个人答辩陈述在线视频

今天我们这个刘雨廷同学的

这个答辩委员会会议就正式开始

我代表分委员会

宣读一下这个

批准的答辩委员会成员

那么主席由我们这个

中国科学院过程所的

高世秋老师担任

那委员由我们

石油大学的孙国刚老师

那个我清华大学的热能系的姚强

那么我们热能系的

张衍国老师

和热能系的何榕老师

那秘书由韩冰助理研究员担任

那下面我们就把工作交给主席

高世秋老师

好 那下面首先请秘书

介绍一下情况

好 刘雨廷 1988年8月21日

出生于湖北省襄阳市

2006年9月

考入华中科技大学

能源与动力工程学院

热能与动力工程专业

2010年6月本科毕业

并获得工学学士学位

2010年9月免试进入

清华大学热能工程系

攻读动力工程

及工程热力专业博士学位至今

那下面请刘雨廷同学

介绍你这个论文研究成果

时间不超过45分钟

谢谢老师

各位老师 各位同学

大家上午好 我叫刘雨廷

导师是何榕教授

欢迎大家来参加我的

博士论文答辩

我博士课题的题目是

分形多孔煤焦颗粒燃烧模型的

构建及研究

我的报告主要分为

以下六个内容

首先看第一部分

研究背景意义

及研究的总体思路

煤是一种十分重要的化石燃料

在我国煤炭资源的储量相对丰富

价格也相对低廉

因而它在我国国民经济发展中

起着不可替代的作用

煤的最主要的利用方式

是直接燃烧

以火力发电为代表

这幅图中展示了近些年来

我国年发电总量的变化趋势

可以看到火力发电

在其中所占的比例相当大

而且从这幅图中可以看出

近些年来火力发电机组的

装机容量随着

也在与日的攀升

从这两幅图中可以推断

在未来的30到50年之内

煤炭仍将是

我国最主要的一次能源

这幅图给出了

煤燃烧的整个过程

它大致可以分为

热解与煤焦燃烧

由于煤焦燃烧所需要的时间

比热解要长几个数量级

而且煤燃烧过程中大部分热量

是在煤焦燃烧过程中释放

因而煤焦燃烧

是煤燃烧过程的主体阶段

研究煤焦燃烧

对于提高燃煤效率

以及锅炉和燃烧器的设计

都具有重要的意义

由于热解过程之后

大量挥发分析出

在煤焦颗粒

所剩下的煤焦颗粒中

会含有丰富的孔隙结构

这是煤焦颗粒的扫描电镜照片

然后从这两幅图中可以看出

尽管孔隙率和比表面积大致相当

但是煤焦的孔隙的形状

对于孔内气体的扩散

会有很重要的影响

从而影响到煤焦燃烧的一个

从而对煤焦燃烧

也会产生剧烈的影响

基于此然后分形理论

也被引入到了

煤焦燃烧的研究领域

首先Pfeifer和Avinir等人

将分形理论

引入到对多孔介质的研究当中

接下来这几位学者

分别采用气体吸附法

压汞法

以及其它一些方法测量了

煤焦颗粒孔隙的分形维数

更进一步任有中和He等人

将分形理论应用到

煤焦燃烧机理的研究之中

然后最终何威等人

基于分形理论构建了

包含分形孔隙扩散效应的

煤焦燃烧模型

在目前常用的煤焦燃烧模型之中

表观动力学模型

和本征动力学模型

是最具有代表性的两种

表观动力学模型

因为其形式较为简单

因而在工业上

可以得到较为广泛的应用

但是它并没有考虑

孔隙内复杂的孔隙结构

以及孔隙扩散

对煤焦燃烧带来的影响

而将这些复杂因素

统统封装在表观动力学参数之中

因而对于不同的煤种

表观动力学参数变化比较巨大

而本征动力学模型

相比表观动力学模型

有了很大的改进

它考虑了煤焦孔隙结构的

复杂程度

及其对煤焦燃烧的影响

并引入弯曲因子这一个量

来表征孔隙结构的复杂程度

但是弯曲因子这个量

并没有严格的定义

而且往往被用作一个经验参数

而且在本征动力学模型

它的扩散这部分

是基于Fick扩散定律

和Knudsen扩散定律而建立的

该部分 该定律已被证明

在分形孔隙内是不适用的

近些年来又有新的

煤焦燃烧模型被提出

从该模型中原煤的岩相学参数

以及热解时间等被考虑了进来

也就是说原煤特性

和热解条件

对煤焦燃烧的影响

被纳入此模型

但是该模型也没有考虑

孔隙扩散对燃烧速率的影响

因而从本质上来说

这也是一种表观动力学模型

而何威等人建立的

分形煤焦燃烧模型

则有了较大改进

它相比于本征动力学模型

采用分形维数这一个量

来代替了弯曲因子

由于该量具有严格的定义

而且又可以通过实验来测量

但是该模型也存在一些不足

就是煤焦燃烧过程中

孔隙结构的变化

在此模型中并没有考虑

而且表观反应阶数

都被取为常数1

这与实际情况也不太相符

就表观反应阶数而言

Smith等人曾指出

它与煤焦颗粒

它与煤焦燃烧时的颗粒温度

颗粒外表面的氧气浓度

以及煤焦本身的物理性质有关

有很多学者对表观反应阶数

