基于简单碰撞理论煤粉燃烧动力学模型的研究-PART Ⅲ:氧气可达比表面积

根据不同温度下氧分子平均自由程的大小,比较了小孔、中孔和大孔中三种扩散速率与煤焦表面燃烧速度的大小.研究表明2000 K以内,颗粒表面分子扩散速率比氧化反应速率大1个数量级以上,过度扩散速率不小于氧化速率.温度小于1200K时,燃烧速率比Knudsen扩散速率小1～5个数量级,扩散孔径小于15～28 nm,反应主要在内外表面进行;1200～1600K时,燃烧速率与Knudsen扩散速率相当,扩散临界孔径28～38 nm,反应在外表面及浅层内表面进行;温度1600K以上时,Knudsen扩散速率比燃烧速率小1个数量级,孔径38～50 nm以下内表面上碳的氧化速度受扩散控制.煤焦的氧化主要发生在Knudsen扩散临界孔径10～50 nm以上的氧气可达表面上.     

热处理对煤焦气化和燃烧反应性的影响

利用非等温热重法研究了不同温度下制得的褐煤煤焦CO_2气化和燃烧反应动力学,得到了各反应的反应性指数、活化能、反应速率常数等动力学参数。结果表明,煤焦两种反应的反应性指数、活化能均随着热处理温度的升高而增大,即煤焦的反应性随着热处理温度的升高而减小。矿物质对煤焦的两种反应均具有催化作用,该作用随着热处理温度的升高而减小。煤焦两种反应的反应速率常数k随热处理温度升高显示出不同的变化趋势,反映了煤焦物理化学特性对气化和燃烧反应影响的差异和两种反应动力学过程的不同。     

变热流对可燃物热解着火特性影响的实验研究

固体可燃物热解过程中,热流是一个重要的影响因素。本文设计了线性及平方上升两种热流,实验研究了无点火源条件下榆木及PMMA的热解着火特性,测量了着火时间、表面温度及质量损失的变化规律。结果表明,随着热流上升系数增加,着火时间均减小,榆木着火时刻的表面温度增加,PMMA基本不变,质量损失速率均增大。热流上升系数和着火时间符合较好的幂函数关系。相同热流下,着火时刻PMMA的质量损失远小于榆木的质量损失。     

煤低温氧化的微区组分分析与反应性研究

煤的低温氧化对着火性能、反应性、煤焦质量以及煤的自燃有重要影响．本文通过TGA-DSC、FSEM和EBSP研究了烟煤和无烟煤的低温氧化特性,研究表明:活性较高的煤表面固相氧的浓度增量比热重低温段的表观增重量大得多;根据最大吸氧量确定的着火温度随煤变质程度的加深和升温速率的增加而增加;升温速率小于1／12 K／s时,最大氧化速率和最大吸氧量能代表煤的氧化活性;含灰量低的中等变质程度的煤氧化活性最高;化学吸氧经历了从临界活化能、到活化能减小再增加到极大最后吸附终止的过程．     

微圆管壁面材料和厚度对甲烷催化着火的影响

对负载Pt催化剂的微圆管内CH_4的催化着火进行了非稳态和稳态模拟,重点研究了壁面材料和厚度对CH_4催化着火所需预热温度(表征着火温度)、着火时间、系统稳定时间以及极限着火条件的影响。非稳态研究结果表明:CH_4催化着火所需的预热温度与壁面条件无关,但着火时间和系统达到稳定状态所需的时间受壁面条件的影响较大,壁面热容量(mc)越大,着火及系统稳定时间越长;当壁面导热系数较小时,CH_4的催化着火发生在微圆管出口处,反应峰值区域随时间逐渐向进口移动,当壁面导热系数较大时,着火发生在进口处,且峰值反应位置不变。稳态结果显示,壁面轴向上热量的回流(大的导热系数和适当的壁面厚度)可以有效地拓宽甲烷的极限着火范围。     

表面催化反应对空间预混气体着火影响的研究

催化燃烧中表面反应和空间反应的相互影响是一个非常重要的问题,本文计算了表面有催化剂的高温小球利用催化反应放热点燃空间预混气体的温度和浓度分布情况,从而得到当空间预混气体着火时表面催化小球的温度低于无催化时空间预混气体着火温度,同时得到在利用催化反应放热点燃空间燃烧时,空间预混气体着火的温度却远远高于无催化下的空间预混气体着火温度,该结果与试验相符。     

