高温低氧气氛下煤粉颗粒燃烧特性的实验研究与模拟

作     者：郑善凯 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周月桂

授予年度：2018年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：煤粉燃烧 高温低氧燃烧 辐射光谱 颗粒温度 颗粒发射率 

摘      要：MILD富氧燃烧技术能够改善炉内温度分布均匀性,增强炉内辐射传热量,降低氮氧化物排放量,提高烟气中的CO2浓度使其易于捕集和封存,同时具有高效燃烧与超低污染物排放的巨大优势和潜力。MILD燃烧在工业应用中主要依靠高速射流卷吸高温烟气实现,其本质为提高燃料和氧化剂的预热温度、降低反应区内的氧气浓度,为燃料燃烧提供高温低氧浓度的热力环境。本文主要采用实验和数值模拟研究O2/N2气氛和O2/CO2气氛下反应温度和氧气浓度对煤粉颗粒着火和燃烧特性的影响,为MILD富氧煤粉燃烧技术的应用提供理论基础。首先设计并搭建了平面扩散火焰煤粉燃烧实验系统,通过设计不同气体流量和当量比,使平面扩散火焰燃烧器中气体燃烧后能够产生不同温度和氧气浓度的O2/N2气氛和O2/CO2气氛热氛围,并采用热电偶和烟气分析仪测量平面扩散火焰燃烧实验系统提供热氛围不同径向位置和轴向位置处的温度和氧气浓度,设计的平面扩散火焰燃烧器能够为中心煤粉颗粒的燃烧提供一维稳定的热氛围。然后采用光纤光谱仪测量了煤粉颗粒在不同热氛围中燃烧火焰的辐射光谱,根据普朗克辐射定律和比色法得到煤粉燃烧的颗粒温度和发射率,研究了煤粉颗粒在不同热氛围温度和氧气浓度下着火距离、颗粒温度等的变化规律。实验结果表明提高热氛围的温度能够显著地缩短煤粉颗粒的着火距离,颗粒燃烧的火焰亮度增加,颗粒表面温度增大;降低热氛围的氧气浓度使煤粉颗粒的着火距离延长,燃烧火焰亮度降低,同时颗粒表面温度降低;不同热氛围条件下O2/CO2气氛中煤粉燃烧的着火距离比O2/N2气氛中煤粉燃烧的着火距离长0.07～0.49cm。热氛围温度为1400 K、氧气浓度为20%时在不同位置处O2/CO2气氛下的颗粒温度比O2/N2气氛下的颗粒温度低50～115 K,两种气氛下沿程颗粒温度的平均差值为85K。最后对平面扩散火焰煤粉燃烧实验系统中煤粉颗粒的燃烧进行了详细的数值模拟,发现随着热氛围温度的升高煤粉气流的温升速率提高,使得挥发分析出的位置提前,反应生成的一氧化碳体积分数和温度均有所增加。相同热氛围温度下挥发分析出燃烧的位置并不随热氛围氧气浓度的变化而改变,距燃烧器出口2 cm内的温度受热氛围氧气浓度变化的影响较小,而2 cm之后颗粒温度随热氛围氧气浓度降低而降低。