陳家倫.微重力和常單顆粒煤著火的實(shí)驗(yàn)研究華中科技

1、分類 號(hào)學(xué)號(hào) M201471127密級(jí) 學(xué)校代碼 1 0 4 8 7微重力和常重力單顆粒煤著火的實(shí)驗(yàn)學(xué)位申請(qǐng)人：陳家倫學(xué)科專業(yè)：動(dòng)力工程指導(dǎo)教師：教授教授2016 年 05 月 18 日答辯日期：AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfor the Degree of the Master of EngineeringExperimental Studies on the Ignition of SingleCoal Particles Under Zero and Normal Gravity ConditionsCandi

2、date:Chen JiaMajor:erEngineeringSupervisor:Professor ProfessorXu Minghou Qiao YuHuazhong University of Science &Technology Wuhan 430074, P.R.ChinaMay, 2016獨(dú)創(chuàng)性本人所呈交的是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明的內(nèi)容外，本不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)或撰寫過的成果。對(duì)本文的做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全本的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日使用書本作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、

3、使用的規(guī)定，即：學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交的復(fù)印件和，允許被查閱和借閱。本人華技大學(xué)可以將本的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等保存和匯編本。，在年后適用本書。本屬于不。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”）作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要煤著火特性表征煤著火過程中物理化學(xué)變化規(guī)律，是煤炭高效清潔利用所需的理論基礎(chǔ)。單顆煤粒作為最簡單的存在形式，其著火過程不受其他顆粒影響，相關(guān)能夠更好地揭示煤的本征著火和燃燒特性，本文采用實(shí)驗(yàn)并輔以模型計(jì)算相結(jié)合的方法深入系統(tǒng)地開展了單顆煤粒的著火。利用實(shí)踐十號(hào)煤燃燒箱實(shí)驗(yàn)裝置，獲得長時(shí)間微重力條件下典型煙煤顆粒和無

4、煙煤顆粒的著火、燃燒的本征形態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)比了在常重力和微重力條件下的著火燃燒方式，著火時(shí)間的區(qū)別。微重力下煙煤揮發(fā)分火焰的球形度較高，亮度較低，燃燒后期有微細(xì)粒子組成的尾隨物以射流形式從煤顆粒表面溢出；環(huán)境溫度較高時(shí)，揮發(fā)分火焰某些位置火焰呈現(xiàn)噴射狀。微重力下無煙煤顆粒著火區(qū)域更加均勻，表現(xiàn)為整個(gè)煤顆粒各個(gè)區(qū)域同時(shí)著火，焦炭燃燒火焰亮度更低。微重力下，由于缺少自然對(duì)流的作用，O2 的擴(kuò)散和熱態(tài)空氣對(duì)煤顆粒的對(duì)流換熱都受到了抑制，煙煤和無煙煤出現(xiàn)更長的著火延遲時(shí)間。利用地面實(shí)驗(yàn)裝置開展了常重力下煤種、氧氣濃度、粒徑、加熱速率等方面對(duì)mm 量級(jí)煤顆粒著火特性和燃燒現(xiàn)象影響的。氧濃度增加會(huì)縮短無煙煤、

5、煙煤和褐煤的著火延遲時(shí)間。對(duì)于大顆粒，氧濃度對(duì)著火影響更加明顯。粒徑增加時(shí)會(huì)延長煙煤和褐煤著火延遲時(shí)間。對(duì)于煙煤和褐煤，低環(huán)境溫度時(shí)，氧濃度增加對(duì)大顆粒著火影響更大。環(huán)境溫度增加會(huì)縮短煙煤和褐煤的著火時(shí)間。氧濃度在低氧區(qū)間時(shí)，增加環(huán)境溫度對(duì)低氧濃度的著火時(shí)間的影響更大。煙煤在兩種環(huán)境溫度下均發(fā)生均相著火。褐煤在低環(huán)境溫度均發(fā)生異相著火，高環(huán)境溫度時(shí)主要發(fā)生均相著火，高氧氣濃度時(shí)有向聯(lián)合著火和異相著火轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。考慮煤粒內(nèi)部溫度梯度的一維瞬態(tài)著火模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。得到結(jié)論如下，氧氣濃度增加時(shí)，煤粒的著火延遲時(shí)間縮短，著度降低；粒徑增加時(shí)，煤粒的著火延遲時(shí)間增加，

6、煤粒表面溫度除了煙煤低環(huán)境溫度工況外均增加，表面和中心溫差增大；加熱速率升高時(shí)，煤粒的著火延遲時(shí)間縮短。：單顆煤粒；著火；微重力燃燒；著火特性；瞬態(tài)著火模型IABSTRACTTheignitioncharacteristicsofcoalparticlesrepresentprosofphysico-chemical changes during the ignition period. They are the theoreticalfoundation for highly efficient and clean utilization of coal resour. As thesimp

7、lest existence, the single coal particle avoids the mass and heat transferbetn particles, and thereby the ignition studies on the single coal particles couldprovide an easy and ideal way to understand the coal ignition and combustioncharacteristics.his pr , the reseach on the ignition of single coal

8、 particle isbased on the experiment and supplemented by mcalculation method.Utilizing the experimental device of coal combustion on the SJ-10 Planet, wehave got somerinsic data of typical bituminous particle and anthracite particlesignition and combustion. Then we have compared the coal ignition cha

9、racteristics,coal combustion characteristics and the ignition delay time betn zero andnormal gravity. The volatile fire of bituminous showed higher spherical degreeand lower brightne found some followingcoal particle surfacender zero gravity. In late combustion period, it could becontents consisted

10、of fine particles had escd from thehe form of jetting. When the ambient temperature washigher, the volatile fire showed spurting in some direction. The whole coal particlewas ignited at the same time under zero gravity while the anthracite showed more symmetrical ignition area and lower brightness o

11、f coal combustion.As a result ofthe lack of natural convection, the oxygen diffuand the convective heattransfer betn the coal and the gas were inhibited at the same time under zerogravity. And then theignition delay time.bituminous coal and the anthracite coal all showed longerUtilizing the experime

12、ntal device of normal gravity, we have researched theinfluenignition ignitionof coal type, O2 concentration, particle size and heating rate on theand combustion characteristics of the mm scale coal particles. The delay time of anthracite, bituminous and lignite decreased with oxygenconcentration. Th

13、e ignition delay time of bituminous and lignite increased withIIparticle size. The O2 concentrationshowedmore obvious influence on largerparticle when the ambient temperature was lower. The ignition delay time ofbituminous and lignite decreased with heating rate. The increase of the ambienttemperatu