进行了大量的实验研究

这幅图中给出了一些结果

但这些结果大多是

针对特定的煤焦

在特定条件下燃烧的

表观反应阶数值

并没有给出一个

比较通用的规律来

因而对表观反应阶数这个结论

这个东西的使用

往往比较不太方便

这个表给出了一些

学者对煤焦燃烧过程中

孔隙结构变化的规律的研究成果

可以看到他们对不同的煤焦

采用了不同的实验方法

可以将结论汇总于此

对于孔隙率而言

大多数都是在燃烧过程中

是一直增大的

而对于比表面积

大多数得到的结论

是燃烧过程中先增大后减小

也有一些学者得到的

是燃烧过程中一直减小

对于分形维数

有很多学者得到的

是燃烧前后是不变的

但也有学者得到的是

燃烧之后会下降

对于颗粒直径则是一直下降的

但是这些结果

也都并没有定量化

因而在模型中的使用

也会比较不方便

随机孔模型因为它给出了

燃烧过程中比表面积

与煤焦转化率之间的定量关系

因而得到广泛使用

但是随机孔隙模型 孔隙

这是它的孔隙的一个示意图

但是它假设的这个孔隙结构

并没有反应出

煤焦孔隙的分形特性

而且其中包含一个参数ψ

该参数测量起来很不方便

往往被用作一个经验参数

更重要的是

随机孔模型所预测的

燃烧过程中

煤焦最大的比表面积出现时

对应的转化率

往往是小于0.393的

这与一些实验结果也不相符

总而言之已有的煤焦燃烧模型

对孔隙扩散的研究尚不充分

而且这些模型

大多忽略了孔隙结构的变化

以及反应阶数也通常是取为定值

本课题主要采用

数值模拟的方法

对表观反应阶数

和燃烧过程中

孔隙结构变化规律进行研究

给出其定量的描述

然后通过实验对其进行验证

最终在此基础上构建一个

在理论上较为完善

同时具有一定精度的

煤焦燃烧模型

这是本文的研究思路

就是首先搭建一个可以描述

可以模拟煤焦颗粒孔隙内

扩散与燃烧

耦合过程的一个数值平台

然后运用该平台

模拟完整的煤焦燃烧过程

从而对燃烧过程中

煤焦孔隙结构变化规律进行研究

然后模拟在

模拟煤焦颗粒

在某一个瞬时的一个燃烧

从而得到一个

在该条件下具体的反应速率

可以对表观反应

可以得到燃烧过程中的

表观反应的阶数

同时这两部分是本文的

本课题的核心部分

然后同时也顺带得到了

燃烧过程中的表观反应

表观一氧化碳/二氧化碳比例

以及富氧条件下的一个修正因子

这四部分的结果

与前人提出的

表观反应速率表达式

一起共同构成了本文所构建的

一个综合煤焦燃烧模型

然后通过对沉降炉实验进行模拟

来验证模型的一个可靠性

下面介绍第二部分

就是数值平台的一个搭建

该平台主要包括三个部分

首先是随机漫步算法生成的

分形多孔煤焦颗粒模型

然后基于气体分子运动论

建立的煤焦孔隙内的

一个扩散模型

以及基于经典碰撞理论

所构建的孔隙内的

就是气体和炭的

一个化学反应模型

由于煤焦颗粒

是典型的一个多孔介质

其孔隙结构又具有分形特性

然后本文所使用的分形维数

是He等人基于压汞实验

定义的一个分形维数

该分形维数

表征了煤焦孔隙结构的

一个复杂程度

如果分形维数越大的话

则表示煤焦孔隙结构越复杂

这幅图是一个

煤焦压汞实验的

一个典型的一个实验数据

该直线的斜率

即为分形维数的值

然后通过梁占刚等人提出的

随机漫步算法

生成的一个

数值煤焦颗粒模型

可以看到它在外观形貌上

与真实的煤焦颗粒非常相近

而且通过对其

模拟它的压汞实验

得到的这个实验数据的

一个拟合分形维数的

线性性也比较好

从而证明了该模型的

也具有较好的一个分形特性

由于Fick扩散定律

和Knudsen扩散定律

在煤焦分形孔隙内是不适用的

所以本文基于气体分子运动论

建立分形孔隙内的扩散模型

具体的建立过程

就不再详细介绍

就是给出最终的

在不同边界条件下

扩散方式的一个具体形式

对于燃烧过程

对于模型中

煤焦燃烧过程中

主要有以下四个反应发生

在本模型中均加以考虑

其中前三个是气固反应

而最后一个是气相反应

经典碰撞理论认为

化学反应发生是由分子碰撞

分子之间的碰撞所导致的

但并不是所有的碰撞

都能导致反应发生

只有分子之间取向合适

同时又具有一定能量的碰撞

才能引起化学反应

经典碰撞理论认为

煤焦燃烧速率

它是等于碰撞频率

与有效碰撞的概率的乘积

这里是我们推导的

那个气相反应和气固反应

反应速率的表达式

其中这一部分是

基于气体分子运动论推导的

分子间的碰撞频率的表达式

然后这个式子是

气体分子之间相对运动的

相对运动平动能的一个分布

然后这个是

气体分子与固体炭网格

之间的碰撞频率

这个在前面的

扩散模型中可以求得

然后这个是气体分子

