微波诱导焦炭放电及无烟煤点火强化研究

发布时间：2020-10-11 21:56

　　 推广等离子体点火技术是降低我国火电机组建设与运行成本和保障国家能源安全的迫切需求。无烟煤挥发分含量少且析出慢导致其目前无法实现等离子体无油点火。鉴于目前等离子体点火技术主要依赖电弧热效应,强化放电的化学动力学效应有望实现无烟煤等离子体点火。微波诱导焦炭放电技术可实现场调控、多点源、分散产生活性物质。但诱导放电机理、无烟煤裂解强化机制及其对点火过程的影响均不甚清楚。本文首先在氮气气氛下探究了微波诱导焦炭放电对晋城无烟煤和新华活性焦结构的裂解作用。微波固定床实验和热解实验结果表明,微波诱导焦炭放电确实具有化学动力学效应。本文通过光谱分析检测到了放电产生的电子激发态氮气,并通过气相产物分析、分子量检测和孔结构分析证明放电与热解对晋城无烟煤和新华活性焦结构作用存在差异。本文通过对煤和焦热解产物的放电实验解耦出放电化学效应,证明放电产生的活性物质在脱除煤的侧链结构等石墨化作用之外存在逆石墨化作用。本文在空气气氛下进一步探究了微波诱导焦炭放电对晋城无烟煤点火的影响。研究结果表明,微波诱导焦炭放电致无烟煤点火燃烧产物中二氧化碳比例达84.6%,高于焦炭和无烟煤单独微波辐照产物之和中二氧化碳占比;无烟煤经微波诱导焦炭放电温度超过燃点,温升较只采用微波辐照温升更快,因此微波诱导焦炭放电可实现对无烟煤点火的强化。最后,本文通过频域电磁场计算、等离子体流体模拟等方法揭示了微波诱导碳材料颗粒放电机制。数值模拟结果表明,在毫米级颗粒散射微波过程中,折射率满足n4或k2的颗粒可通过颗粒间小间距对微波电场有10倍以上的强化;n4且k2的颗粒则更可能是通过颗粒形状实现对微波电场10倍以上的强化。此外,颗粒间距过小则会因壁面附着电子而阻碍放电;添加低电离能气体组分则会增加Townsend电离系数。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM621
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义煤炭是我国社会经济发展所依赖的主要能源。改革开放后，煤炭一直占据中国能源消费格局的主导地位[1]，其历年所占我国能源消费总量比重均在 59%以上[2]。在世界范围内，我国是全球最大的煤炭消费经济体。我国煤炭年消费量占全球煤炭年消费量比重自 1986 年首次位居全球首位时的 20.9%，逐步攀升至 2017 年的 51.9%，为 1965 年以来历史最高水平[3]。电力是我国最大的煤炭消费产业。近十年来，发电用煤在我国煤炭年消费量中所占比重均超过 40%[4]。2016 年，我国全年发电用煤高达 18.3 亿吨标准煤，占煤炭消费量的 47.5%；同年供热、炼焦和制油气用煤所占煤炭消费量比重分别仅为 6.9%、15.8%和 0.6%[2]。

我国石油资源匮乏。截止 2017 年底，我国已探明石油储量 257 亿桶，仅占全球石油总储量的 1.5%。同年，我国原油消费量 6.79 亿吨标准油，进口量高达 4.22 亿吨标准油，对外依存度超过 60%[10]。同时，减少机组锅炉点火用油能够提高锅炉启停过程的安全性[11]。因此，减少锅炉启动及低负荷稳燃用油是国家、电力系统和企业亟待解决的问题。燃煤锅炉点火节油技术主要包括等离子体点火技术[12]、微油点火技术[13]、激光点火技术[14]、电加热点火技术[15]、高温空气点火技术[16]。由于激光器成本过高，电加热易致壁面结焦，空气加热系统复杂，成本高且易故障[17,18]，目前仅有等离子体点火技术和微油点火技术实现工业应用。其中，等离子体点火技术虽初次投资费用相对较高，但初次调试和正常启动节油效果明显。以 8×720t/h 烟煤锅炉为例[19]，与微油点火技术相比，等离子体点火初次投资高 760 万元；初次调试节省 1 320 万元；单次正常启动节省208 万元。因此，等离子体点火技术经济性更强。独联体国家自 1989 年对等离子体点火技术成功测试并进行应用[20]；国内烟台龙源电力技术股份有限公司自 2000 年等离子体点火成功后将其在国内外迅速推广[21]。