14、re showedmore obvious influence on the lower O2 concentrationwhen the O2 concentration belong to the low O2 concentration section. Thebituminous was homogeneously ignited in bombient temperature . The lignitewasheterogeneouslyignitedinthelowerambienttemperaturewhile homogeneous ignition was dominant

15、 in the higher ambient temperature andignition behavior turned to be hetero-homogeneous and heterogeneous.Whats more , we used a transient 1D ignition mconsidering thermalconduction inside the coal particle to simulate previous experimental conditions and compared the m-based results with the experi

16、mental results. We found t the ignition delay time and the ignition temperture decreased with the O2concentration. The ignition delay time increased with the particle size. Thetemperture on the particle surface excluding the bituminoushe lower ambienttemperature increased with the particle size and

17、the difference betn surfaceand central temperture increased at the same time.decreased with the heating rate.ast, the ignition delay timeKey words: single coalcharacteristics, transientparticle,ignitionignition,mmicrogravitycombustion,ignitionIII目錄摘要IABSTRACTII1 緒論1.1 課題背景及意義11.2 煤著火現(xiàn)狀21.3 微重力下煤著火現(xiàn)狀

18、151.4的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排212 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法2.1地面試驗(yàn)裝置232.2微重力煤燃燒箱實(shí)驗(yàn)裝置252.3實(shí)驗(yàn)樣品與工況332.4 本章小結(jié)333 單顆粒煤著火影響的3.1 微重力與常重力著火對(duì)比343.2 氧氣濃度對(duì)著火的影響433.3 顆粒粒徑對(duì)著火影響643.4 加熱速率對(duì)著火影響673.5 本章小結(jié)83IV4 單顆煤粒模型計(jì)算及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較4.1模型簡介854.2.86模型4.3 本章小結(jié)905 結(jié)論與展望5.1 主要結(jié)論925.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)945.3展望94致謝96參考文獻(xiàn)97附錄 1攻讀期間學(xué)術(shù)成果匯總102V1 緒論1.1 課題背景及意義煤是一種常用化石，在許多國家的

19、能源消耗中重要地位，在我國更是長期占主導(dǎo)地位。2014 年起我國煤炭年消耗量超過 35 億噸，燃煤生產(chǎn)近 80%的電力，同時(shí)供給大部分的工業(yè)蒸汽和熱水，但也是我國大氣污染的主要來源。我國煤炭資源大多屬于中低硫煤和中灰煤。由于長期以來缺乏對(duì)生產(chǎn)和消費(fèi)洗清煤炭的刺激，我國大多數(shù)消費(fèi)者仍使用原煤。50以上煤炭被作為動(dòng)力用煤，在鍋爐等燃燒設(shè)備直接燃燒，在提供能源動(dòng)力的同時(shí)，又成為我國的大氣污染的主要來源。通過動(dòng)力燃煤所形成的污染物，如 SO2、CO2、NOx 等分別約占各自總排放的60%、70%和 80%。SO2 的排放處于世界第一位，超過了，CO2 排放僅次于美國。中國已成為全球重要污染源之一，中國

20、環(huán)境污染指數(shù)超過世界平均值 2 倍1。燃煤污染排放造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、危害人民的身體健康并造成不良的國際影響。如何提高煤炭的利用效率和降低煤炭利用中產(chǎn)生的污染是我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、和諧發(fā)展的需求。而煤的燃燒特性的掌握又是煤高效清潔燃燒的關(guān)鍵。煤的燃燒特性是表征煤燃燒過程化學(xué)物理變化規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、著火特性、燃盡特性、污染物生成特性等。這些數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)燃煤設(shè)備（如鍋爐和氣化爐等）時(shí)重要的參考數(shù)據(jù)。燃燒室的截面大小、高矮、受熱面的布置、流場的組織、的配送，以及一些特殊措施的布置等等，都與這些參數(shù)密切相關(guān)。燃煤設(shè)備由于煤種等原因個(gè)性化很強(qiáng)，加上鍋爐設(shè)備普遍龐大，消耗量大，氣化設(shè)備常帶

21、壓封閉，使得用直接試燒的方法來指導(dǎo)設(shè)計(jì)和改造非常、昂貴，準(zhǔn)確性難以保證。近些年來，燃燒設(shè)備呈大型化發(fā)展趨勢(shì)明顯，其設(shè)計(jì)和運(yùn)行越來越依賴計(jì)算機(jī)的模擬，因而也越來越依賴于準(zhǔn)確的燃燒特性數(shù)據(jù)及其基礎(chǔ)上的燃燒模型。因此，相關(guān)基礎(chǔ)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。煤著火和燃燒基礎(chǔ)特性的常在地面常重力條件下進(jìn)行，而自然對(duì)流的存在可能會(huì)對(duì)煤粒的燃燒過程產(chǎn)生傳熱和傳質(zhì)兩方面的影響。自然對(duì)流引起氣相宏觀輸運(yùn)1特性與由濃度梯度引起的擴(kuò)散輸運(yùn)特織在一起，相互作用，此外自然對(duì)流還會(huì)引起煤粒加熱速率的變化，最終導(dǎo)致一些本征燃燒現(xiàn)象被掩蓋。正是因?yàn)楸菊鲾?shù)據(jù)如著度、燃盡特性和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，使得常常不計(jì)入浮力作用而建立的

22、煤著火與燃燒數(shù)學(xué)模型不能很好地被檢驗(yàn)。近些年來，燃燒設(shè)備呈大型化發(fā)展，使用試驗(yàn)方法來指導(dǎo)燃燒設(shè)備的精細(xì)設(shè)計(jì)和改造變得十分、昂貴，準(zhǔn)確性也難以保證，CFD 模擬成為設(shè)計(jì)燃燒設(shè)備的重要輔助。準(zhǔn)確地把握煤著火特性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及小介觀尺度上準(zhǔn)確的模型對(duì)于燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)以及安全運(yùn)行，燃燒效率的提高，灰沉積的改善，污染物的生成和排放的降都有十分重要的意義。單顆煤粒作為最簡單的煤粒存在形式，其著火和燃燒特性不受顆粒之間的傳熱和傳質(zhì)影響，與環(huán)境的輻射換熱和氣相導(dǎo)熱呈各向相同或者近似，揮發(fā)分的過程也不受四周環(huán)境的影響，因此單顆煤粒的比顆粒群的能更好地揭示煤的本征著火和燃燒特性。1.2 煤著火現(xiàn)狀1.2.1 煤著火