绝对运动的一个平动能分布

然后将此分布

从某一个能量阈值积分到无穷

则表示的是

气体分子的平动能

大于该能量阈值的一个概率

也就可以认为是

有效碰撞发生的概率

但是该反应的

就是这两个能量阈值

是通过搭建的数值平台

模拟文献中的实验而得到的

这块由于不是本文的

一个核心内容

就简单的介绍一下

就是通过模拟

煤焦通过模拟碳

在二氧化碳中的气化实验

与通过这个气化时间

与实验数据的比较

得到这个该反应的

那个能量阈值

然后我们取了

然后就是模拟这个

大空间中的燃烧

用我们的模型

模拟大空间中的燃烧

和实验数据进行比较

得到该反应的一个能量阈值

这里要指出

就是我们将该数值

煤焦颗粒模型

该数值煤焦颗粒模型的

所有网格都取为气体网格

同时将网格边长取得较大

这样的话这个模型

就可以近似模拟大空间

对于碳和氧气反应的能量阈值

则是基于He等人的实验得到的

就是He等人通过TGA

对九种煤焦进行了

气化燃烧实验

并得到了该九种煤焦的

表观活化能和指前因子

然后通过引入

一个分析因子β

将煤焦孔隙扩散效应

从表观指前因子

和活化能中分离出来

从而写成这样的

一个新的一个形式

然后得到一个定值

54 kJ/mol

可以看作是

不含孔隙扩散效应的

一个活化能

因而我们本文中的

该反应能量阈值取为这个值

但是知道这个值

还需要知道碳与氧气

反应的本征的

一氧化碳/二氧化碳比例

由于目前的实验中

得到的一氧化碳

二氧化碳比例

都包含有孔隙扩散

以及孔内二次反应的影响

其实都是表观的

一氧化碳/二氧化碳比例

因此我们这里采用何威等人

通过理论推导方式

构建的这个一氧化碳

二氧化碳比例

在介绍完了这个数值平台之后

首先用数值平台

对煤焦燃烧过程中的

表观反应阶数进行研究

我们通过数值平台模拟了

10个不同的煤焦颗粒

在6种气氛

在6个温度

10种气氛下的燃烧

这10种煤焦颗粒的

孔隙参数如这个表所示

一共有600个算例

因为Smith等人指出

就是表观反应阶数的值

与反应温度以及颗粒

颗粒种类 包括气体组分

气体中氧气浓度有关

而这两组气分中

氧气浓度十分接近

因而可以通过这个表达式

求得对应工况中的

表观反应阶数的值

接下来我们通过

大量的分析以及尝试

发现这个表达式

可以较好的描述表观反应阶数

与反应条件之间的一个关系

然后分别用表达式

对各个煤焦颗粒的

表观反应阶数值进行拟合

然后将常数值列于该表中

可以看到这个常数e3的这个值

基本上都在0.3附近

而且波动也比较小

我们就将该常数的值取为0.3

然后这幅图中

将n与T和P的0.3次幂的关系

表现在这幅图中

可以看到这个点和线

还是吻合的比较好的

说明该表达式的拟合

还是有一定的精度

然后接下来我们的目标

是寻找常数e1和e2

与各个煤焦颗粒模型的

孔隙参数之间的关系

为此我们首先提一下

何威等人建立的那个

煤焦燃烧模型

在他的模型中

将所有的孔隙参数

都整合在了一个模数

χ当中

该模数表征了

煤焦孔隙扩散的阻力

其值越大

则表征孔隙扩散阻力越小

关于这点我们后面

会有一个详细的介绍

然后后面我们试图寻找

常数e1 e2

与模数χ之间的关系

可以看到它们

具有较好的线性关系

然后对其进行拟合

可以得到表观反应阶数

n的一个最终的表达式

然后下面对该表达式进行分析

来探讨各个因素

对表观反应阶数n的一个影响

首先看的是煤焦颗粒的温度

从图中可以看到

随着温度的升高

表观反应阶数值是下降的

这个可以这样进行解释

就是在温度较低的时候

煤焦燃烧往往是处于Regime I

这个时候孔隙扩散

对煤焦燃烧的影响相对较小

而且煤焦颗粒孔隙内的

气体浓度是相对均匀的

这个时候煤焦燃烧速率

与颗粒外表面的氧气浓度

基本上是呈正比的

所以此时n的值较大

然后随着温度的升高

煤焦孔隙扩散作用会增强

这时孔隙内的氧气浓度

会变得不均匀

而且与颗粒外表面氧气浓度

会存在差异

此时如果颗粒外表面的

氧气浓度发生变化的话

孔隙内的氧气浓度变化

会有一个延迟

这样的话煤焦总的燃烧速率

与颗粒外表面氧气浓度

之间的关系随着

就是对它的敏感程度会下降

这体现在表观反应阶数上

也就是它随着温度升高而下降

这幅图反映的是

表观反应阶数

与颗粒外表面氧气浓度

之间的关系

也可以看到它是随着

氧气浓度的升高而下降的

当颗粒外表面

氧气浓度较低的时候

煤焦燃烧速率

对表观反应阶数比较

对这个颗粒表面氧气浓度

是比较敏感的

这个时候表观反应阶数值

是较大的

而当颗粒表面氧气浓度

足够高的时候