喷雾冷却表面瞬态热流密度计算方法研究

瞬态喷雾冷却过程中,表面热流密度是衡量表面冷却效果的重要参数。本文以环氧树脂为冷却基体,分别采用直接与间接两种方式测量冷却表面瞬态温度,通过构建新的传递函数,将Green函数法成功拓展至半无限大多层平板导热反问题的热流密度计算。对比分析了Duhamel定理、顺序函数法(SFSM)与Green函数法在不同测温方法下计算表面瞬态热流密度的有效性与适用性,结果表明,在表面温度直接测量方式下,三种方法均能较准确计算出表面瞬态热流密度。在间接测温方式下,Duhamel法忽略了测点和表面之间材料的散热影响,因此无法准确计算出瞬态表面热流密度,SFSM在温度快速变化阶段计算结果有一定失真,而利用Green函数法求解表面热流密度最为准确。     

关于碳/炭粒表面氧化反应生成物CO/CO_2比值的研究

本文通过严格的求解一组包括空间反应在内的微分方程,并辅以准确的碳粒燃烧速率及其温度的实验测定,得到了计算碳/炭粒表面氧化反应生成物C0/CO_2比值的通用表达式,它较之前人的经验公式更准确、通用。从而为碳/炭粒的温升历程及其着火温度的预报提供了可靠的理论基础。     

激光点火煤粒着火的模型分析

本文对颗粒煤在激光加热条件下的着火和燃烧进行了数值模拟。采用的是一个简单的煤粒着火与燃烧的一维模型。该模型采用了热解和双平行反应模型,考虑了煤粒表面的多相反应和气相的基元反应以及气相中的传热与传质。从获得的煤粒表面和气相空间的温度随时间的变化规律,可以判断不同煤种的着火方式。     

辐射方向对木材引燃特性影响的实验研究

在有点火源的条件下,对榆木在两种不同辐射方向下的热解和着火特性进行了研究,测定了不同外加热辐射强度、不同辐射方向下榆木的着火时间、表面温度、质量损失的变化规律。实验结果表明,榆木在水平方向下较垂直方向更容易着火,临界热流更小,着火表面温度更高,质量损失速率更小。     

富氧燃烧条件下煤焦的燃尽特性

本文利用平面火焰携带流反应器研究了DT烟煤在富氧燃烧条件下的燃烧实验。采用灰示踪法分析煤焦的燃尽和元素释放特性,并采用等密度模型计算了基于氧化反应C+0.5O_2→CO的表观反应动力学参数。研究结果表明;煤粉在富氧燃烧条件下的燃尽慢于空气燃烧;富氧燃烧条件下,煤焦与CO_2的气化反应会导致煤焦表面对O的化学吸附,进而导致氧元素释放速率减慢;高氧浓度条件下,高浓度CO_2对煤焦燃尽的抑制作用大于CO_2气化反应对煤焦燃尽的促进作用,降低环境氧浓度可以逐步提高CO_2气化反应对煤焦燃尽的贡献。     

水射流冷却过程中表面热流密度的预测

建立了由内部一点测量温度值,选取多个时间步长计算未知的表面热流密度与换热系数的导热反问题算法。该算法采用有限容积法离散方程,附加源项法处理边界条件。将该计算模型应用于求解浸没水射流冷却过程中表面热流密度,将计算温度值与实验测温值进行比较验证了算法的正确性。在此基础上分析了水射流冲击过程中薄钢片表面热流密度随表面温度与时间的变化特性。     

煤基化学链燃烧技术的Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体研究

直接以煤为燃料的化学链燃烧是解决中国燃煤CO_2排放的一种潜在技术,关键问题之一是难以气化和氧化的煤焦与氧载体之间的固固还原反应。本文基于溶胶-凝胶法,利用Al(OC_3H_7)_3和Fe(NO_3)_3·9H_2O制备了12种不同的氧载体,并用XRD、SEM、BET等对其物化性质进行了表征,发现烧结温度以低于1200℃为宜。选择6种不同参数(活性Fe_2O_3质量含量、烧结温度和烧结时间)的Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体,在热重中研究了它们与煤焦的反应性能,结果表明,在880℃左右时,氧载体与煤焦快速反应,首先快速还原成Fe_3O_4,然后有一部分FeO出现。综合各方面因素,选用F6A1116氧载体(60%Fe_2O_3含量,1100℃烧结6 h)进行与煤焦/空气的多次循环实验。结果表明,氧载体没有杂质物相生成,表现了良好的循环反应性。反应后氧载体表面发生了一定程度的烧结现象,但仍维持孔隙结构。这些实验结果初步证明,基于Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体、燃用固体燃料煤焦的化学链燃烧技术是可行的。     