23、機(jī)理的和探索，自 1844 年 Haswell后 Fayaday 和對(duì)煤顆粒著火機(jī)理的礦井Lyell 的開始，已有 170 年的歷史。然而，只在最近幾十年內(nèi)，對(duì)著火機(jī)理的認(rèn)識(shí)才有了較大的進(jìn)展2。上個(gè)世紀(jì)50年代前，學(xué)者們普遍認(rèn)為煤的著火是在氣相中發(fā)生的，即煤粒加熱后熱解出的揮發(fā)分與空氣中的氧混合，在一定條件下著火并迅速燃盡，揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量加熱殘留焦炭，焦炭達(dá)到著度后開始燃燒，直至燃盡。煤的著火機(jī)理一直是學(xué)者們長期爭論的重點(diǎn)問題之一。最早的認(rèn)識(shí)是由Fayaday和Lyell在他們的Wheeler通過均相著火，這一理論流行了長達(dá)一個(gè)世紀(jì)。1912年中提出異相著火模式，他們發(fā)現(xiàn)：煤粉在經(jīng)歷緩慢

24、燃燒時(shí)是均相著火，而在發(fā)生快速燃燒時(shí)著火則可能由煤粒表面開始。但直到20世紀(jì)60年代中期，Howard和Essenhigh首先實(shí)驗(yàn)2 中證明上述結(jié)論并不完全適用。他們發(fā)現(xiàn)1000m的2Pittsburgh煙煤顆粒的著火發(fā)生在煤粒表面，在可見火焰鋒面發(fā)生30-40ms才觀察到大量揮發(fā)分的析出。不過Essenhigh上述實(shí)驗(yàn)中結(jié)論的普適性引起了一些學(xué)者的懷疑和。如Kimber4與Milne5等認(rèn)為，此時(shí)CO2與O2顯著的變化可能是在快速熱解時(shí)，被熱出的揮發(fā)分夾帶出固定碳燃燒產(chǎn)生的，并不能說明此時(shí)焦炭發(fā)生了著火。后來，Thomas6在褐煤顆粒的著火實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用高速相機(jī)觀察到對(duì)處于773K空氣中加熱的

25、粒徑較大為1mm的褐煤顆粒的燃燒過程，著火首先發(fā)生在煤顆粒表面，而后熱出的揮發(fā)分才開始著火，火焰面逐漸擴(kuò)大的現(xiàn)象。Bandyopadhy和Bhaduri7假設(shè)煤粉顆粒的著火發(fā)生在顆粒表面并采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)著火理論計(jì)算煤粉的著火時(shí)間和著度，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更相符合，進(jìn)一步證明了褐煤、無煙煤和煙煤都存在非均相著火現(xiàn)在認(rèn)為普遍存在的煤的著火模式有三種：均相著火、異相著火以及聯(lián)合著火。這三種著火模式主要是依據(jù)揮發(fā)分和煤炭顆粒表面燃燒反應(yīng)的先后劃分的8910。當(dāng)煤粒熱出的揮發(fā)分，包圍在煤粒表面與氧氣接觸，首先發(fā)生著火時(shí)，為均相著火；當(dāng)環(huán)境中的氧氣直接與顆粒表面接觸發(fā)生著火時(shí)，為異相著火；當(dāng)熱出的揮發(fā)分和煤粒表面

26、能夠同時(shí)與氧氣接觸，幾乎同時(shí)發(fā)生著火時(shí)，為聯(lián)合著火。70 年代中期， Jntgen 和 Van Heek11用電加熱網(wǎng)柵法詳細(xì)不同煤顆粒粒徑及加熱速率下煤粒的著火過程及著火模式，給出了一種典型煙煤的著火模式圖譜，如圖 1-1 所示。在低加熱速率（10K/s），粒徑?。?00）更傾均相著火，當(dāng)加熱速率達(dá)到 1000K/s時(shí)，聯(lián)合著火成為唯一的著火模式。然而 Juntgen 著火圖譜問世后，對(duì)于這一圖譜的解釋及定量預(yù)報(bào)并沒有很好得到解決。圖1-1 煤的著火機(jī)理23Karcz12用石英針尖固定煤粒，了100-600um粒徑的煙煤、無煙煤以及煤焦在空氣中的著火特性時(shí)小顆粒更容易發(fā)生異相著火，而大顆粒發(fā)

27、生均相著火。Tgonotti13用普通熱天平對(duì)褐煤的著火特性進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分邊慢慢析出，邊逐漸擴(kuò)散或者被浮升力的作用被吹掃走，因此揮發(fā)分濃度始終很低，而不可能發(fā)生均相著火。這說明煤的著火模式還可能與對(duì)流情況有關(guān)。Prins14在對(duì)二維流化床中的煤顆粒的熱解和著火過程進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在溫度較高（1073K）時(shí)，揮發(fā)分率先析出并著火；而在低溫（723K）時(shí)，煤顆粒的表面處則先發(fā)生著火。Chen15在進(jìn)行激光點(diǎn)燃射流而下的一個(gè)無煙煤，一種高揮發(fā)分煙煤煤粉氣流實(shí)驗(yàn)時(shí)煤的著火模式不僅與煤種有關(guān)，還與氧氣濃度有關(guān)。Zhang10使用五種不同的實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)同一煤種進(jìn)行著火實(shí)驗(yàn)時(shí)，顆粒的質(zhì)量、加熱速率、

28、被加熱的方式、周圍氣體情況以及顆粒著火的定義都會(huì)存在不同，獲得的煤粒的著度和著火模式也存在變化，近而煤的著火模式與實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型關(guān)系很大。1.2.2 煤著火影響關(guān)于影響煤著火的，前人做了大量的，總的概括起來包含：對(duì)流，氧氣濃度，加熱速率，粒徑，氣氛等。1.2.2.1 對(duì)流對(duì)流按照有無對(duì)流條件和對(duì)流強(qiáng)度可分為微重力無對(duì)流，常重力自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。在煤顆?；蛎悍垲w粒群的著火特性中，煤顆粒大都處于自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流環(huán)境中。例如，管式爐法中將顆粒用熱電偶懸浮在加熱室內(nèi)，氣流從上而下經(jīng)過加熱室，測(cè)量顆粒表面或者氣流的溫度以表征顆粒燃燒特性；著火指數(shù)法用定量的氧化性氣體(空氣或者是氧氣)攜帶定量煤粉吹進(jìn)熾