如果超过一定程度

颗粒表面能够吸附

氧气分子的活性空位会饱和

这个时候反应速率

与氧气浓度之间的关系

就是没有那么敏感了

这个时候n就会下降

下面我们将探讨那个

各个孔隙参数

对表观反应阶数n的影响

由于在表达式中

是通过模数χ来表征

孔隙结构对n的影响

我们首先探讨各个参数

各个孔隙参数

对模数χ的影响

接下来讨论n与模数χ之间的关系

从这几幅图中可以看出

模数χ随着孔隙率的升高而上升

而随着分形维数

和比表面积的增大而下降

并且随着颗粒直径的增大

也是减小的

可以这样来看

就是如果说孔隙率越大的话

则煤焦孔隙的连通性会越好

此时比表孔隙的扩散阻力会越小

而分形维数越大

煤焦孔隙结构越复杂

此时扩散阻力是越大

而这个比表面积越大的话

从平均孔径的定义来看

在孔隙率一定的时候

比表面积越大

则平均孔径越小

这对于气体扩散也是不利的

而此时的扩散阻力也是越大

因而总的来说

就是这个量 模数χ这个量

可以表征煤焦孔隙结构

可以表征煤焦孔隙扩散阻力

因为当这个值越大的时候

煤焦孔隙扩散阻力是越小的

是可以从这三个方面

都可以得到解释

接下来的话

我们看n与模数χ之间的关系

由于它表征的是

煤焦孔隙扩散阻力

如果它的值越大

孔隙扩散阻力越小

根据前面的分析

理所当然

n会随着它的增大而增大

这个是n的表达式

然后这个表达式要求

就是常数e1的值必须要大于0

因为如果它如果小于0的话

表观反应阶数n的值会大于1

这会与实际情况不符

然后将e1的表达式代入

可以求得模数χ有一个范围

也就是说对于初始模数χ

小于这个值的煤焦颗粒来说

它的表观反应阶数n

可以用表达式来计算

但是如果说是大于这个值的话

我们可以将这些颗粒的

表观反应阶数值恒定取为1

因为这个时候孔隙扩散阻力

已经非常小

对煤焦燃烧的影响

几乎可以忽略

这一点从何威等人得到的

表观反应速率常数的表达式中

也可以得到验证

这是他给出的

表观反应速率常数

与模数χ之间的关系

可以看到当模数χ足够大的时候

表观反应速率常数

随着这个χ已经变化是非常小的

但在他的研究中

并没有给出这个临界的值

因此我们可以将

这里得到的这个

作为模数χ的一个临界值

用这个条件来判断

煤焦孔隙扩散

对于燃烧速率是否可以忽略

下面来进行一些相关的讨论

通常的情况

我们是用这个表达式

来计算煤焦燃烧速率的

这个CS是

煤焦颗粒外表面氧气的浓度

然后n是表观反应阶数

然后也可以这样考虑

就是用煤焦颗粒孔隙内的

平均氧气浓度

来取代这个CS的n次方

如果要检验这个式子是否正确

我们就需要判断

就是这两项是否相等

进而也就是判断这个式子

但是从图中可以看到

n和这个式子

其实是并不相等

这就表明用这种方法来计算

煤焦燃烧速率会有一定的误差

但是从图中可以看到

n和它的变化趋势是相同的

这也就是从一定程度上证明了

就是孔隙扩散确实是导致

反应阶数n下降的一个原因

然后从这幅图可以看到

这幅图是煤焦燃烧中

二次反应耗氧量

与一次反应耗氧量之比

可以看到这个量是非常小的

都在10的负3到负4次方

因而二次反应相比孔隙扩散来说

其对反应阶数的影响

也是微不足道的

在模拟中我们还顺带得到了

燃烧产物中

一氧化碳/二氧化碳的比例

然后通过对各个条件进行拟合

发现与实验数据

与他的实验结果还是比较接近的

接下来我们用我们得到的

表观反应阶数n的表达式

对何威建立的

煤焦燃烧模型进行修正

因为在他的模型中

表观反应阶数是恒定取为1的

然后用修正后的模型

对沉降炉实验进行验证

来检验修正的效果

以及间接验证

表观反应阶数n的这个正确性

在实验中我们使用了三种煤焦

然后在三个不同的

炉壁温度下燃烧

这也就是一共9组工况

因为该沉降炉的这个采样探针

可以在炉管内

在这个范围内自由移动

所以说它可以采样

测到不同停留时间

对应的煤焦转化率

这是实验中使用的

三种煤的这个工业分析

元素分析

以及孔隙参数值

然后我们用Fluent

对该实验进行模拟

首先用Gridgen软件

对沉降炉的炉管进行网格划分

然后因为沉降炉内的流动

是典型的气固两相流

所以我们用欧拉-拉格朗日法

用典型的DPM模型

来对此进行描述

因为沉降炉内流动又较为简单

我们计算其雷诺数

它是小于2300的

所以我们就采用的是层流模型

辐射采用的是P1模型

这是改进后的模型

将我们的反应阶数表达式

也融入到了模型之中

然后用此对实验进行验证

这是我们

这是流场计算

得到的那个颗粒

流场内的的温度分布云图

然后这是得到的速度场

这个是氧气的摩尔分数

