煤粉颗粒燃烧过程OH-PLIF测量试验研究
发布时间：2020-08-18 07:28
【摘要】：煤炭是目前世界上最重要的一次能源,在我国的能源结构上有着十分重要的地位。研究煤炭燃烧机理,发展清洁高效的燃煤技术成为了当下节能减排迫在眉睫需要解决的难题。煤炭由于其本身的结构以及成分复杂,其燃烧反应包含多相物理化学反应过程,对机理研究带来了非常大的困难。PLIF技术具有高时间、空间分辨率、高灵敏度等优点,在研究煤粉着火燃烧特性方面获得了许多重要的成果。OH-PLIF技术是通过ICMOS相机探测火焰中OH基团受激跃迁后自发辐射的荧光信号来反映火焰结构及温度等信息。而目前的主要研究方向上主要分为低频(10 Hz)PLIF研究煤粉群燃宏观特性,高频(~10 kHz)PLIF研究单颗粒煤粉着火特性。频率利用间隔大,而且还没有学者对群燃煤粉中单颗粒煤粉燃烧行为进行研究。因此,本文将开展利用多种重频PLIF技术研究煤粉燃烧特性,用以评估PLIF技术在研究煤粉等固体颗粒燃烧特性方面的适用范围;并且同时对煤粉群燃的宏观特性以及其中单颗粒的微观特性进行测量研究。本文利用10 Hz的PLIF获得了煤粉种类、煤粉粒径、环境温度、环境氧浓度、颗粒给粉速率五个因素对于煤颗粒群燃烧特点的影响规律。结果表明,除了环境温度对煤粉群燃特性影响较小,其他各因素都会对颗粒群燃的着火延迟、OH信号强度等产生一定程度的影响。利用500 Hz的PLIF技术获得了群燃煤粉中单颗粒的连续挥发分燃烧过程,得到了其在挥发分燃烧过程中火焰形态、OH信号强度以及运动速度等变化的信息。利用统计分析结果对比群燃实验结果,对煤粉群燃特性进行了分析。最后利用5 kHz和10 kHz的PLIF技术研究了群燃煤粉中单颗粒的着火过程,对其着火模式进行了分析,并结合群燃煤粉OH-PLIF结果,对比分析了不同着火模式对于后续燃烧特点的影响。不同的PLIF测量方法适用于研究煤粉燃烧特性的不同方面,选择合适的PLIF参数,能够对煤粉颗粒群宏观燃烧特性、微观变化过程以及早期着火燃烧机理进行研究,其在固体颗粒燃烧特性研究方面具有巨大的优势和发展潜力。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ534
【图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文火焰可见光图像、激光诱导白炽光技术、Mie 散，PLIF 技术高时间分辨率和空间分辨率以及非场和燃烧场特性方面得到了广泛的应用，同样存在广阔的应用前景，学者们也在该方面取得本大阪大学 (Osaka University) 的 Seungmin 于研究煤粉燃烧特性。他们利用 OH-PLIF 技 5 kW 的煤粉燃烧器上煤粉颗粒群燃烧的火焰区和煤粉颗粒空间位置分布的关系。结果表明了煤粉群燃火焰比较详细的火焰结构以及其燃用了阴影多普勒粒子分析仪 (Shadow Dopple温法分别对煤颗粒的形状、速度和燃烧过程中验研究肯定了 OH-PLIF 技术在研究煤粉燃烧特评估煤粉火焰以及研究火焰结构具有非常重要
间位置及煤粉燃烧进程的变化趋势，同时结合数值模拟得到的气体温度和氧气浓度，对煤火焰的结构进行了详细的分析。实验结果图像中，OH-PLIF 信号呈现清晰的火焰结构，LII 和 Mie 散射信号分别呈现了煤烟体积分数和煤粉颗粒的空间分布的详细信息，实验结果如图 1-1 所示。实验获得了煤粉燃烧碳烟烟气存在的区域以及生成需要满足的条件。2015 年，剑桥大学 (UniversityofCambridge) 的 SaravananBalusamy[11]等人在 21 kW 的实验室规格的煤粉-甲烷燃烧器上，利用 OH-PLIF 技术、Mie 散射、LII 技术研究了氧化剂和稀释剂浓度以及煤给粉速率对煤粉颗粒群燃烧的影响，并且获得了煤烟烟气的空间分布。实验结果中，OH-PLIF 图像捕捉了先导甲烷-空气预混火焰的燃烧反应区，以及不同 O2/CO2配比浓度组分下煤粉颗粒群火焰结构的变化。实验中，PLIF 重频为 10Hz，激光单脉冲能量为 12mJ，使用探测器为 ICCD 和 CCD 相机。实验结果通过对比 OH-PLIF、Mie 散射以及 LII 信号，分析了不同的煤粉给粉速度和环境氧浓度以及 CO2稀释气体浓度对三种信号的影响，获得了很好的成果。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文烟气、焦油和颗粒本身的黑体辐射信号进行探测成像。