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目前主要采用热重天平对煤粉燃烧进行研究,虽然热天平法具有测量准确、可重复性好、操作简单、数据处理方便等优点,但在反应器内物料是处于堆积状态,其实验结果与生产中常用的粉体有很大差距,特别是进行煤粉燃烧动力学实验时,煤粉和氧气的接触方式与实际情况相比差异更大。实际工业煤粉燃烧时物料是处于悬浮状态而不是堆积状态,人们对悬浮态煤粉燃烧的动力学研究相对较少。所以,对悬浮态煤粉燃烧的动力学分析具有重要的意义。
对气固反应的基本模型、煤粉燃烧动力学的研究手段、方法以及常用动力学数据处理方法的国内外研究现状与进展等的总结分析可以发现:如何根据实际状况建立合适的动力学模型仍然是当前面临的主要问题。基于此,本文采用理论分析、实验与Matlab编程计算等相结合的方法对高温悬浮态煤粉燃烧的动力学数据处理过程进行了系统的研究,主要从以下几个方面开展研究工作:①煤粉高温悬浮态反应实验数据的基本分析,包括煤粉燃烧反应速率、转化率与温度及氧气浓度的关系;②煤粉燃烧动力学机理函数的确定;③动力学方程的建立、模型验证及数据处理结果的可靠性分析;④动力学计算分析的界面可视化研究。
结合煤粉高温悬浮燃烧实验结果,根据等温动力学积分法原理,采用模式配合法和Sharp法对各种煤粉在不同温度下燃烧的控制机理进行了分析。研究结果表明:对于无烟煤的燃烧,采用Sharp法分析煤粉燃烧的动力学机理函数时,分析结果与模式配合法所得结果基本一致,均为化学反应控制,而对烟煤的燃烧则会出现较大的误差,结合烟煤燃烧的实际过程,认为模式配合法更适合煤粉燃烧过程的分析求解,确定燃烧控制机理。
从模式配合法的分析结果可知:在不同温度条件下,高温悬浮态实验台中的无烟煤燃烧主要受化学反应动力控制,不同煤样的机理函数稍有差异;烟煤的燃烧主要受扩散控制,表现为三维扩散的反Jander或Z-L-T方程。以Arrhenius定律为理论依据,对不同煤样的表观活化能和指前因子进行了求解,分析了表观活化能和挥发分及燃烧反应温度的关系。
根据化学反应动力学方程,确定了不同煤样在900℃不同氧气浓度(21%、17%、12%和7%)条件下的燃烧控制机理,随着氧气浓度的增加,煤粉燃烧的控制因素由扩散向化学反应控制过渡,同时分析了氧气浓度对煤粉燃烧过程的影响并计算了氧分压反应级数。氧分压反应级数n在0~1之间,不同煤种的n值有所不同,因此在高温悬浮实验台中进行煤粉燃烧时,要考虑通入适量浓度的氧气。
为了检验所求得的动力学参数及所建立的动力学方程的可靠性,将不同温度、不同氧气浓度的实验值和模型拟合曲线进行了对比。结果表明,在有效实验数据分析区间内,不同煤样的等温模型拟合值和实验曲线相关性较好(大部分时间内的误差不大于10%),尤其是在煤粉燃烧反应后期误差非常小,不同氧气浓度模型拟合曲线与实验曲线的误差大约为12%。从而说明,基于高温悬浮态实验所建立的动力学方程是可行的,能够用来预测煤粉燃烧的动力学特性。
为了使复杂的煤粉燃烧动力学参数求解过程操作方便、清晰明了,在本文最后,采用VB和Matlab混合编程,编制开发了煤粉燃烧动力学计算分析及其可视化程序(Computational Analysis and Visualization of Combustion Kinetic ofPulverized Coal,CVCK),可以在图形用户界面上进行数据输入、参数定义和方法选择等,并将不同方法的处理结果在主界面上以图形和文字形式显示出来,从而使动力学参数的求解过程方便易行。