二氧化碳的摩尔分数

这个就简单的看一看

然后这是最终

实验数据的一个验证

就是图中的点是实验数据

然后细线是原来模型的结果

然后粗线是改变后模型的结果

可以看到还是比较吻合的

然后这个表中

我们将那个具体的误差

都列在这个表中

这个是何威等人

原来实验的误差

这个是我们改进后的误差

可以看到它有一定的提高

这就验证了

就是说只有何威等人的模型

和我们的表观反应阶数

表达式相结合

才能够较好的描述

孔隙扩散对燃烧速率的一个影响

从而也间接验证了

表达式的正确性

在模拟中我们还得到了

表观反应阶数n的一个变化趋势

它在燃烧过程中

首先由1开始快速减小

最终随着反应的进行

而达到了稳定 趋于稳定

这主要可以看到

就是在燃烧

这主要是因为在燃烧初期

煤焦颗粒的温度往往较低

这个时候燃烧往往是

处于Regime I的

所以说n的值近似等于1

然后随着燃烧过程中

颗粒温度的升高

就是孔隙扩散的作用不断增强

表观反应阶数的值逐渐下降

并最终趋于稳定

但这个只是一个初步结果

因为我们并没有考虑

孔隙结构的变化

在后面会有完整的一个结果

这幅给出了就是n变化

和n等于1时

煤焦燃烧速率的一个差异

可以看到在n变化的工况中

煤焦燃烧速率

出现的峰值更高 而且更晚

在燃烧后期它下降的更快

这一点可以从

因为在n变化的时候

这个n是较小的

这样导致煤焦燃烧速率

对颗粒表面氧气浓度变化

变得不敏感

可以从这一点来解释

这个是本章的小结

因为时间的关系

我就不一一念了

然后我们采用数值平台

接着对煤焦燃烧

煤焦燃烧过程中

孔隙结构的变化规律

进行了研究

在这一部分我们采用了

使用了21个不同的

数值煤焦颗粒模型

其孔隙参数列于该表中

然后分别对这些煤焦颗粒

在不同的温度

不同的氧气分压

以及不同的颗粒直径

以及灰分含量的情况下

对这些工况进行模拟

一共756个Case

通过模拟我们可以得到

这些Case中

孔隙率 比表表面 分形维数

以及颗粒直径

与煤焦转化率之间的一个关系

首先这直接得到的是定性的

后面我们将会进行处理

在得到这关系之后

我们基于一些经典的表达式

对其进行一些变形

比如考虑灰分的影响

对其做一些简单的修正

而得到一个可以

我们可以用来拟合

前面得到关系的一个表达式

对于比表面积的表达式

我们是基于随机孔模型的

同样考虑了灰分的影响

同时前面也介绍过

就是该模型预测的

比表面积最大值出现时的

煤焦转化率是往往

是一定是小于0.393的

为此我们做了一定的修正

把这个根号改成了

这样一个指数的形式

这一点我们在后面会有一个介绍

这样可以较好的解决

刚才那个矛盾

由于分形维数的

在目前文献中研究较少

而且它的变化趋势

也研究的相对较少

因而没能找到一个经验的表达式

这个我们的式子是

根据我们模拟的结果提出来的

现在这个这两幅图中是可以看到

是我们模拟的孔隙率

和比表面积变化的一个趋势

以及通过刚才的表达式进行的拟合

可以看到

孔隙率在燃烧过程中

是逐渐增大的

但这个变化

增大并不是一个线性变化的

而对于比表面积的话

它是一个先增大后减小

前期的增大往往是

由于燃烧过程中一些小孔

小孔发展越烧越大

以及一些死孔打开所导致的

然后到了后期

孔隙结构会崩塌

以及孔隙会合并

这样的话会导致

后期比表面积的一个下降

然后这两幅图

是得到的分形维数的变化趋势

以及颗粒直径的一个变化趋势

可以看到分形维数

在燃烧过程中是下降的

因为前面介绍了

分形维数表征的是

煤焦孔隙结构的一个复杂程度

在燃烧过程中

分形维数下降

则表示煤焦孔隙结构

在燃烧后会变得简单

这一点可以较好的理解

因为孔隙内往往会有一些奇点

犄角和奇点等等

一些比较凸出的部分

这些部分首先在反应中

会被氧气分子所打磨平

所以说燃烧后

煤焦孔隙结构会变得简单

燃烧过程中

颗粒直径是一个

逐渐下降的一个趋势

通过刚才的拟合

因为一共有756组工况

所以说我们一共得到了

756个常数

756组常数

a1 a2 b1 b2 b3 c1 c2

以及d1 d2的值

然后我们将这些常数

与煤焦燃烧的初始孔隙参数

以及初始条件进行关联

因为这个过程比较繁琐

所以在这里我就没有一一列出

只是给出了

最终的拟合的一个表达式

以及最终各个参数

拟合的一个效果

可以看到这个

就是拟合的效果

还是挺不错的

下面来探讨就是各个孔隙参数

各个反应条件

以及初始孔隙参数

对各个参数变化的

燃烧过程中变化的一个影响

首先看比表面积

从这几幅图分别是不同温度

这幅图考虑了温度影响

然后氧气浓度的影响

