煤颗粒燃烧过程中影响PM2.5微细颗粒物形成的破碎机理研究

摘要

近年来,我国的空气污染现象越来越严重,已经对人们的日常生活造成极大影响,对人体健康产生极大危害。大气污染物中微细颗粒物对人类的危害极大,煤燃烧及石油化工燃烧是微细颗粒物的主要来源。因此研究煤燃烧过程中微细颗粒物的生成原理成为从根源上治理微细颗粒物污染的重要环节。
　　煤粉在燃烧过程中会发生复杂的物理变化,如内部孔隙结构的变化、比表面积的变化等,随着含碳物质的燃烧发生破碎,这一系列的变化过程很难进行热态的直接观察,现在的研究基本都以实验为主,对于热态实验较难对煤颗粒燃烧的全过程进行研究,基本都是从燃烧产物反推燃烧过程,加之燃烧过程中的许多化学反应的时间短暂,更加剧了研究的难度。本文以煤颗粒热解阶段挥发分析出过程中热应力及膨胀应力作用于煤颗粒的材料本身产生的破碎为研究重点,不考虑挥发分析出过程中及析出后的燃烧情况,可看做是在惰性气体中进行。模型是在总结早前研究的基础结合新的计算方式建立的,模型的可靠性较高,对比相关的实验验证也能证明计算方式的正确性。
　　本文的创新点在于对Dacombe等人及吴正舜等人所建立的燃烧破碎模型的优化处理,改进了对于破碎程度的表征方式:以碎片的质量与煤颗粒初始质量比率作为衡量破碎程度的标准;以及通过全新的网格划分方式即以同心圆方式划分网格,模拟的破碎过程是从外向内依次按圆环形式逐步进行,更加符合实际燃烧过程中的情况。
　　通过模拟发现:影响煤颗粒一次破碎的主要因素是:煤颗粒粒径、挥发分浓度、燃烧温度以及煤颗粒的孔隙率。煤颗粒的粒径是影响煤颗粒破碎的最重要的影响因子,粒径对破碎结果的主要影响作用是膨胀应力作用于煤颗粒上的距离与反应的比表面积,粒径越小,相同膨胀应力产生的压强越大,破碎效果越明显。挥发分对破碎的影响效果仅次于粒径,挥发分含量越大,热解析出过程中产生的膨胀应力越大,同时,气态的挥发分与固态的煤焦壁脱离产生了更大的孔隙率,又进一步降低了煤颗粒本身的屈服强度。膨胀应力较大,屈服强度降低,使破碎更容易产生。温度对破碎的影响效果体现在热应力及温度梯度方面,炉膛温度越高,起始阶段温度梯度越大;同时,挥发分析出速度越快,膨胀应力越大,从而使破碎发生。孔隙率对破碎的影响较小,主要作用表现孔隙率的变化改变了煤颗粒的材料应力,另一方面孔隙率越大影响挥发分的析出速度。孔隙率越大,热解阶段挥发分析出越容易,煤颗粒的屈服强度越低,使破碎率程度更高。

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1.绪 论

1.1工程背景

1.2微细颗粒物主要危害

1.3研究内容

1.4研究目的和意义

2.文献综述

2.1国内外对于微细颗粒物研究现状

2.2煤颗粒燃烧模型的研究动态

2.3煤颗粒破碎模型的研究动态

2.4煤颗粒内部孔隙结构模型研究动态

3.煤颗粒热解过程中的破碎

3.1物理模型

3.2数学模型与控制方程

3.3相关参数的选取

4.模拟结果及分析

4.1煤颗粒破碎程度的衡量标准

4.2 煤颗粒粒径对破碎程度的影响

4.3挥发分含量对破碎程度的影响

4.4 温度对破碎程度的影响

4.5 煤颗粒的孔隙率对破碎程度的影响

4.5 可靠性验证

结论

参考文献

在学研究成果

致谢