正丁烷燃料中低温氧化的骨架反应机理

本文基于Healy等人建立的正丁烷详细反应机理(230个组分,1328个反应),采用直接关系图法,反应路径分析以及敏感性分析相结合的方法,构建了一个包含83个组分,397个反应的中低温反应动力学骨架模型。路径分析发现,在低温反应中,正丁烷氧化着火主要受链传播反应中的放热循环控制。而在中温反应中,正丁烷及其下游产物正丁基的裂解反应变得重要,大分子裂解后的小分子氧化加快反应进程。本文骨架模型在温度范围550~1050 K、压力范围0.1~3MPa、当量比范围0.5~2.0条件下对着火延迟时间、层流火焰速度、温度以及重要组分浓度分布的预测均与详细机理保持很好的一致性,同时与文献中快压机、定容燃烧弹和搅拌射流反应器的实验结果也吻合较好。     

多相燃烧分形模型及其实验研究

本文提出了多相燃烧的分形模型．模型中认为在多相燃烧中内部孔洞体积与表面积存在分维指数关系，而且反应面积的增长为两种分形增长模式的叠加．结合孔洞合并的因素得到了描述煤多相反应速率的分形模型．该模型描述的反应速率先增加后减少的规律与实验结果十分相符．对五个煤种和其中两个煤焦样品进行了试验研究，在两个不同升温速率下得出的试验数据与理论计算相符．     

锐钛矿(001)表面氧化机理的第一性原理计算研究

基于第一性原理计算,研究了(1×4)重构锐钛矿(001)面的氧化过程和结构,发现了分子氧化和解离氧化两种氧化结构,并研究了氧化过程的反应势垒．通过计算表面的自由能,比较了不同的氧化结构在不同氧化率时的稳定性,并依此绘制该表面氧化结构的相图．同时也研究了晶格应力对氧化结构的影响．研究结果表明,(1×4)重构锐钛矿(001)面的氧化结构和氧化率强烈依赖于温度和压力,且晶格应力也起着重要的作用．     

孔隙直径对R134a管外沸腾换热影响研究

在工况温度分别为6℃和10℃,对R134a在光管和三根双侧强化管(F38,F46,F56)外进行池沸腾换热试验研究。结果表明:两种工况下,R134a在光管外沸腾表面传热系数与Cooper公式计算值相对偏差均在±15%以内,R134a在强化管外沸腾表面传热系数变化趋势与光管Cooper公式基本一致。受试验管外表面孔隙直径的影响,当热流密度小于50k W/m2(或壁面温差小于2K)时,孔隙直径越小,沸腾换热效果越好;反之,当热流密度大于50k W/m2(或壁面温差大于2K)时,孔隙直径大的强化表面沸腾换热效果要优于小孔隙直径表面。     

介质阻挡放电作用下对冲扩散火焰的着火特性研究

本文设计了一种大气压条件下介质阻挡放电(DBD)装置,与对冲火焰的同轴射流喷嘴耦合,研究等离子体对于甲烷扩散火焰着火特性的促进作用。实验表明,放电条件下的着火温度下降约100～200 K。通过OPPDIF开展数值模拟,解耦等离子体助燃的热效应和化学效应,结果显示着火温度对于化学效应更敏感。放电过程中生成的CH_2,通过甲烷氧化的低温化学路径,对着火温度有显著的改善效果。     

电火花能量对木材引燃特性影响的实验研究

在不同外部辐射热流下,研究了电火花引燃能量对杉木着火特性的影响.实验测得并分析了着火时间、着火时刻失重速率、临界热流随电火花能量的变化规律.结果表明,木材的着火时间随电火花能量的增大而明显缩短;随着电火花能量的增大,着火时刻的失重速率和临界热流都有减小的趋势,其中,临界热流变化较小,通过实验数据推导得出实验条件下杉木着...     

正丁烷/空气在微反应器内的气相与催化反应

本文通过实验研究了富燃的正丁烷/空气混合物在有、无Pt催化剂蜂窝陶瓷反应器内的气相与表面反应过程。实验结果表明,根据反应温度的不同,正丁烷/空气混合物的催化氧化过程分为三个区域:低温的表面催化反应控制区、高温的气相反应控制区和中温的催化/气相反应共同控制区。在表面催化反应控制区,即使是富燃料混合物,其反应产物也只有完全氧化产物,而不存在CO等不完全氧化产物。在达到气相着火后的气相反应控制区,混合物主要发生部分氧化和热裂解反应过程,表面催化反应的影响很小,反应产物主要是部分氧化产物和裂解产物CO,H_2、CH_4、C_2H_4、C_3H_6等。