以及初始模数χ的影响

可以从图中可以看到

如果颗粒温度越低

就是往上变化

然后颗粒表面氧气分压越高

也是这个曲线往上走的

然后模数χ越大也是往上走

在这些条件下

煤焦燃烧过程中

比表面积的最大值是越大的

而且出现得越晚

这些可以这样理解

因为煤焦颗粒温度越低的话

表示煤焦燃烧速率越低

这样的话氧气分子

在向煤焦颗粒内部

扩散的过程中它会

它可以扩散得更深

这样在其被消耗干净之前

然后对于颗粒外表面的

氧气浓度越高的话

在燃烧过程中

颗粒内外的氧气分压差会越大

这样的话氧气分子

也会更容易扩散

进入煤焦颗粒

而模数χ前面介绍了

它表征了煤焦孔隙扩散阻力

其值越大代表孔隙扩散阻力越小

也有利于氧气分子

向煤焦孔隙内扩散

因为这三个因素都是有利于

氧气分子

向煤焦颗粒内部的扩散

因而更有利于

煤焦孔隙结构的一个充分发展

这样的话在燃烧过程中

这个比表面积值会越大

它出现得会更晚

下面我们对比表面积的表达式

做更进一步的分析

对表达式将比表面积

对煤焦燃烧的转化率进行求导

这是得到的一个结果

因为这两项

显然是大于0的

如果说导数要等于0的话

必须是第三项等于0

这样的话我们可以求得

燃烧过程中

比表面积最大值的一个表达式

以及对应的煤焦转化率

由于我们前面拟合得到的

常数b1 b2 b3中

温度和氧气浓度

都集中在b2中

并且是以po2的0.3次幂

比上T的形式出现

然后我们分别将得到的这个

比表面积最大值出现的转化率

以及比表面积最大值

分别对这个量作图

可以看到随着这个量的增大

比表面积最大值出现时的

这个转化率会有一个极限值

这点从表达式的分析上

也可以看到

随着这个量的增大

然后b2的值是趋于无穷的

因而这个表达式

会趋于这样的一个形式

而在b3中

仅仅只含有这个模数χ

也就是说b3的值

仅仅是由煤焦颗粒的

初始的孔隙结构所决定

因而这个

也就是说这个比表面积最大值

出现的这个转化率它的极限值

是由煤焦初始孔隙参数所决定的

它是可以看作是

煤焦颗粒的一个特性

而这个值

显然是可以大于0.393的

就较好的解决了

随机孔模型的那个矛盾

然后得到了这个

比表面积的表达式

可以看到它在燃烧过程中

是它的这个表达式

与这个量是近似成

一个线性的关系

这一点也十分有意义

就是说我们在根据这个

我们可以预测

煤焦燃烧过程中

比表面积的一个最大值

进而可以用于工业上预测

燃烧过程的一个

最大燃烧速率的值

在通过对模拟数据的处理

我们还发现在温度较高

或者氧气分压较低

或者模数χ较小的工况中

这个比表面积上升的趋势

会变得不明显

如果可以设想

如果在条件更加极端的时候

甚至可能会没有上升阶段

煤焦颗粒在燃烧过程中

比表面积会一直

是一个下降的趋势

然后通过我们刚才

得到的这个表达式

我们可以对此

做一个定量的一个解析

因为在燃烧过程中

那个转化率是在0到1之间的

如果说我们得到的

这个Xm是小于0的

这样的话在燃烧过程中

这个比表面积会没有奇点

就会没有极值点

这样的话比表面积

是一直下降的

然后我们将拟合得到的

这个常数的表达式

代入到这个式子中

可以得到最终这样的一个条件

也就是说如果满足此条件的话

煤焦燃烧过程中

比表面积是不会

有一个上升的趋势

而是在燃烧过程中一直下降

而前面也分析过

就是比表面积上升

主要是由于孔隙内发生的反应

导致小孔扩大

以及死孔打开所导致

如果说比表面积

这个不扩大的话

在一定程度上就可以认为

在煤焦孔隙内反应发生得较少

或者没有发生

这样的话就说明温度

温度如果达到这个

温度如果足够高的话

就是颗粒内没有反应发生

这正好与煤焦燃烧

Regime II和III之间的一个

区分是描述是一致的

因此可以把它作为

Regime II和III之间的

一个分界条件

下面来看看就是其它各个条件

对于孔隙率的影响

前面也分析过了

这三个条件

会导致氧气分子

更容易地扩散到

煤焦颗粒内部

会更有利于孔隙结构的

充分发展

所以说在这些条件下

孔隙率上升得是更快的

对于颗粒直径的话

因为如果说在这些条件下

更有利于氧气分子

向颗粒内部扩散

那么它在表面反应的就会变少

这样的话颗粒直径下降就会变慢

对于分形维数也是

如果说孔隙结构

发展得更充分的话

那么它在燃烧过程中

可以下降得更多

前面我们得到了

各个孔隙参数的变化

然后因为模数χ

是表示着煤焦孔隙扩散阻力

在得到那些

各个孔隙参数的变化之后

我们可以得到

模数χ在燃烧过程中的变化

可以看到它在燃烧过程中

燃烧前期略微减小

