o p r i a t ec a r b o np a r t i c l e c o m b u s t i o nt h e o r ym o d e if o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 瑙孙ei m p l e m e n t a t i o no ft h ei m p r o v e dm f fm o d e li sp r e l i m i n a r y l n v e s t i g a t e df o ra na x i s y m m e t r i cp u l v e r i z e d - c o a lc o m b u s t i o nf u m a c e 。 f i r s t l y , an e wd i m e n s i o n a t i t yr e d u c t i o nm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h e r a d i a n th e a tt r a n s f e rw i t ht w o - d i m e n s i o n a ic h a r a c t e r i s t i c sl sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht h ec o m m o nd e f i n i t i o ni nt h et h r e e - d i m e n s i o nm e t h o d ， w v i - t h er a d i a t i o ni n t e n s i t y 厶na f t e rd i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o n sd e 羲n e do n t h eb a s eo fp l a n ea n g l e t h en u m e r i c a ir e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e r a d i a t i o ni n t e n s i t y1 2 da n dt h ee m i s s i v ep o w e rei si 2 沪2 鼬u s i n gt h i s m e t h o d t h en u m e d c a is i m u l a t i o ni sg r e a t l ys i m p l i f i e d c o m p u t a t i o n so f t h e r m a c h a r a c t e r i s t i c su s i n gd i s c r e t et r a n s f e rm e t h o da r ep e r f o r m e d f o rac y l i n d r i c a le n c l o s u r ea n da n i n f i n i t e l yl o n gs q u a r ec a v i t y , c o n t a i n i n gam e d i u mo fc o n s t a n ta b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t 。s a t i s f a c t o r y a g r e e m e n t sw i t ht h er e s u l t sb ya n a l y t i c a io rt h r e e d i m e n s i o n a ir a d i a t i o n m e t h o da r eo b t a i n e d 。o nt h eb a s i so ft h i s 。鑫c o m p r e h e n s i v em o d e ll n w h i c ht h ed i s c r e t et r a n s f e rm e t h o da f t e rd i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o ni s u s e da st h er a d i a t i o ns u b m o d e l 。