29、熱的爐膛，即使煤顆粒在氣氛中燃燒，也受到自然對(duì)流作用的影響。的Tgonotti等13用普通熱天平對(duì)褐煤的著火特性進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分邊慢慢析出，邊逐漸擴(kuò)散或者被浮升力的作用被吹掃走，因此揮發(fā)分濃度始終很低，而不可4能發(fā)生均相著火。這說明煤的著火模式還可能與對(duì)流情況有關(guān)。Katalambula 等16在無對(duì)流、自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流三種條件下對(duì)著火模式進(jìn)行了，發(fā)現(xiàn)對(duì)流通過影響揮發(fā)分含量和分布來影響著火的機(jī)理。作者發(fā)現(xiàn)在無對(duì)流和自然對(duì)流下首先發(fā)生的都是均相著火，在強(qiáng)制對(duì)流下發(fā)生異相著火。強(qiáng)制對(duì)流下作者采用較高對(duì)流速度，并且使揮發(fā)分析出后立刻被全部吹走。圖 1-2 顯示不同揮發(fā)分含量的煤種在三種對(duì)流條件下異

30、相著度（無對(duì)流和和強(qiáng)制對(duì)流異相著火發(fā)生在均相著火之后）的變化趨勢(shì)，顯示揮發(fā)分含量對(duì)強(qiáng)制對(duì)流下著度幾乎無影響，對(duì)無對(duì)流下著度影響最明顯，并且隨揮發(fā)分含量降低，兩種對(duì)流條件下著度差距逐漸減小，并最終趨于一致。而隨粒徑變化時(shí)，卻并無表現(xiàn)出來這一趨勢(shì)，如圖 1-3 所示，說明著火模式主要取決于揮發(fā)分的含量和分布。然而，相關(guān)實(shí)驗(yàn)中所用的對(duì)流速度高，揮發(fā)分析出后迅速被吹掃走。圖 1-2 不同煤種煤粒在無對(duì)流、自然圖 1-3 不同粒徑煤顆粒在無對(duì)流、自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流條件下的著度對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流條件下的著度之后，Katalambula17又建立一個(gè)考慮對(duì)流的單顆粒異相著火模型了煤種、粒徑、加熱速率對(duì)異相著度的

31、影響，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得較好，模型發(fā)現(xiàn)著火前，煤顆粒表面揮發(fā)分的分布對(duì)著火模式和著度有重要影響，在常重力條件下，只有 40%-50%的揮發(fā)分被燃燒，其余的揮發(fā)分均被自然對(duì)流吹掃走。1.2.2.2 氧氣濃度在富氧燃燒技術(shù)出現(xiàn)之前，關(guān)于氧氣濃度的并不多。隨著富氧燃燒技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于氧氣濃度的才逐漸增多。Chen15認(rèn)為著火機(jī)制不僅與煤本身的性質(zhì)有5關(guān)，也與氧濃度有關(guān)。Zhang10采用用脈沖點(diǎn)火、連續(xù)給粉點(diǎn)火、TG 熱、直接測(cè)溫法、激光點(diǎn)火了氧氣濃度對(duì)煤顆粒和焦炭顆粒的著火特性的影響。第一、二種方法測(cè)量著火時(shí)刻周圍氣體溫度，采用熱力學(xué)燃燒理論計(jì)算顆粒溫度；第三、四種方法直接測(cè)量著火時(shí)刻煤顆粒溫；第五

32、種方法考慮激光能量輸入、燃燒放熱、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)引起的熱量損失，通過熱平衡計(jì)算著火時(shí)刻顆粒表面溫度。發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分對(duì)煤粉著火的影響在低的氧濃度時(shí)更大，隨著氧濃度增加，煤粉顆粒粒徑和揮發(fā)分對(duì)煤粉著火的影響減弱，此時(shí)主要發(fā)生均相著火，而當(dāng)氧氣濃度為 100%時(shí)，原煤與焦之間的著火特性差異減小，兩者都呈現(xiàn)多相著火。并且得出的結(jié)論大致相同，即隨著氧氣濃度的增加，煤顆粒著火時(shí)間減小，著度下降，如圖 1-4 所示。圖 1-4 五種點(diǎn)火方式下氧氣濃度對(duì)煤顆粒和焦炭顆粒著度的影響Ponzio 等17在三種環(huán)境溫度（873K，1073K，1273K）和氧氣濃度（5%-100%）條件下了煤顆粒的著火特性，發(fā)現(xiàn)著火時(shí)刻

33、顆粒表面溫度隨氧氣濃度和周圍環(huán)境溫度的升高而降低，如圖 1-5 所示。并且著火境溫度的增加而減小，如圖 1-6 所示時(shí)間隨氧氣濃度的增加和周圍環(huán)6圖 1-5 著圖 1-6 著火度隨氧氣濃度和時(shí)間隨氧氣濃和環(huán)境溫度變化規(guī)律環(huán)境溫度變化規(guī)律1.2.2.3 加熱速率關(guān)于加熱速率對(duì)著火特性的影響，不同的者得出的結(jié)論不盡相同。10Zhang發(fā)現(xiàn)煤粒的加熱速率會(huì)增加其著火時(shí)顆粒周圍邊界層周圍氣體的溫度，而煤粒表面的著度基本不變，當(dāng)升溫速率由 4200K/S 增加到 5500K/S 時(shí)煤粉著火由均相著火向異相著火方式轉(zhuǎn)變。Du 和 Annamalai19認(rèn)為提高環(huán)境溫度時(shí)會(huì)提高均相著火的溫度，但是對(duì)煤粒異相

34、著火的溫度影響不大。Essenhigh20認(rèn)為當(dāng)加熱速率升高時(shí)煤粒在發(fā)生均相著火時(shí)會(huì)的揮發(fā)分，揮發(fā)分燃燒的熱量會(huì)使異相著火的溫度升高。Katalambula 等21發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同粒徑的煤粒，隨著時(shí)間縮短，如圖 1-7 和 1-8 所示。加熱速率升高，著度升高，著火圖 1-7 著圖 1-8 著火度隨加熱速率變化趨勢(shì)時(shí)間隨加熱速率變化趨勢(shì)71.2.2.4 粒徑前人對(duì)于粒徑對(duì)著火特性影響的1213很多，但所得到的結(jié)果各不相同。的絕對(duì)值各不相同，因?yàn)樽髡卟捎玫膶?shí)驗(yàn)裝置不同，升溫速率也不一樣。Tognotti 等13將 90-1000m 的煤粒放在金屬網(wǎng)上，測(cè)量著火時(shí)周圍氣體的溫度 隨粒徑的變化，發(fā)現(xiàn)隨著