燃烧后期是急剧得增大

因为这个量表征着

孔隙的一个扩散阻力

这样就可以认为

煤焦孔隙扩散阻力

在燃烧过程中是

前期略微增大

然后后期急剧地减小

而（燃烧前期增大）这个过程不太明显

可以忽略

那我们就可以得到

就是可以近似认为

煤焦孔隙结构

是向着孔隙扩散阻力

减小的一个方向在演化

这是各个量对这个

对这个模数χ具体的影响

这个地方就简单地介绍一下

因为在模拟中

我们还同时得到了

就是煤焦燃烧

一个最终转化率的一个表达式

因为在燃烧后期

碳会变得非常少

而灰的含量是一定的

这样的话很多碳

会被灰所完全包围

它不能够与氧气发生反应

而最终剩余下来

所以说最终转化率

往往达不到1

这个是我们对得到的结果

对这些Case的处理

拟合的一个表达式

下面我们通过一些实验

对我们得到的

那个孔隙结构演化规律

进行一些验证

使用了三种煤焦

然后在沉降炉中

不同炉壁温度下进行燃烧

并测得不同转化率

对应的孔隙参数值

然后通过我们的

通过我们得到的规律

对这个孔隙参数值进行预测

可以看到

图中绿色的部分

就是孔隙率是与实验结果

符合的比较好

而且分形维数

也基本上都在这个

实验的误差范围内

唯独就是比表面积的

比表面积的那个误差较大

而且尤其是在转化率较高的时候

这个误差更大

这主要是因为

因为在燃烧过程中

煤焦颗粒会发生破碎和收缩

对于它的破碎的话

是在燃烧后期

转化率较高的时候

更容易发生

而我们的模型中

对煤焦的破碎和收缩

是没有考虑的

而且压汞实验测得的

孔隙参数值

是对很多颗粒的一个平均值

我们的模型

是对单颗粒进行模拟

这其间可能会有一些误差

同时我们的模型也没有

就是说对煤焦颗粒内部的

温度梯度

以及灰分的一个催化

和抑制作用

这一块考虑也不是很充分

所以说这些可能就是导致

实验与模拟的一个差异

这是本章的一个小结

这一块就不重复地介绍了

最后在得到这两部分结论之后

我们基于建立了

构建了一个

综合的煤焦燃烧模型

首先这个是

煤焦燃烧速率表达式

这个是何威等人建立的

这个地方就展示一下

然后我们又模拟了

通过我们搭建的数值平台

也模拟了煤焦在氧

二氧化碳气氛下的一个燃烧

并将相同氧气浓度下的

氧/二氧化碳气氛下的燃烧速率

与空气气氛下的燃烧速率

进行一个求商

这个比值定义为一个修正因子

这个修正因子可以较好地描述

孔隙内高浓度二氧化碳

对燃烧速率的一个影响

这个具体的过程

我就不再介绍

就是给出一个最终的结果

就是这个修正因子的

一个表达式

这是最终的一个拟合效果

这个是我们

这个是我们构建的一个

完整的一个

综合的煤焦燃烧模型

这是煤焦燃烧速率的

一个表达式

其中α是

富氧条件下的

一个修正因子

然后这个ka是

表观反应速率常数

是由何威等人

通过理论推导方式构建的

然后表观反应阶数n的

一个表达式

以及煤焦燃烧产物中的

表观一氧化碳/二氧化碳比例

以及最终转化率

然后这些式子中

都有含有大量的孔隙参数

它们在燃烧过程中是变化的

然后通过我们建立的

这个孔隙参数变化规律

来对这些参数在燃烧过程中的

变化进行描述

这是模型中的一些参数

接下来通过实验

对我们建立的模型进行验证

刚才前一章中构建的

那个1至3号煤焦那3组实验

也被用于验证

然后接下来我们又用

2号沉降炉

对4至11号这8种煤焦

进行了实验

该沉降炉只能测得

炉管出口处的

只能在炉管出口处

对煤焦进行取样

也就只能得到

煤焦最终从沉降炉出去的

那个最终转化率

这是那个工业分析 元素分析

以及孔隙参数的值

具体的实验条件

这个是我们用

还是刚才那3组实验

这些点是实验数据点

然后这个线是

我们通过综合模型模拟的结果

这个表中也是列出了

这个何威模型

原始模型的一个误差

这个是我们最终模型的

一个误差

可以看到有较大的提高

而且这个是我们模拟的

后面8种煤焦的最终转化率

得到的最终转化率的一个实验值

然后我们分别采用

本征动力学模型

和综合模型

对这8种煤焦的

最终转化率进行了预测

我们为了更清楚地进行比较

我们就是以实验值作为横坐标

以模拟得到的结果作为纵坐标

将这些点作在图中

可以看到就是说

我们综合模型所构建的这些点

离对角线分布更加集中

这就体现了

就是说我们新的这个模型的

精度会更高

接下来我们就是为了能够

对煤焦燃烧过程有更详细的

更深刻的一个了解

就是我们构建了

构建了那个

比单膜模型

和双膜模型

更加科学合理的一个模拟

单颗粒煤焦在大空间中

燃烧的一个数值方法

我这里只简单的介绍一下

这个思路吧

就是我们就是用

