炼铁原料的加工处理
高炉冶炼的产品有哪些，各有什么用途？
高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式及其含义？
高炉喷吹辅助燃料的意义及其发展前景？
烧结车间和球团车间
高炉冶炼对矿石（天然矿、烧结矿、球团矿）有何要求，如何达到这些要求？
烧结过程中固体燃料燃烧有几种反应，用热力学分析哪一种反应占主导地位？
烧结过程的气氛如何判断？怎样控制以达到要求的气氛？
烧结过程发生固相反应的条件，反应过程和反应产物有什么特点，固相反应对烧结过程有何影响？
烧结过程中液相是如何形成的，不同碱度烧结矿的烧结过程中产生的液相有哪些特点，液相对烧结矿质量有何影响？
烧结过程蓄热从何而来，为什么高料层厚度作业能提高烧结矿质量，降低燃耗？
影响生石灰分解速度和消化的因素是哪些，讨论其原因。
按还原性及强度的好坏，排列各矿物铸成的顺序，并说明对烧结矿的影响。
为什么能采用低温点火（950~1000℃），它对烧结生产和烧结矿质量有何影响？
简述铁精矿粉的成球机理，并讨论影响其质量的因素？
球团矿干燥有何特点，如何保证球的强度？
不同品种精矿粉的生球在焙烧中的固结强度有何异同？
烧结矿和球团矿质量检验的原则是什么？列举进行各种性能检验的依据？
从烧结矿和球团矿的性能比较，说明合理炉料结构的组成。
试述低温烧结法新工艺的特点及意义。
试述球团烧结法新工艺的特点及意义。
试述低SiO2烧结矿生产新工艺的目的和工艺对策。
高炉冶炼系统
1）高炉本体设计
高炉炼铁工艺流程分成哪几个系统，各系统有哪些主要设备？
高炉有效容积、焦比和冶炼强度三者的关系？
高炉炉缸利用系数和高炉有效容积利用系数？
如何理解高炉炉型的合理性?
料线的含义如何，国内高炉对料线零位一般作何规定？
高炉炉衬的作用有哪些，分析高炉各部分炉衬的破坏规律？
分析高炉内衬的工作条件及引起内衬破坏的主要因素？
高炉常用哪几种类型的耐火砖，分析各自特点？
说明陶瓷杯炉底的特点，并分析陶瓷杯炉底结构长寿的原因？
高炉炉底冷却有何意义，常用的冷却介质有哪些？
为了延长炉身部分寿命，用于该部位的镶砖冷却壁在材料和结构方面做了哪些改进？
高炉常用的冷却设备有哪些，比较光面冷却壁和镶砖冷却壁在材料和结构方面做了哪些改进？
对高炉的供排水系统有哪些要求？
冷却器的工作制度包括哪些组要内容，怎样做到既安全又节约冷却用水？
简述软水闭路循环冷却系统的工作原理，并说明其优越性？
我国高炉炉体支柱的结构形式有哪几种，他们的重力荷载传递方式是怎样的？
高炉炉壳有何作用，炉壳形状设计应当着重注意考虑哪些问题？
2）高炉炉顶装料系统
空转布料器与马基式布料器比较有哪些优点？
双钟高炉炉顶的主要有点是什么，并罐式和串罐式无料钟炉顶在结构和炉料分布方面有何不同？
无料钟炉顶的流槽传动齿轮室如何进行密封和冷却的？
无料钟炉顶旋转流槽布料有哪几种基本布料方式，这几种基本布料方式各有何特点？
什么是均压的基本工作制和辅助工作制？
目前国内有哪些常用的探料方式？简述这些探料方式的工作原理？
3）高炉炉后供料系统
炉后供料系统的工作条件如何，炉后供料系统应满足的要求是什么？
炉后贮矿槽有哪几种布置形式，各有何特点？
在贮矿槽和贮焦槽的设计中，通常需要考虑哪些因素？
高炉采取料车上料机上料和胶带运输机上料各有哪些优点和缺点？
槽下筛分和槽下称量对高炉冶炼有何意义？比较电子式称量漏斗和杠杆式称量漏斗的优缺点？
比较胶带式上料机和料车式上料机的工作特点？
胶带上料机为了配合高炉的上料操作，分别在胶带机的头部和尾部设置了检测装置，说明这些监测点的作用。
4）高炉送风系统
高炉冶炼对高炉鼓风机的性能有哪些主要要求？
常用的高炉鼓风机类型有哪几种？举例说明离心式和轴流式高炉鼓风机特性曲线所具有的特点？
距离说明高炉鼓风机出口风量及出口风压的计算方法？
说明脱湿鼓风的冷却脱湿法工作原理及优点？
分析比较内燃式、外然式及顶燃式热风炉的工作特点？
内燃式热风炉的拱顶形状有哪几种？比较其性能特征？
内燃式热风炉主体由哪几部分构成，其热交换流程及热交换原理是什么？