35、粒徑的增加著火時(shí)刻周圍氣體溫度降低。如圖 1-9 所示。但當(dāng)煤粒直徑小于 180m 時(shí)，不滿足規(guī)律，因?yàn)榱教o法在金屬網(wǎng)上形成單層鋪開的分布，煤顆粒之間因?yàn)橄嗷ソ佑|而互相影響。圖 1-9 著火時(shí)刻周圍氣體溫度隨粒徑變化規(guī)律Pedro 等22在豎直爐膛實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的增加（小于 250300m），在著火 時(shí)刻爐膛內(nèi)氣體溫度會(huì)降低。但當(dāng)粒徑大于 420m 時(shí)，此規(guī)律不再適用，因?yàn)榇箢w粒不能像小顆粒一樣懸浮在爐膛內(nèi)從而縮短了在爐膛內(nèi)滯留時(shí)間。Du 和 Annamalai19通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在周圍氣體溫度一定時(shí)，隨著顆粒粒徑（小于 400m）的增加，著火時(shí)刻煤顆粒表面溫度降低，但是均相著火（

36、后于異相著火）時(shí)周圍氣體溫度幾乎不隨粒徑變化。當(dāng)顆粒粒徑大于 500m 時(shí)，著火由異相著火向均相著火的方式轉(zhuǎn)變，隨著粒徑的增加，均相著火（先于異相著火）時(shí)周圍氣體溫度也幾乎不變，如圖 1-10 所示。同時(shí)，不同環(huán)境溫度下，著火時(shí)間隨著粒徑的增加而上升，如圖 1-11 所示。8192223結(jié)果表明隨著顆粒粒徑的增加煤粒的著度降低，但是著度圖 1-10 1500K 環(huán)境溫度下圖 1-11 不同環(huán)境溫度下時(shí)間隨粒徑變換規(guī)律著度隨粒徑變化規(guī)律著火Katalambula 等21采用輻射加熱，由熱電偶固定煤顆粒并測(cè)量其表面的溫度，選取煤粒表面溫度出現(xiàn)飛升時(shí)刻的溫度為煤粒的異相著度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相度增加

37、，著火延遲時(shí)間增大，如圖 1-12者規(guī)律不一致的原因，可能是由于不同同的加熱速率下，隨著顆粒粒徑增加，著和圖 1-13 所示。他認(rèn)為上述出現(xiàn)與其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備間，加熱方式以及加熱速率不一致。圖 1-12 各煤種在相同加熱速率下圖 1-13 各煤種在相同加熱速下著度隨粒徑變化規(guī)律著火時(shí)間隨粒徑變化規(guī)律1.2.2.5 氣氛氧燃燒被認(rèn)為是一種有效清潔高效燃煤和減小排放的技術(shù)。因此近些年來摻混燃燒技術(shù)得到了大量的。9Zhang 等24了褐煤在空氣和 O2/CO2 氣氛中的著火燃燒特性，發(fā)現(xiàn)由于 CO2取代 N2，煤顆粒在著火前的熱解反應(yīng)增強(qiáng)，CO2 與產(chǎn)物焦炭反應(yīng)生成額外的可燃?xì)怏w。Brix 等25利用沉

38、降爐了空氣和 O2/CO2 條件下煙煤的的著火特性，發(fā)現(xiàn)兩種氣氛中煤顆粒脫揮發(fā)分產(chǎn)生了相似產(chǎn)量的揮發(fā)分和形態(tài)相似的焦炭，證明空氣氣氛轉(zhuǎn)為氧燃燒并沒有顯著地影響脫揮發(fā)分過程。Bejarano 等26在空氣和氧氣氛下對(duì)煙煤、褐煤、焦著火燃燒特性進(jìn)行了，發(fā)現(xiàn)在相同氧濃度下，N2 氣氛中的煤顆粒燃燒具有更高的平均著度和更短的燃盡時(shí)間。Liu 等27利用豎直的燃燒器了幾種高揮發(fā)分煙煤在空氣和 O2/CO2 氣氛中的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)氣氛下著火時(shí)刻煤顆粒周圍氣體溫度更低，且燃盡率更低。要達(dá)到空氣條件中煤顆粒的氣體溫度和燃盡率，氧氣氛所需氧氣濃度為 30%甚至更高。Khatami 等28利用沉降爐了高揮發(fā)分煙煤

39、，亞煙煤和兩種褐煤在 O2/N2 和O2/CO2 氣氛以及不同氧濃度條件下煤顆粒的著火特性，用高速相機(jī)對(duì)煤粉的著火燃燒過程進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在氣流條件時(shí)，兩種氣氛中沉降爐軸向氣體溫度和煤粒著火時(shí)間差別不大。煙煤發(fā)生均相著火，而褐煤為異相著火；在動(dòng)態(tài)氣流條件下，兩種氣氛中沉降爐軸向氣體溫度差別很大，煤粉的著火模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，煙煤在 O2/N2 氣氛下為均相著火，而在 O2/CO2 氣氛下，發(fā)生的均為異相著火，褐煤總是在著火之前發(fā)生碎裂，著火模式不變。同時(shí) O2/CO2 氣氛下中煤粒的著火延遲時(shí)間隨著氧氣含量的增加會(huì)大大縮短，而 O2/N2 氣氛下則變化很小。Qiao 等29利用金屬網(wǎng)反應(yīng)器了大

40、同煙煤和 loy褐煤在空氣和 O2/CO2氣氛中著火特性，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用 CO2 置換空氣中 79%的 N2 后，兩種煤顆粒的平均著度均升高，如圖 1-14 和圖 1-15 所示。10圖 1-14 兩種氣氛下圖 1-15 兩種氣氛下Loy褐煤著度對(duì)比大同煙煤著度對(duì)比Molina30利用層流反應(yīng)器了空氣和 O2/CO2 氣氛在不同氧氣濃度時(shí)對(duì)高揮發(fā)著火過程的影響，發(fā)現(xiàn) 4 個(gè)氣氛條件下脫揮發(fā)分時(shí)間幾乎不分煙煤脫揮發(fā)分過變，但是將 79%的 N2 置換為 CO2 時(shí)，煤顆粒的著火時(shí)間延長，而氧氣濃度越高煤粒的著火時(shí)間越短，如圖 1.16 所示。圖 1-16 不同氣氛和氧濃度下煤顆粒脫揮發(fā)分時(shí)間和著火時(shí)

41、間變化規(guī)律1.2.3 單顆粒煤著火的普遍采用 Semenov 的熱力著火理論(TET)目前，對(duì)于對(duì)于煤顆粒異相著火的作為理論基礎(chǔ)。原理是，首先求解煤粉顆粒的熱平衡方程，然后運(yùn)用拐點(diǎn)判據(jù)求出著火時(shí)的最小氣相溫度和顆粒溫度，如圖 1-17 所示。11圖 1-17 TET 簡圖2圖 1-18 著度隨氧氣濃度變化13由這一理論所決定的燃燒反應(yīng)系統(tǒng)的臨界著火條件為：Vant Hoff 平衡條件QG=QLTanei-LeFloch 共切條件(1-1)dQGdQ L(1-2)dTdT70 年代初，Bandyopadhyay 和 Bhaduri 首先將 TET 分析方法成功地應(yīng)用于單顆粒煤粉的著度模型上7。隨