实验结果通过分析冷图像，确定了煤粉挥发分燃烧的持续时间，并且测得了单颗粒煤粉挥发分火燃烧持续时间与粒径、形状以及速度之间的关系。对比冷光图像和 OH-PLIF 像分析了单颗粒煤粉的挥发分着火过程以及挥发分火焰熄灭和焦炭着火燃烧程特点。其中冷光成像和 OH-PLIF 成像帧频均为 10kHz，同步拍摄；PLIF 部激光单脉冲能量 0.33mJ，激发波长 283.01nm，片光长度 7mm，厚度~100μm如图 1-3所示为OH-PLIF和冷光荧光成像两种方法获得的单颗粒煤粉燃烧图及对比。研究分析发现 OH-PLIF 适用于研究颗粒的着火过程，但是不适合研挥发分火焰熄灭及焦炭着火过程；而冷光荧光成像法则刚好相反，更加适合于测量煤粉挥发分燃烧持续时间。该研究从另一方面提出了 OH-PLIF 在研究粉着火燃烧特性方面的不足与局限性，并提出了冷光荧光成像的方法，指出其在研究煤粉特性方面的优点与重要性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ534
【图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文火焰可见光图像、激光诱导白炽光技术、Mie 散，PLIF 技术高时间分辨率和空间分辨率以及非场和燃烧场特性方面得到了广泛的应用，同样存在广阔的应用前景，学者们也在该方面取得本大阪大学 (Osaka University) 的 Seungmin 于研究煤粉燃烧特性。他们利用 OH-PLIF 技 5 kW 的煤粉燃烧器上煤粉颗粒群燃烧的火焰区和煤粉颗粒空间位置分布的关系。结果表明了煤粉群燃火焰比较详细的火焰结构以及其燃用了阴影多普勒粒子分析仪 (Shadow Dopple温法分别对煤颗粒的形状、速度和燃烧过程中验研究肯定了 OH-PLIF 技术在研究煤粉燃烧特评估煤粉火焰以及研究火焰结构具有非常重要
间位置及煤粉燃烧进程的变化趋势，同时结合数值模拟得到的气体温度和氧气浓度，对煤火焰的结构进行了详细的分析。实验结果图像中，OH-PLIF 信号呈现清晰的火焰结构，LII 和 Mie 散射信号分别呈现了煤烟体积分数和煤粉颗粒的空间分布的详细信息，实验结果如图 1-1 所示。实验获得了煤粉燃烧碳烟烟气存在的区域以及生成需要满足的条件。2015 年，剑桥大学 (UniversityofCambridge) 的 SaravananBalusamy[11]等人在 21 kW 的实验室规格的煤粉-甲烷燃烧器上，利用 OH-PLIF 技术、Mie 散射、LII 技术研究了氧化剂和稀释剂浓度以及煤给粉速率对煤粉颗粒群燃烧的影响，并且获得了煤烟烟气的空间分布。实验结果中，OH-PLIF 图像捕捉了先导甲烷-空气预混火焰的燃烧反应区，以及不同 O2/CO2配比浓度组分下煤粉颗粒群火焰结构的变化。实验中，PLIF 重频为 10Hz，激光单脉冲能量为 12mJ，使用探测器为 ICCD 和 CCD 相机。实验结果通过对比 OH-PLIF、Mie 散射以及 LII 信号，分析了不同的煤粉给粉速度和环境氧浓度以及 CO2稀释气体浓度对三种信号的影响，获得了很好的成果。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文烟气、焦油和颗粒本身的黑体辐射信号进行探测成像。实验结果通过分析冷图像，确定了煤粉挥发分燃烧的持续时间，并且测得了单颗粒煤粉挥发分火燃烧持续时间与粒径、形状以及速度之间的关系。对比冷光图像和 OH-PLIF 像分析了单颗粒煤粉的挥发分着火过程以及挥发分火焰熄灭和焦炭着火燃烧程特点。其中冷光成像和 OH-PLIF 成像帧频均为 10kHz，同步拍摄；PLIF 部激光单脉冲能量 0.33mJ，激发波长 283.01nm，片光长度 7mm，厚度~100μm如图 1-3所示为OH-PLIF和冷光荧光成像两种方法获得的单颗粒煤粉燃烧图及对比。研究分析发现 OH-PLIF 适用于研究颗粒的着火过程，但是不适合研挥发分火焰熄灭及焦炭着火过程；而冷光荧光成像法则刚好相反，更加适合于测量煤粉挥发分燃烧持续时间。该研究从另一方面提出了 OH-PLIF 在研究粉着火燃烧特性方面的不足与局限性，并提出了冷光荧光成像的方法，指出其在研究煤粉特性方面的优点与重要性。
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1 李
本文编号：2795926
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