激光診斷技術(shù)在煤及其氣化氣燃燒特性研究中的應用.pdf

1、在煤及生物質(zhì)燃料的利用過程中，為了實現(xiàn)高效低污染，對燃料的分級轉(zhuǎn)化利用成了一個重要手段。其中，煤及生物質(zhì)的氣化利用是分級轉(zhuǎn)化利用的重要環(huán)節(jié)之一。通過氣化過程產(chǎn)生的煤氣，可以直接用于燃氣輪機進行高效低污染燃燒發(fā)電，還可以用作眾多化工生產(chǎn)的原材料。但是在分級轉(zhuǎn)化的氣化工藝中，會出現(xiàn)來源不同的煤及生物質(zhì)原料。這些燃料的特性差異，加上氣化工藝本身的不同，氣化煤氣的組份存在著較大的不確定性。煤氣的主要組份包括氫氣，一氧化碳，甲烷，氮氣和二氧化碳等

2、。其中作為重要的可燃組份，氫氣的燃燒特性和通常使用的天然氣有著很大的區(qū)別。加上大量的不可燃組份，比如氮氣和二氧化碳，造成燃料熱值較低，這都會給煤氣的高效低污染燃燒利用造成很大的挑戰(zhàn)。所以了解含有不同組份的煤氣的燃燒特性，開發(fā)合理的穩(wěn)定燃燒手段成了重要的研究課題。另外，在不少煤和生物質(zhì)的氣化燃燒過程中，會釋放出大量的堿金屬元素，這不僅僅會造成爐膛的結(jié)渣腐蝕，還會極大地影響煤氣的品質(zhì)。含堿金屬的煤氣，往往會造成燃氣輪機葉片的腐蝕。所以，對于

3、氣化燃燒過程中，堿金屬的釋放規(guī)律的研究，以及探索實用的堿金屬監(jiān)測手段成為重要的研究內(nèi)容。本文主要通過不同先進激光診斷技術(shù)對以上課題中的關(guān)鍵問題展開了相應的研究。
　　本研究對含有不同組份的煤氣的層流火焰速度進行了精確的測量。層流火焰速度是燃料燃燒反應的重要特性之一，可廣泛用于燃燒機理的驗證和發(fā)展。本文使用的層流火焰速度測量方法包括熱流量爐法和基于激光誘導 OH熒光（OH-PLIF）技術(shù)的本生燈法。通過不同比例的氫氣和一氧化碳來模擬

4、實際煤氣的可燃組份，通過不同比例的氮氣和二氧化碳來模擬實際煤氣中稀釋氣體的比例。氫氣在可燃組份中的比例從5％變化到75%，稀釋氣體比例從0%變化到50%。這些組份比例的大范圍變化基本涵蓋了不同類型的煤氣。通過實驗結(jié)果可以看出，煤氣的層流火焰速度隨當量比的變化趨勢和甲烷等碳氫燃料有著很大的不同。煤氣層流火焰速度峰值往往位于比較燃料富燃的區(qū)域，而不是通常的當量比1的附近。氫氣量的增加可以極大地提高層流火焰速度，稀釋度的增加可以明顯減小層流火

5、焰速度。通過對煤氣燃燒機理的模擬分析發(fā)現(xiàn)，這些燃燒特性很大程度上都是受到燃燒過程中生成的H自由基的控制。本文總結(jié)了不同煤氣的層流火焰速度和其燃燒反應區(qū)的H自由基濃度峰值之間的線性變化關(guān)系。通過總結(jié)實驗獲得的大量層流火焰速度，還總結(jié)出了用于估算不同煤氣層流火焰速度的經(jīng)驗公式。通過OH-PLIF技術(shù)研究了不同煤氣在較低湍流狀態(tài)下，即皺褶區(qū)的火焰的燃燒特性。通過含有中心射流孔的平面火焰爐，生成了不同煤氣在不同出口雷諾數(shù)下的預混射流火焰。這些火

6、焰主要是在預混湍流火焰的起皺火焰區(qū)域和皺褶火焰區(qū)域。火焰的OH-PLIF瞬態(tài)圖展示了不同工況下火焰的前鋒面結(jié)構(gòu)。本文分析計算了不同煤氣在不同出口雷諾數(shù)下的湍流火焰速度。和對應的層流火焰速度相比較，湍流火焰速度隨氫氣比例以及稀釋度的變化具有非常類似的趨勢。較高的氫氣比例造成較高的湍流火焰速度，較高的OH濃度以及較小的火焰尺寸。稀釋度具有相反的效果。出口雷諾數(shù)的增加同樣可以增加湍流火焰速度和 OH濃度。通過對實驗獲得的湍流火焰速度和對應煤氣

7、的層流火焰速度的比值的分析發(fā)現(xiàn)，對于起皺區(qū)和皺褶區(qū)的火焰，湍流度對湍流燃燒的影響規(guī)律不因煤氣組分的不同而變化。另外，還通過 OH-PLIF技術(shù)和甲醛-PLIF技術(shù)研究了氮氣稀釋和二氧化碳稀釋對低湍流度湍流火焰的影響。同樣，稀釋度的增加，極大地降低了 OH和甲醛的濃度，延遲了火焰的燃燒。對于相同湍流度下的火焰，稀釋對火焰鋒面局部結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，但是會增加整體皺褶率。比較二氧化碳稀釋氣體和氮氣稀釋氣體，區(qū)別比較大的是燃燒區(qū)的OH濃度。而

8、對于未燃區(qū)的甲醛濃度，受不同稀釋氣體的影響較小。針對等離子體強化燃燒手段，研究了等離子體中的重要組分，即臭氧的強化燃燒特性。研究了臭氧強化燃燒的機理。通過甲醛-PLIF技術(shù)對臭氧強化甲烷/空氣預混燃燒過程中甲醛生成的影響進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，臭氧的加入可以極大地促進火焰中甲醛的生成。在加入4500pp m的臭氧，對于當量比為1.4的甲烷空氣預混火焰，反應區(qū)甲醛的濃度提高了50%以上。實驗獲得了在不同當量比下甲醛的增加率。通過實驗數(shù)據(jù)和機

9、理模擬結(jié)果的對照，驗證了包含臭氧反應子機理的燃燒反應機理的可靠性。臭氧的加入，不僅僅增加了甲醛的濃度，而且明顯提前了甲醛的生成時間。通過對甲醛的研究，可以看出，臭氧對于燃燒的促進作用主要發(fā)生在燃燒的預熱區(qū)。通過可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)實現(xiàn)了對煤及生物質(zhì)氣化燃燒過程中鉀原子濃度的定量測量，用于了解煤和生物質(zhì)氣化過程中堿金屬的釋放規(guī)律。比較不同的固體燃料，發(fā)現(xiàn)燃料本身的特性對堿金屬的釋放特性具有很大的影響。煤炭里面較多的固