煤粉颗粒流的等离子体点火和助燃机理研究

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1、煤粉颗粒流的等离子体点火和助燃机理研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：赵奉宣指导教师：李水清教授二○一七年五月Investigationofmechanismsinplasma-assistedcombustionandignitionofdispersedcoalparticlestreamsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringa

2、ndEngineeringThermophysicsbyZhaoFengxuanThesisSupervisor:ProfessorLiShuiqing:May,2017摘要摘要等离子体点火技术可以利用电弧直接点燃煤粉，不但节约了点火用油，还降低污染物排放量，近年来工业上已得到了广泛应用，但该技术在点燃贫煤时效率较低，且存在电极寿命较短等问题，这限制了该技术的进一步工业应用。本文主要就煤粉颗粒等离子体辅助点火以及直接点火的机理进行研究，初步区分了等离子体热效应以及化学效应对煤粉点火过程的影响，并分析了煤粉挥发分含量对等离子体点火效率的影响规律，最后开展了等离子体对煤粉颗粒表面温度影

3、响的实验研究。首先在多元扩散平焰燃烧器(Henckenburner)上搭建等离子体发生装置，完成不同能量等离子体辅助点火实验，当电源电压为3kV时，由于击穿频率仅900赫兹，等离子体以电晕放电的形式存在，其输入能量较小，此时点火延迟时间的骤降(1.4ms)是由于等离子体的化学效应，当电源电压为20kV时，由于击穿频率达到16000赫兹，等离子体以准辉光放电形式存在，输入能量较大，等离子体热效应提高了环境温度使得点火延迟时间进一步下降了(1.2ms)。同时不同氧气浓度下的等离子体点火实验结果也表明氧气浓度越高，等离子体的化学效应越明显。在600K低温工况下开展我国典型煤种(呼伦贝尔褐

4、煤、新疆准东煤、神华烟煤和半焦)的等离子体直接点火实验，研究挥发分含量对等离子体点火效率的影响。挥发分火焰使得褐煤以及烟煤的等离子体点火信号曲线出现双峰，而挥发分含量在5%以下的焦炭颗粒，其等离子体点火信号曲线仅在电弧位置附近存在单峰，并且信号强度不断下降。采用11.05W的等离子体电弧可以将褐煤完全点燃，燃功比为1:6.0，半焦颗粒仅被部分点燃，燃功比约为1:1.2。开展等离子体对煤粉挥发分析出以及表面温度影响的研究。利用ICCD拍摄前置430nm滤光镜后的煤粉颗粒点火信号，当煤粉停留时间为12ms时CH*信号逐渐上升，停留时间为22ms时，CH*信号达到峰值，与相同烟气温度未采

5、取等离子体电弧相比，CH*信号显著增强，高能量的电弧等离子体（11W）提高了煤粉的热解速率，1200K的低温工况下，等离子体电弧使得煤粉点火模式从非均相点火逐渐向非均相-均相联合点火模式转变。利用RGB测温方法得到经过等离子体电弧后煤粉颗粒表面温度从900K直接跃升稳定燃烧阶段的2200K以上，煤粉到达稳燃阶段的停留时间减少10ms(27ms减至17ms)，煤粉颗粒表面温度的提高是等离子体辅助煤粉流点火，并大幅下降其点火延迟时间的原因之一。关键词：等离子体；煤粉点火；热效应；化学效应IAbstractAbstractTheplasma-assistedignition(PAI)te

6、chnologyhasbeenwidelyusedincoal-firedpowerplantsforsavingoilandminimizingpollutionemissioninthepastfewyears.However,theignitionefficiencyformeagrecoalisnotsosatisfactory.Theshortcathodelifeisalsoanexistingseriousproblemwhichlimitsitsindustrialapplication.Therefore,itisstillnecessarytofurtherex

7、plorethemechanismsinplasma-assistedignition.Inthepaper,thethermalandchemicaleffectsinplasma-assistedcoalstreamsignitionarepreliminarilycharacterized.Then,theinfluenceofplasma,onparticlesurfacetemperature,isinvestigated.Intheend,therelat