42、后，Karcz 等12、Tognotti等13和Chen 等15用這一理論對(duì)各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了很好的預(yù)報(bào)，如圖 1-18 所示。與揮發(fā)分的均相著火模型12相比，TET 理論在炭粒非均相著火條件上的預(yù)報(bào)是比較成功的。問題在于，上述文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是在地面常重力條件下獲得的，但是這些模型都是建立在忽略重力的基礎(chǔ)之上，兩者在理論上存在的區(qū)別與不一致的情況。TET 判據(jù)能正確煤粒粒徑減小，著度升高，但著火延遲時(shí)間縮短；隨氧氣濃度增加，著度降低，著火延遲時(shí)間縮短，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好。均相著火由于涉及煤粒熱解速率、揮發(fā)分組成、揮發(fā)分與氧氣之間的混合，以及揮發(fā)分的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等，機(jī)理復(fù)雜，因此理論進(jìn)展

43、相對(duì)緩慢。Annamalai 和 Durbetaki 于 1977 年提出了一種確定均相著度(GIT)的方法8。如圖 1-19 所示，他們將煤顆粒表面邊界層分為兩個(gè)區(qū)，反應(yīng) I 區(qū)不考慮對(duì)流換熱，加熱區(qū) II 不考慮反應(yīng)放熱。同時(shí)假定顆粒表面只發(fā)生煤的熱解反應(yīng)，并且熱解產(chǎn)物全為甲烷；求解顆粒邊界層內(nèi)各種氣相成分的質(zhì)量守恒、能量守恒等控制微分方程組，并以顆粒表面徑向溫度梯度 dT/dr=0 的狀態(tài)即所謂的絕熱準(zhǔn)則來定義著度。盡管這一模型從形式上看所考慮的問題是比較全面的，但其預(yù)報(bào)結(jié)果卻不很理想。其最大的問題是，所預(yù)報(bào)的均相著度隨氧濃度的升高而升高，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果13恰恰相反，如圖 1-20 所示。

44、Essenhigh 認(rèn)為2，絕熱準(zhǔn)則在此應(yīng)用并不合適。圖 1-20 顆粒表面溫度隨氧氣濃度的變化31圖 1-19 火焰近似層模型錯(cuò)誤!未找到的和源。建立了均相著火的半數(shù)值-半的簡化模型，提出了帶化學(xué)反應(yīng)的分區(qū)簡化。其模型的基本是：將揮發(fā)分氣相反應(yīng)區(qū)域分為高溫反應(yīng)區(qū)和緩慢反應(yīng)區(qū)，高溫反應(yīng)區(qū)對(duì)流換熱相對(duì)反應(yīng)熱忽略不計(jì)，緩慢反應(yīng)區(qū)溫度分布接近直線，但兩個(gè)區(qū)都考慮化學(xué)反應(yīng)。該模型對(duì)均相著度、環(huán)境13溫度、著火時(shí)間等參數(shù)預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確。以上模型都是單獨(dú)考慮異相著火和均相著火，但實(shí)際煤著火燃燒中兩者是耦合的。Gururajan34等人提出既考慮表面非均相反應(yīng)，又考慮空間均相反應(yīng)的比較嚴(yán)格、詳細(xì)的單顆粒一態(tài)模

45、型，模型中著火的判據(jù)是：當(dāng)煤粒燃燒狀態(tài)由動(dòng)力學(xué)控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制，即煤粒質(zhì)量消耗出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)著火發(fā)生。模型可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)著度隨粒徑、氧濃度等的變化，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。Du 和 Annamalai19等提出了一個(gè)單顆粒煤著火的瞬態(tài)模型并提出了瞬態(tài)過程中的異相著火和均相著火準(zhǔn)則，成功的預(yù)報(bào)了著度隨著粒徑、氧氣濃度的變化，如圖 1-21 所示。此外，由于煤粒的著火方式與顆粒直徑有密切的關(guān)系，在一定條件下，著火模式會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，即存在一個(gè)臨界著火直徑dc 存在。若煤粒直徑d0 dc ，則煤粉會(huì)發(fā)生均相著火；否則，煤粉發(fā)生異相著火。Du 模型計(jì)算出在周圍氣相溫度為 1500K，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為400um。0.2

46、33時(shí)，煤粒由異相著火向均相著火轉(zhuǎn)變的直徑為圖 1-21 環(huán)境最低氣體著度隨氧氣濃度的變化19計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于小顆粒而言(400um)主要是均相著火，這一現(xiàn)象被 Du 和 Annamalai 在試驗(yàn)中觀察到19，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果基14于地面存在對(duì)流條件，理論模型假設(shè)不存在對(duì)流，兩者缺乏可比性。3536利用可燃極限的概念，認(rèn)為煤粉顆粒由于熱解及表面氧化和反應(yīng)產(chǎn)生可燃的揮發(fā)分及氧化反應(yīng)一次產(chǎn)物 CO，以擴(kuò)散方式離開顆粒表面，并在其邊界層內(nèi)建立起一定的濃度梯度，如圖 1-22 所示。當(dāng)這些可燃?xì)怏w混合物的濃度和溫度達(dá)到可燃極限條件時(shí)，積累的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃，并在顆粒表面附近迅速燃盡。模型正確的應(yīng)用了可燃

47、濃度極限的概念，成功的預(yù)報(bào)了著度隨氧氣濃度的變化趨勢(shì)，并能預(yù)報(bào)加熱速率和粒徑變化對(duì)著度的影響。不過該模型對(duì)熱解過程的處理沒有考慮顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱和傳質(zhì)的影響，而在大顆粒范圍內(nèi)的預(yù)報(bào)能力有限。1可燃?xì)怏w的著火濃度極限2熱解及表面氧化反應(yīng)生成可燃?xì)怏w在顆粒表面的濃度圖 1-22 煤顆粒均相著火與氣體可能濃度之間的關(guān)系351.3 微重力下煤著火現(xiàn)狀1.3.1 微重力下的傳熱特性微重力是指極低的重力度水平，通常以重力度水平表觀微重力水平，微重力環(huán)境能夠減輕甚至消除自然對(duì)流的作用，煤顆?；蛎悍墼谖⒅亓Νh(huán)境下燃燒會(huì)15表現(xiàn)出與地面常重力環(huán)境截然不同的燃燒現(xiàn)象，有助于著火和燃燒的機(jī)理。如上文所述，在常重力條件下