t h er e a c t o r - n e tm o d e la sf l o w s u b m o d e l ，t h ei m p r o v e dm f fm o d e ia sc o m b u s t i o ns u b m o d e l i s e s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nl nt h ef u m a c e 。t h e p r e d i c t i o n sa r ef o u n dt oc o m p a r ew e l it ot h em e a s u r e dd a t a k e yw o r d s ：f t j rt e m p e r a t u r em e a s u r i n g ，c ov o l u m e t r i cr e a c t i o n 。 c a r b o np a r t i c l etp u l v e r i z e d c o a lc o m b u s t i o n ，v o l a t i l e f l a m e ，d i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o no fr a d i a n th e a tt r a n s f e r - v 珏- 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：孑娟 日期：砷；年，上月d 日 指剥雠：毒叫 日期：硼年l 2 月珀 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寸发自 罗 日期：妒 年, 】- y j 盼日 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 能源是国民经济生存和发展的基础。我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭 消费国，在今后相当长的一段时间内，我国以煤为主的能源结构不会改变，煤炭 需求大幅增长不可避免，到2 0 5 0 年煤炭在一次能源中的比例亦将占6 0 左右口1 。 燃烧煤粉是目前我国主要的煤炭利用方式之一，广泛应用于电站锅炉和各种工 业窑炉上。然而，由于燃烧设备和燃烧技术的相对落后，不仅煤粉燃烧效率低，而 且还带来了严重的环境污染问题。据统计，我国二氧化碳的排放量占世界二氧化碳 排放量的1 1 8 ，人均排放量是美国的1 0 倍 2 1 。而动力用煤普遍品位低，煤质差， 又给锅炉的燃烧带来火焰不稳定、炉膛结渣、设备损耗增加等一系列问题【3 l 。这些 在煤粉燃烧工程中存在的问题和困难，要求人们必须充分理解燃烧过程中煤颗粒内 部及其周围发生的复杂的物理化学反应，如着火、碳黑成因、颗粒膨胀、炭粒反应 性以及湍流对化学反应的影响等。 另一方面，随着计算机的迅猛发展，数值计算日益成为解决实际问题的一种重 要工具。而对实际物理问题数值模拟结果的准确度，首先取决于对该问题所建立的 数学模型是否合理。在目前锅炉炉内过程的大型模拟计算中，由于煤粉气固两相流 动、燃烧、传热传质等过程全耦合处理的复杂性，人们往往对某些子模型进行简化 处理，如煤粉燃烧模型采用忽略气相反应的单膜模型或模型中引入经验结果等。这 些简化在一定程度上影响了人们对燃烧过程的正确认识，也促使人们对子模型的准 确性提出更高的要求。 本课题的研究是从煤粉燃烧机理入手，探讨煤粉燃烧过程中挥发分、c o 火焰 与炭粒燃烧的相互作用，并在此基础上，开发出准确的、适用于实际煤粉火焰的碳 粒燃烧理论模型。 1 2 煤粉燃烧研究现状 从燃烧学角度看，煤粉的燃烧过程主要有两个环节：着火和燃尽。前者主要受 上海交通大学博士学位论文 煤的热分解影响，后者由煤的炭燃烧过程控制。无论是热分解还是炭燃烧都是极为 复杂的物理化学问题，常常需要借助实验手段解决。因此，煤粉燃烧的研究是一种 实验基础上的半理论、半经验的研究。 1 2 1 煤粉热解 煤的热解是一个十分活跃的研究领域。