基于混合气体多组分的

守恒方程

来描述煤焦颗粒周围

边界层内的扩散

流动以及反应

就是说这一块是单膜模型

和双膜模型

做的近似和简化比较多的地方

而这个地方我们是没有简化

直接给出了一个

直接的一个模拟

这些模型方程

我们就简单地看一下

最终我们采用该模型

就是该数值模拟方法

结合我们本文建立的综合模型

对文中使用的2号煤焦

在相同温度 不同气氛

以及相同气氛 不同温度下

氧/氮 氧/二氧化碳气分下的燃烧

进行了分别的模拟

这幅图给出了在

这两幅图给出了

在氧气分压是0.21个大气压

然后不同温度下

颗粒温度以及燃烧速率的

一个曲线

可以看到就是说

在氧/氮气氛下

就是空气气氛下燃烧时

颗粒温度会略高

然后燃烧速率也会略大

这主要是因为二氧化碳的

比热容比较大

它会导致富氧条件下的

燃烧温度偏低

而且氧气分子

在二氧化碳中的扩散系数

也比氮气中的小

这样的话就是都不利于

煤焦在氧

二氧化碳气氛下的燃烧

这几幅图分别给出了

燃烧过程中颗粒表面氧气浓度

氧气的摩尔分数

一氧化碳的摩尔分数

以及二氧化碳的摩尔分数的变化

可以看到氧气是作为反应物

它随着反应的进行

它是先下降

然后到了后期反应速率下降

又由于大空间中的氧气

会向颗粒表面扩散

所以说它在最后又会恢复

一氧化碳的变化却是与它相反

另一方面可以看到

在温度较低的时候

在氧/氮气氛下

氧气浓度下降得更多

一氧化碳的摩尔分数

上升得更多

这主要是因为在氧/氮气氛下

燃烧速率更快所导致的

但是在高温下

我们却得到相反的结论

在氧/二氧化碳气氛下

结果氧气下降得更多

而一氧化碳上升得更多

这主要是因为当温度较高之后

碳与二氧化碳的反应会加剧

这个时候会有更多的

一氧化碳生成

同时一氧化碳燃烧

也会消耗更多的氧气

所以导致氧气浓度也会下降

这两幅图给出了

颗粒表面二氧化碳的

那个变化趋势

因为在空气气氛下的时候

因为它们这个区间跨度比较大

所以说就分成两幅图来作

然后因为在氧/二氧化碳气氛下

在空气气氛下

二氧化碳和一氧化碳是相近的

都是仅仅只作为生成物

所以它们的变化趋势是相似的

而在富氧条件下的话

就是它是初始的

二氧化碳浓度很高

所以它首先会下降

然后到燃烧后期又逐渐上升

最终因为它作为生成物

可能会超过原有的一个水平

这幅图给出我们模拟

得到的表观反应阶数的

一个变化趋势

这个是我们刚才

在第三章中

没有考虑孔隙结构变化时

得到的一个

就是先下降后稳定

然后这个地方是先下降后稳定

最后在燃烧后期会有一个上升

因为我们介绍了

就是说在煤焦孔隙结构

是向着孔隙扩散阻力

减小的方向在演化

所以说到燃烧后期

孔隙扩散阻力会明显减小

这个时候表观反应阶数

又会恢复到

就是又会明显地上升

这个才是一个

表观反应阶数

完整的一个变化趋势

我们就是还得到了

就是这个是

燃烧过程中比表面积的

一个变化图

然后这个是温度为1200 K时

不同氧气浓度时的

一个反应速率的变化

可以看到仍然是

空气气氛下的速率要略高

但是在这幅图中

就是氧气含量很低的时候

这两个曲线十分接近

其实实际上应该是

氧/二氧化碳气氛下的更高

但是在这幅图中

因为显示的原因

可能看不太清楚

这就表明就是碳和二氧化碳

这个气化反应

只有在温度相对较高

同时氧气浓度相对较低的时候

才较为明显

这是本章的一个小结

就不再介绍了

最后看的就是本文的一个创新点

和后续研究的建议

本文的创新点主要有三条

就是首先是提出了

基于煤焦孔隙结构

及燃烧条件

计算表观反应阶数n的表达式

并得到表观反应阶数

在燃烧过程中的一个变化趋势

第二点就是显式地给出

燃烧过程中煤焦燃烧的

显式给出燃烧过程中

煤焦孔隙结构参数

孔隙率 比表面积

分形维数和颗粒直径

与转化率之间的

一个定量关系

并指明了煤焦孔隙结构

在燃烧过程中的演化方向

并提出了就是

燃烧中Regime II和III

之间的一个分界条件

之后在此基础上

构建了一个完整的

煤焦燃烧模型

并通过实验进行验证

后续研究建议就是

首先我们就是希望通过

后面就是通过

非稳态扩散的相关理论

对煤焦燃烧速率表达式

进行修正

然后就是说进一步考虑

煤焦灰分的软化

以及灰分中催化

微量元素的催化和抑制作用

然后就是研究

多孔介质中的传热规律

因为在本文的模拟中

就是我们认为颗粒是等温的

这个地方做了一个近似

然后就是进而又考虑

煤焦颗粒的收缩与破碎现象

这是后续研究的一些建议

这是本人在博士期间

发表的一些文章

本人在博士期间

参加的一些具体的项目

谢谢老师