48、的著火實(shí)驗(yàn)中，燃燒過程受到自然對(duì)流（激光法）或者強(qiáng)迫對(duì)流（熱天平、管式爐、著火指數(shù)爐）的影響，所測(cè)得的著火參數(shù)不能很好地應(yīng)用于校核忽略了對(duì)流影響的數(shù)學(xué)模型。如果消除了自然對(duì)流以及顆粒與周圍氣體之間的相對(duì)，那么著火過程中析出的揮發(fā)份就能夠停留在顆粒周圍，對(duì)于球形顆粒，就會(huì)形成球?qū)ΨQ的燃燒過程，可以為以上提到的各種數(shù)值模擬結(jié)果提供實(shí)驗(yàn)證明，而且，著火過程完全被擴(kuò)散控制，可以仔細(xì)地觀察揮發(fā)份的析出過燃燒過程，可以導(dǎo)熱和輻射兩種傳熱方式對(duì)于煤著火過程的影響，同時(shí)與存在對(duì)流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，揭示煤燃燒過程中浮力對(duì)其本征燃燒特性的影響形式和影響程度，比較分析得出重力影響下的地面試驗(yàn)方法帶來的誤差，校核地

49、面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法和結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)模型。1.3.2 微重力實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲得微重力環(huán)境的方法較多，所得到的微重力水平與持續(xù)時(shí)間也各不相同，具體列于表 1-1。目前地面上大部分微重力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在落塔微重力環(huán)境下獲得的373839404142，雖然落塔微重力環(huán)境成本很低、使用操作方便、可回收，且可以重復(fù)多次使用，但它們的微重力環(huán)境高，微重力時(shí)間短(秒級(jí))。目前國際上的NASA John Glenn (原 Lewis)中心 155m 落井(可提供 5-10s 微落塔系統(tǒng)有重力環(huán)境)，微重力中心(JAMIC) 800m 落井(可提供 l0s 微重力環(huán)境)，德國不來梅的 ZARM-Berm

50、en146mFAMEX 落塔，中國落塔(可提供 5-l0s 微重力環(huán)境)、Eurotube-Saar 落塔和3.6s 微重力環(huán)境)404142。力學(xué)所 100m 落塔(可提供比較可知，通過空間技術(shù)，比如搭載、航天飛機(jī)、微重力火箭、載人空間站等進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)，是更加理想的微重力實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，空間技術(shù)具有微重力水平更高，時(shí)間更長（以天為）的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)地面無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如空間材料加工等。但由于、航天飛機(jī)、火箭、空間站成本巨大，只有綜合國力和航天技術(shù)達(dá)到一定水平的國家才能實(shí)現(xiàn)，所以目前此類空間實(shí)驗(yàn)極少。1642表 1-1獲得微重力環(huán)境的主要微重力設(shè)施微重力時(shí)間微重力水平110s落塔或落井10-4105

51、 g20s拋物線飛行的飛機(jī)102-g探空火箭510min104-gdays空間飛行器10-5106 g1.3.3 微重力下煤著火現(xiàn)狀1.3.3.1 國外微重力煤燃燒現(xiàn)狀是 1980 年代由波蘭學(xué)者 Gieras4344等開最早的微重力煤燃燒展的，他們?cè)?.5s 的小型落塔上使用攝影和紋影法觀察單顆粒煤和煤粉塵的點(diǎn)火過程，了粒徑、氧濃度、揮發(fā)分含量、顆粒間距離對(duì)煤顆粒燃燒特性的影響。研究結(jié)果表明：對(duì)于粒徑 為 0.3-1.2mm 的煤顆粒，微重力下顆粒之間的火焰速度總是介于向上和向下的火焰速度之間，低揮發(fā)分煤的著火只有在高氧氣濃度下才受氧氣濃度的影響；高揮發(fā)分煤在微重力下的燃燒速度顯著小于正常重

52、力下的燃燒速度，而且不管粒徑大小，燃燒總是從均相燃燒開始并在揮發(fā)分燃盡后開始異相燃燒。煤粒點(diǎn)火和燃燒過程中由輻射造成的熱損失與熱傳導(dǎo)相當(dāng)，大約有 30%的能量從顆粒輻射散失。學(xué)者 Katalambula 等2116利用 JAMIC 的 10s 落塔在 1990 年代了微重力下粒徑(=0.8, 1.0, 1.2mm)，揮發(fā)份含量（Vdaf=26.6, 32.5, 40.2%）對(duì)于煤顆粒著火的影響。圖 1-23 為他們使用的微重力煤燃燒裝置。學(xué)者 Katalambula 使用的微重力煤燃燒裝置16圖 1-2317實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒周圍的揮發(fā)份的富集影響煤著火機(jī)理和著度。均相著火時(shí)，微重力下顆粒表面

53、溫度比常重力下的高，和常重力下相比，微重力下的異相著度更高，著火時(shí)間更長。在微重力下，浮力和自然對(duì)流的作用基本，揮發(fā)分容易在顆粒表面富集，均相著火所得的火焰呈近似球形；在自然對(duì)流作用下，揮發(fā)分和燃燒產(chǎn)物都受浮力作用呈向上離開顆粒表面的趨勢(shì)，火焰呈強(qiáng)非對(duì)稱，收縮向上；對(duì)流作用加強(qiáng)（強(qiáng)制對(duì)流下），則揮發(fā)分在燃燒之前被吹離顆粒表面，使得均相著火不能發(fā)生。其后，在相同的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，Wendt 等45對(duì)不同形狀的煤顆粒開展微重力著火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分時(shí)間和均相著火時(shí)間都隨比表面積的減少而增大，但兩者之間有一定差別，而多相著火時(shí)間與均相著火時(shí)間的變化趨勢(shì)正好相反。圖 1-24學(xué)者 Kiga 等使用的微重

54、力煤粉燃燒裝置46學(xué)者464748于 1990 年微重力煤粉燃燒最先由展，同樣使用 JAMIC的 10s 落塔。圖 1-24 為 Kiga 等46所用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，他們測(cè)定了不同氣氛下煤粉群的點(diǎn)火特征和火焰速度，煤粉顆粒預(yù)先放置在陰極電極板上，實(shí)驗(yàn)中兩塊電機(jī)之間加上 1-5kV 的電壓，煤粒在電磁力的作用下懸浮，在下落過程中煤粉顆粒群被點(diǎn)燃，燃燒過程使用高速相機(jī)。圖 1-25 為微重力煤粉在不同壓力和不同氣氛4647，可以看出，在克服了浮力的作用后，煤粉火焰呈球形下的火焰，火焰速度顯然比受對(duì)流作用下測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：壓力增加煤粉著火燃燒空間顯著減小，火焰減弱；O2/CO2 氣

