煤粉燃烧细颗粒物生成、演化与沉积特性实验研究

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导师姓名
姚强
学科专业
动力工程及工程热物理
文献出处
清华大学   2014年
关键词
煤粉燃烧论文  细颗粒物排放论文  积灰结渣论文  积灰内层论文  富氧燃烧论文
论文摘要

和石油天然气等化石燃料不同,煤炭特有的无机矿物质成分使得其在燃烧气化利用过程中面临更多挑战。如在煤粉燃烧过程中,部分无机矿物质通过蒸发-凝结-团聚等机制形成细颗粒物,污染大气环境;其余绝大部分矿物质成分通过破碎-熔融脱落-聚并等机制形成飞灰粗颗粒,在炉膛内部和尾部烟道中沉积在对流换热器管路表面,恶化传热特性进而降低电厂效率。因此,研究煤粉燃烧过程中无机矿物质的演化特性十分重要。本文基于这样的背景研究了我国几种典型动力用煤燃烧过程中细颗粒物的生成、演化与沉积特性。首先,通过高温一维炉细颗粒物采样试验研究了不同煤阶煤种细颗粒物排放特性的差别。结果显示低阶高钠准东煤生成的超细颗粒数量明显多于高阶烟煤。进一步的形貌和成分分析表明低阶煤中富含的水溶态和离子可交换态矿物成分是亚微米颗粒的主要来源,而内在矿物质通过还原反应形成的易挥发亚氧化物/金属单质是高阶烟煤亚微米颗粒的主要来源。采用特征时间分析的方法探讨了易挥发矿物蒸气在炉内的演化特性,其中矿物蒸气均相成核/异相凝结作用贯穿炉内燃烧全过程,而微米级颗粒间的碰撞-聚并作用概率很低。低阶准东煤燃烧过程中金属蒸气向颗粒表面异相沉积主要受扩散机制控制,而高阶神华烟则更多受到表面化学反应的影响使得矿物蒸气更容易在微米级颗粒表面沉积。其次,本文基于一维炉积灰试验探讨了积灰形成机理。试验结果表明准东煤积灰倾向性明显高于其它燃料,甚至高于草本生物质燃料。微观形貌观察显示准东煤粘性积灰内层生成量较多,而且很多飞灰粗颗粒表面沾有大量粘性细颗粒物,这些现象都表明准东煤积灰具有较高的粘结特性。离散动力学计算表明积灰内层大大增加了飞灰粗颗粒与积灰管壁碰撞过程中的能量耗散,进而增强了积灰管的捕集效率。此外,输运理论定量计算显示高钠准东煤的积灰内层形成量比高阶神华烟煤要多,因此准东煤飞灰更容易被积灰管捕集形成更高的积灰倾向性。最后,比较研究了富氧和常规两种不同燃烧气氛下细颗粒物排放特性和积灰特性的差异。一维炉试验结果表明真实烟气循环富氧条件下炉内细颗粒物浓度明显高于常规燃烧,而理论计算显示富氧条件下单位质量灰分生成的亚微米颗粒反而略低于常规工况,因此烟气循环携带的细颗粒物才是浓度增加的主要来源。此外高流速引起的高撞击效率是常规条件下积灰速率高于富氧条件的主要原因。

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摘要

Abstract

目录

主要符号对照表

第1章 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.2.1 颗粒物 PM10炉内生成演化特性

1.2.2 积灰结渣特性研究

1.2.3 富氧燃烧条件下细颗粒物排放特性和积灰特性研究

1.2.4 研究现状综述小结

1.3 本文的研究内容和技术路线

第2章 实验系统及分析测试方法

2.1 25kW 高温一维炉实验系统及采样装置介绍

2.1.1 高温一维炉实验系统

2.1.2 颗粒物采样装置

2.1.3 积灰采样装置

2.2 燃料特性

2.2.1 工业分析、元素分析、灰成分和灰熔点

2.2.2 化学分馏

2.2.3 原煤样中无机矿物质赋存形态

2.2.4 煤粉粒径分布

2.3 实验工况条件

2.4 采集样品分析方法

2.4.1 细颗粒物样品分析方法

2.4.2 积灰样品处理与分析方法

2.5 本章小结

第3章 不同煤种细颗粒物排放特性的实验研究

3.1 本章引言

3.2 我国几种典型煤种细颗粒物排放特性实验研究

3.2.1 质量浓度粒径分布试验结果

3.2.2 细颗粒物微观形貌和化学成分分析结果

3.3 不同煤种混烧细颗粒物排放特性

3.3.1 混烧工况下不同掺混比细颗粒物质量浓度粒径分布结果

3.3.2 混烧对细颗粒排放特性的影响分析

3.4 不同煤阶煤粉燃烧细颗粒物生成机理分析

3.5 本章小结

第4章 煤粉燃烧细颗粒物炉内演化特性分析

4.1 本章引言

4.2 无机亚微米颗粒炉内沿程演化特征时间尺度分析

4.2.1 均相凝结成核(Nucleation)速率及特征时间

4.2.2 异相凝结(Heterogeneous-Condensation)特征时间

4.2.3 团聚(Coagulation)特征时间

4.2.4 三种不同演化机制特征时间比较分析

4.3 气态金属炉内异相凝结控制机制分析

4.4 高阶烟煤燃烧细颗粒物炉内演化特性:碳烟氧化和碰撞-聚并

4.4.1 理论模拟方法介绍

4.4.2 模拟计算结果与讨论

4.5 本章小结

第5章 煤粉燃烧积灰结渣特性实验研究

5.1 本章引言

5.2 准东煤燃烧炉内结渣特性试验研究

5.3 准东煤积灰特性及其与其他燃料的比较

5.4 积灰内层对积灰过程的影响研究:离散动力学分析

5.5 积灰初期内层形成机理的理论分析

5.6 本章小结

第6章 常规和富氧燃烧细颗粒物排放与积灰特性比较研究

6.1 本章引言

6.2 真实烟气循环富氧燃烧试验:细颗粒物排放特性和积灰特性

6.2.1 试验工况条件

6.2.2 颗粒物(PM10)排放特性比较分析

6.2.3 飞灰粗颗粒粒径分布比较分析

6.2.4 两种工况下积灰特性比较研究

6.3 常规和富氧燃烧亚微米颗粒物生成量的理论分析

6.3.1 亚微米颗粒生成机理建模

6.3.2 焦炭燃烧表面温度建模计算

6.3.3 常规和富氧燃烧亚微米颗粒生成量计算结果与讨论

6.4 本章小结

第7章 结论

7.1 本文主要结论

7.2 建议与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

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