图 1-3 等离子体产生机制电弧是目前煤粉锅炉等离子体点火所采用的放电形式[55-58]。电极通电起弧后，加热载气形成等离子体射流（等离子体炬）。煤粉气流通过等离子体炬被快速加热，从而点火燃烧[59,60]。由于电弧是电子能量低，气体温度高的平衡态等离子体[61]，所产生的等离子体炬温度可达 2 000-10 000℃[62-66]。因而电弧对点火和助燃的作用主要是热效应[67]。1.2.3 无烟煤等离子体点火问题分析（1）挥发分少且析出慢无烟煤是煤阶最高的煤种。随着煤阶增加，煤的石墨化度上升，挥发分含量降低[68-72]，煤中芳香结构所占比例增加[73-75]。其中，挥发分通常由煤的侧链、桥键、含氧官能团以及芳香结构边缘碳氢键断裂形成[76]。与碳氢键（甲基上 3.7eV、苯环上 4.3eV）和碳碳单键（苯环与甲基间 4.4eV、其它 5.0-5.3eV）键能[77]相比，苯环开环分解所需能量超过 5.5eV[78]，而多环芳烃结构中间的碳与氧反应需要破坏中心的强共轭结构。因此，无论裂解还是燃烧均只能从多环
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 朱仙弟;梁华定;韩德满;董灵淦;;微波诱导活性炭纤维氧化处理亚甲基蓝废水[J];应用化工;2012年03期

2 余波;程刚;仝攀瑞;王晓红;;活性炭纤维微波诱导氧化处理染料废水[J];西安工程大学学报;2011年02期

3 余波;程刚;仝攀瑞;东波;;微波诱导催化剂在水处理中的应用[J];工业用水与废水;2010年04期

4 张金生;关晓彤;李丽华;;微波诱导过氧化氢氧化处理含油废水[J];辽宁石油化工大学学报;2007年02期

5 税安泽;王书媚;曾令可;刘平安;程小苏;王慧;;微波诱导催化炭还原处理废气的研究[J];中国陶瓷;2006年11期

6 谭璨,宁奇;微波诱导的Cannizzaro反应合成醇[J];中国医药工业杂志;2000年12期

7 陈启明，李华;一种新型的反应系统──微波诱导反应[J];湖北化工;1996年02期

8 张寒琦,叶冬梅,于爱民,段忆翔,金钦汉,张金生;超声雾化进样微波诱导等离子体原子发射光谱法测定痕量磷的研究[J];分析化学;1992年09期

9 张晓惠,侯明轶,张寒琦,于爱民,段忆翔,金钦汉;微波诱导等离子体原子发射光谱法测定铍铬钼钒锆锗的研究[J];岩矿测试;1992年03期

10 段忆翔,杜晓光,金钦汉;微波诱导等离子体原子发射光谱法测定汞的研究[J];岩矿测试;1993年01期

相关博士学位论文 前9条

1 胡二丹;基于微孔矿物吸附耦合微波诱导降解的水体中阿特拉津去除方法[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2015年

2 陈红英;臭氧—微波诱导催化氧化饮用水中的内分泌干扰物邻苯二甲酸二丁酯[D];太原理工大学;2012年

3 张小云;微波诱导催化玉米淀粉水解的基础研究[D];中南大学;2012年

4 黄河洵;基于微波诱导的市政污泥干化与热解研究[D];华中科技大学;2012年

5 龙奇;高频诱导无极光源的发射光谱学诊断[D];复旦大学;2008年

6 刘舒婷;新型稻壳基复合材料的制备及其吸附、催化降解与吸波性能研究[D];浙江大学;2017年

7 刘雪岩;尖晶石型磁性双金属氧化物功能材料对有机染料的去除及检测研究[D];辽宁大学;2016年

8 陈泓哲;铁酸盐基微波敏化剂在三苯甲烷染料降解中的应用[D];南京大学;2013年

9 孙静;微波诱导热解废旧印刷电路板（WPCB）的实验和机理研究[D];山东大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘明君;微波诱导焦炭放电及无烟煤点火强化研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 田林涛;过渡金属氧化物电子自旋磁矩的调控及其对微波诱导氧化降解的影响研究[D];中国地质大学(北京);2019年

3 李雨鑫;过渡金属化合物/碳纳米管复合材料的制备及其在催化中的应用[D];中国地质大学(北京);2019年

4 刘佳惠;微波诱导蒸发强化分离的装备与过程研究[D];天津大学;2018年

5 王宜灿;基于微波诱导金属放电的碳包覆金属纳米颗粒制备及性能研究[D];山东大学;2019年

6 陈兰君;等离子体/微波诱导金属有机框架缺陷的产生及多相催化性能研究[D];湖南大学;2018年

7 符伦菁;微波诱导放电光谱分析及其在生物质热解气重整的应用[D];山东大学;2018年

8 王青;微波诱导金属放电催化转化生物质焦油的研究[D];山东大学;2018年

9 王晓星;微波诱导敏化剂的制备及其对焦化废水的处理[D];武汉科技大学;2013年

10 赵莉;微波诱导稠油催化反应的机理研究[D];西安石油大学;2009年

本文编号：2837167