55、氛下的火焰速度明顯低18于 O2/N2 和 O2/Ar 氣氛下的火焰快。速度，并且隨 O2 濃度的增加火焰速度加過程4647圖 1-25不同壓力（左）和不同氣氛（右）下煤粉顆粒群的火焰學(xué)者 Suda 等使用的微重力煤粉燃燒裝置49圖 1-26速度49圖 1-27 不同煤粉濃度煤粉顆粒群的火焰Suda 等49對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了一定的改進(jìn)，如圖 1-26 所示，煤粉顆粒被預(yù)先放置19在燃燒室下方的一個(gè)小槽內(nèi)，下落開始前 1s 使用氣流在煤粉顆粒吹起，在微重力時(shí)間為 7s 時(shí)點(diǎn)燃，使得煤粉顆粒有較充分的彌散時(shí)間。圖 1-27 為不同氣氛下煤粉火焰速度隨煤粉濃度的變化。 煤粉火焰速度隨煤粉濃度值呈先增后

56、減的單調(diào)變化，分布曲線和氣氛及煤種相關(guān)，CO2 代替 N2 后煤粉火焰的速度下降。1.3.3.2 我國微重力煤燃燒的現(xiàn)狀起步較晚，主要原因是微重力試驗(yàn)條件不足。1990 年代團(tuán)隊(duì)405051利用其所內(nèi)的 1.5s 的落塔做了一些探索性工我國微重力燃燒的中國熱物理所作，但沒有涉及煤。力學(xué)所暨國家微重力的 3.6s 落塔建成后，大學(xué)52535455開展了一些微重力下單顆粒的燃燒。圖 1-28 NMLC 落塔上使用的單顆粒煤著火實(shí)驗(yàn)臺(tái)5253在 NMLC 落塔上使用的單顆粒煤著火實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖和實(shí)物圖學(xué)者，他們采用非接觸比色法測(cè)量顆粒溫度，顆粒送入提前加熱的圖 1-28 為片5253。與爐膛中燃燒，與

57、實(shí)際燃燒情況更接近，而學(xué)者的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫，顆粒使用輻射塊加熱，并且采用熱電偶細(xì)絲纏繞顆粒測(cè)量顆粒的表面溫度。熱電偶本身對(duì)熱出的揮發(fā)分和周圍氣體形成的流場可能存在較強(qiáng)的干擾，并且這一干擾與浮力相關(guān)，另外對(duì)著火燃燒反應(yīng)有催化作用，與顆粒的接觸也不理想，這種顆粒表面溫度的測(cè)量方法有一定的確性5253。對(duì)于毫米級(jí)的煙煤和褐煤球形顆粒，不同重力下煤粒的著火和燃燒過程，包括著度、火焰的形狀與結(jié)構(gòu)、揮發(fā)分析出與火焰的相互作用等存在較大差異。微重力下可以觀測(cè)到揮發(fā)分的射流狀析出、揮發(fā)分火焰在均相燃燒發(fā)生前熄滅等在常重力下不能觀測(cè)到的特殊現(xiàn)象（如圖 1-29 所示55）20圖 1-29 常-微重力下不同氧

58、濃度下單顆煤粒的著火過程55還發(fā)現(xiàn)，相同粒徑的煤粒在微重力下的著度比常重力的低 80K，與日微重力下著度較高的結(jié)論相反5253（如圖 1-30 所示）。本學(xué)者所度5253圖 1-30 常-微重力下毫米級(jí)單顆煤粒的著利用微重力實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Zhu5354建立了考慮顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱的煤顆粒著火模了煤粒表面火焰的位置和表面溫度隨時(shí)間的變化，以及粒徑54度及著火模式的影響。型，并較為準(zhǔn)確地和氧氣濃度55對(duì)著1.4的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排綜上所述，前人對(duì)煤的著火特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和模型結(jié)論，但是現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間還存在不一致的規(guī)律。，積累了豐富的1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本來源于地面常重力實(shí)驗(yàn)，模型邊界和校核的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一

59、致，而且由于浮力的作用，一些基本的燃燒現(xiàn)象可能在地面實(shí)驗(yàn)中不易觀察；2. 地面落塔制造的微重力時(shí)間較短，這就對(duì)對(duì)象煤的種類產(chǎn)生了一定的限21制，煤粒需要在常重力下預(yù)加熱一定時(shí)間然后才能進(jìn)入微重力環(huán)境。3. 已有的單顆粒瞬態(tài)著火的模型中缺乏對(duì)煤粒內(nèi)部導(dǎo)熱的考慮；本文主要采用實(shí)驗(yàn)的方法，同時(shí)利用模型計(jì)算輔助，首先對(duì) mm 量級(jí)單顆煤粒的著火和燃燒現(xiàn)象以及著火特性進(jìn)行系統(tǒng)，詳細(xì)有無重力、煤種、氧氣濃度、粒徑、加熱速率等對(duì)著火模式，燃燒現(xiàn)象和著火延遲時(shí)間影響。然后，根據(jù) mm量級(jí)煤粒的特點(diǎn)，考慮煤粒內(nèi)部導(dǎo)熱的一維瞬態(tài)著火模型對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。本文共分為 5 章，各章的主要內(nèi)容如下所

60、述：第 1 章：介紹開展煤著火和燃燒特性的背景，綜述煤著火特性在不同影響下的變化規(guī)律，現(xiàn)有單顆煤粒的著火模型和著火判據(jù)，顆粒內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)對(duì)其熱解和著火過程的影響，并提出本文的目標(biāo)、內(nèi)容和方法。第 2 章：介紹地面煤燃燒試驗(yàn)裝置和實(shí)踐十號(hào)煤燃燒箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、搭建和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及著火過程的觀察測(cè)量方法，確定微重力和地面常重力條件下煤種、氧氣濃度、粒徑和加熱速率等實(shí)驗(yàn)工況。第 3 章：介紹微重力各向同性條件下 mm 量級(jí)煤顆粒在不同加熱速率和粒徑下的著火過熱速率等第 4 章：火焰形態(tài)并與常重力進(jìn)行對(duì)比；詳細(xì)分析煤種、氧氣濃度、粒徑、加對(duì)著火模式，燃燒現(xiàn)象和著火延遲時(shí)間的影響規(guī)律?？紤]煤粒內(nèi)