人们通过大量实验和理论研究发现，煤 的热解失重程度可以高达煤粒总重的7 0 ，而热解产物挥发分直接影响煤粒的 着火、煤粉火焰的温度和稳定性。煤粒的软化、膨胀，炭骸的反应性、结构特征以 及碳黑的形成也都与热解过程密切相关。因此，为了加深对煤结构的认识及有效利 用煤资源，加强研究热解过程热解产物的析出特性和反应动力学规律是十分必要的。 热解产物总量和热解反应速率是研究煤粉热解所关注的两个方面。一般认为， 当煤种确定时，终温是影响热解产量的最重要的因素，而加热速率对产量没有明显 的影响。对细煤粉而言，热解产物的分布和总量不随其直径有明显变化；而对于大 粒径煤粒，则会显示出与细煤粉不同的特性。a n t h o n y 等人1 4 1 在研究压力的影响时发 现较低的环境压力有利于更多的挥发分的释放。对煤粉热解反应速率的研究却达不 到如此统一的认识。比如，当煤粒温度为8 0 0 时，文献报道的反应速率能从l s e c 。 变化到1 0 0 多s e c 。f 4 _ 2 ”。导致这么大差异的因素有很多，但总的来说可以归结为以下 三类：煤种、实验方法和动力学模型。 ( 1 ) 煤种对热解反应动力学的影响 煤是由有机化合物和无机化合物组 成的一种复杂的混合物。不同的煤种， 其结构、组成、组分的数量和分布都各 不相同。长期以来，人们通过工业分析 和元素分析来获得煤的基本宏观数据。 近十几年来，随着现代分析仪器的发展， 采用p y f i m s ，”c - n m r 、t g f t i r 等 手段对煤的微观结构进行深入研究成为 可能。研究表明，煤的基本微观结构复 杂而多样。这决定了煤的热解反应动力 学特性将存在差异。 图1 - 1a r g o n n e 煤的动力学速率随煤阶的变化n 6 r i g 1 - 1 r a n kd e p e n d e n c eo f k i n e t i cr a t e sf o r a r g o n n ec o a l s s o l o m o n f l 2 1 在早年的一篇综述中就煤种对热解反应速率的影响进行了评述。他在 一2 第一章绪论 对介于褐煤和高挥发分烟煤之间的煤种热解实验数据进行分析后发现，煤种对挥发 分组分析出速率的影响为5 1 0 倍。后来m ”目，他又对氧含量为8 2 6 的煤种进行 实验，也得出了相同的结论。b a d z i o c h 和h a w k s l e y t l 0 1 对无烟煤和烟煤也做过类似的 研究，其结果与s o l o m o n 的基本相同。 b u r n h a m 等瞄1 利用质谱仪在4 c m i n 的加热速率下对a r g o n n ep r e m i u m 煤进行 实验，然后用高斯活化能分布模型和离散活化能分布模型对烃类气体的析出速率进 行分析，结果发现在4 3 0 - - 4 9 0 ( 2 温度范围内，由于煤种不同导致的烃类析出速率相 差高达5 0 倍。s e r i o 等 1 6 , 2 3 , 2 4 1 用t g f t i r 系统在3 1 0 0 m i n 的加热速率范围内做了 类似的试验，并对4 5 0 ( 2 时不同煤种的焦油和c h 4 析出速率常数进行了比较，如图1 1 所示。显然，煤种对热解产物析出速率的影响是比较显著的。 朱学栋等吲用非等温熟重法对八种煤的热解过程进行了考察。研究结果表明， 煤的最大失重速率温度与氧含量以及最终失重与煤的挥发分有良好的相关性，反映 出煤化程度对热解的影响。徐跃年f 2 6 1 的热重实验结果表明，反应速率常数随煤化程 度的增加呈增大趋势，而且煤种不同，热分解反应速率差别较大。 王秋瑞鲫曾用热重分析法对中国3 1 种动力用煤进行了热解实验，测算了其热解 反应动力学参数，并通过对结果的分析，归纳了热解参数随煤的可燃基挥发分变化 的规律，得出慢速加热条件下，挥发分析出速率的简单表达式。把挥发分析出速率 随煤种的变化定量表示出来是该研究的一个特色，但这种定量关系仅适用于慢速加 热条件下，而不能用于工程计算。 s o l o m o n 从官能团的角度解释了煤种对热解动力学的影响。他认为煤是由各种 官能团组成的，每种官能团的热解参数与煤种无关，总体反应速率随煤种的变化是 由于各官能团的初始含量不同。而傅维标和张燕屏 2 8 , 2 9 l 则认为，在煤的热解过程中， 一个时间只有一种或几种宫能团起主要作用，因此等值的总体反应速率参数与煤种 无关。 ( 2 ) 实验方法对热解反应动力学的影响 迄今为止，人们开发了各种各样的热解实验技术来研究煤粉热解动力学。按测 量目标分类，可分为热解总失重测量和挥发分组份测量两类。前者的典型实验装置 有热天平9 ”、加热栅网f 4 , 6 , 7 , 1 2 , 1 8 1 、 挟带流反应器【5 , 9 , 1 0 , 1 6 , 1 7 , 2 1 , 3 枷】等，后者的典型实验 装置除上述三种外，还有居里点裂解色谱仪系统p “”、质谱仪1 4 2 “”、流化床 4 4 - 4 6 1 等。 按煤粉所处状态分，可分为挟带流动( e n t r a i n e df l o w ) 和固着试样( c a p t v es a m p l e ) 两 上海交道大学博奄学位论文 类。薅考豹典型实验装曼是囊壹淀黪炉、麓热管反菠器等，磊者懿典型实验装萋是 加热栅网、居里点裂解仪、热天平等。从加热方式来分，可分为热气体加热、电加 热和激必攘熬三类。滚降炉麟子翦考，加热掇怒、瑟燕点、热天平瓣予电热热，辐 射加热实验属于激光加热f 4 7 “m 。从加热速率来分，可分为慢遮热解、中速热解、快 速热鳄、闪逮热解霹类。慢速热解热热速率小于l o 压，典黧实验装置炎热天平； 中速热解为1 0 2 1 0 3 s ，典型装置为加热栅刚和居里点裂解仪；快速热解为1 0 4 1 0 5 ，s ，典型实验装置必挟带流凝应器；闪速热瓣加热速率裹达1 0 6 趣以上，典型实 验装溉为辐射加热和激波管等。煤粉穰炉内的加热速率一般大于1 0 s ，属快速和 闪速热解的范畴。 以上所剐的实验方法或实验装置都各有箕优缺点。例如，加热栅网实验熊得到 较高的终温和加热速率，而且二次反废能减小到最低程度，傻是煤粒在加热期间的 温度难班准确测定。沉降炉可以提供离达1 0 4 s 豹加热速率，但是容易发生二次反 应，亓谣且煤粒的温度历程也难以确定。加热管反应嚣可以准确测出颗粒温度和停鳃 露褥，而且热热速度穗菲常使h x1 0 4 s ) ，但因为粘结性煤容易糟附在管疆土， 所以实验煤种受到限制。热天平实验简单易行，可以得到准确的颗粒温度和停留时 润，觚两获褥低速下较为可靠的动力学参数，僵是这魏数据哭能蠲予低温下，应孀 到其它加热条件来描述热解过程会导数很大的误差。辐射加热有很多优点。例如， 凝热逮率毒，二次爱寂小，蠡雪舔襄毙纛虿疆猿立控翱等。毽它最大懿疑点楚焦漓和 炭骸分离得不够彻底，以及颗粒内部存在很大的温度梯度等。另外，热解时还可能 澎或碳黑。屡羹点裂躲纹胃戳穰确控铡趣热霹润秘避免二次疲痉，嚣暴颓粒澈度遣 能较好她掌握，但是煤粉试样用量少，容易造成较大的质量损失。关于煤粉熟解的 实验磷究，a n t h o n y 窝h o w a r d 4 9 1 ，h o w a r d “，h o r t o n 5 “，w e n d t p 2 ，秘s o l o m o n t ”爿l 都曾给出详尽的评述和总结。 颞粒漫度的准礁憋对手热瓣动力学参数懿确定攘巍关键。在大多数戆热躲实验 中，颗粒温度不是经过测量得到，而怒由己知的环境溆度通过传热模裂间接计算出 来的。在这秘帻况下，传热接型的准确度决定了热解参数的漆确性。然露，煤粒在 受热期间，其质量、尺寸、密度、组成、热容、导热系数和光学性质椁都将发生变 化。如果模型不把煤敉性质的这些变化考虑进来，则簸终褥到豹动力学参数将会有 很大的误差。文献p 3 , s s 曾做过计算，在挟带流幼实验中，加热速率两倍的误差会导 致颗粒漩度有1 5 0 3 0 0 的误惹，而在反应速攀上的误麓将达1 0 0 0 偿之多。造成这 么大误差的根本原因在于模型审对煤粒物性及其随温度和熟解程度的变化有着不同 第一章绪论 的假定。因此，预知煤粒性质的变化又是保证模型准确计算的基本条件。然而，在 目前的实验技术条件下，做到这一点非常困难。另些实验如加热栅网实验是将热 电偶置于栅网附近或橱网上，假定颗粒温度的变化与偶头的温度变化一致来推知颗 粒温度的。这样得到的温度也有很大争议。事实上，煤粒的热性质与热响应和热偶 头的完全不样，所处状态也不会与偶头完全相同，因而推算出的颗粒温度的合理 性还需进一步讨论。s o l o m o n 等刚对颗粒温度的影响进行大量分析后认为，在低加 热速率下，煤粒温度和环境温度只相差几度，则用热电偶测温就足以保证颗粒温度 的准确性，但在高加热速率下，煤粒温度和环境温度相差几百度，则为了得