为什么霍戈文热风炉比一般内燃式热风炉更有利于使用高风温？
蓄热室格子砖常用热工参数有哪些，如何计算？
根据热风炉工作原理分析格子砖热工参数之间的关系？
陶瓷燃烧器为何取代了金属套筒式燃烧器？
热风炉煤气预热有哪些方式？说明各种方式的技术特点？
球式热风炉的应用越来越广泛，说明使用球式热风炉需要注意哪些问题。
5）高炉喷吹燃料系统
高炉冶炼对喷吹设备有哪些要求？
高炉煤粉制备及喷吹有哪几种工艺流程，各适应于何种条件？
磨煤机有哪些主要的结构形式，各自的技术特点如何？
什么是浓相输送，什么是稀相输送，比较两种方式的优缺点？
混合器有何作用，涉及混合气主要应考虑哪些参数对喷煤效果的影响？
喷吹煤粉应注意采取哪些安全措施？
6）高炉煤气除尘系统
高炉煤气的基本理化性质如何？
目前高炉煤气除尘有哪几种工艺流程，各种除尘工艺流程的特点是什么？
什么是除尘设备的除尘效率，影响文氏管除尘效率的因素有哪些？
布袋式除尘器除尘原理是什么，怎样才能延长布袋使用的寿命？
高压煤气调节阀组一般由哪几个蝶阀组成，如何操作？
净煤气脱水的意义何在？
高炉煤气湿法除尘的污水怎么处理？
7）渣、铁处理系统
高炉出铁厂有哪几种布置形式，在考虑出铁厂的布置时应当注意考虑哪些因素？
冲钻式开铁口机和液压泥炮各具有哪些优点？
常用铁水罐车有哪几种类型，各有何特点？
确定铁水罐差的需要量应考虑哪些因素的影响？
高炉水冲渣方式主要有底滤法、拉萨法和转鼓法，它们各有何优缺点？
对高炉铁口泥和沟料性能有哪些主要要求？
高炉炼铁车间设计
钢铁厂选址有哪些主要要求？
高炉车间炉座规划应当考虑哪些因素影响？
对高炉车间的平面布置应该满足哪些主要要求？
试比较通常采取的集中高炉平面布置形式的优缺点？
1.炼钢的基本任务是什么？通过哪些手段完成？
2.在炼钢过程中，造渣的目的是什么？造渣材料都有哪些？
3.解释熔渣的粘度，并回答粘度的单位以及影响的因素。
4.解释什么是马赫数，什么是超音速？确定马赫数的原则？
5.什么是软吹，什么是硬吹？
6.转炉吹炼过程中，请说明钢液中元素的氧化顺序。
7.吹炼过程中，熔池中碳氧反应的速度如何变化，相关的影响因素有哪些？
8.简述脱磷反应过程以及影响因素。
9.解释回磷现象，并说明回磷的原因。
10.转炉常用的脱氧剂都有哪些？
11.简述复合脱氧的特点。
12.转炉炼钢用原料都有哪些？有什么要求？
13.解释活性石灰，对冶炼过程有什么好处？
14.转炉炼钢常用的冷却剂有哪些？
15.转炉的装入制度包括哪些内容？
16.解释转炉的炉容比，说明影响的因素。
17.什么是拉乌尔喷头，有何特点。
18.解释供氧强度，确定供氧强度的依据是什么？
19.解释单渣、双渣操作，并说明各自的特点。
20.解释终点控制的“双命中”，后吹有什么危害。
21.简述溅渣护炉，并说明对炉龄的好处。
22.说明转炉的强化冶炼措施都有哪些？
电弧炉炼钢
1.简述电弧炉炼钢的传统工艺，并说明各期的任务。
2.什么是黑渣，什么是白渣？并简要说明各自的特点。
3.什么是炉渣的碱度？电弧炉氧化期和还原期对炉渣碱度的要求。
4.电弧炉炼钢用废钢的要求是什么？
5.电弧炉炼钢工艺中，配料环节的注意事项有哪些？
6.如何计算废钢炉料的配碳量？
7.简要说明补炉的方法和补炉的原则。
8.氧化期脱碳的方法有哪些？对脱碳量和脱碳速度有什么要求？
9.简述电炉炼钢过程的流渣操作，为什么要进行该操作？
10.什么是电弧炉的功率水平？功率级别划分的标准是什么？
11.可替代废钢作为电弧炉原料的代用品有哪些？
12.电弧炉冶炼过程中的大喷溅是由什么原因引起的？会造成什么事故？
13.简述偏心底出钢电弧炉的结构特点？偏心底出钢的好处有哪些？
14.什么是导电横臂？使用导电横臂的优点有哪些？
15.什么是泡沫渣埋弧操作？该操作的优点是什么？
17.简要说明强化电弧炉冶炼的措施。
18.简述Consteel电弧炉设备和冶炼的特点。
19.说明炉用变压器的特点和要求。
20.电弧炉所用的耐火材料有什么要求？有哪几类？
21.什么是氧燃助熔技术？
22.简述二次燃烧的冶金原理？
23.盛钢桶有哪些作用？
24.滑动水口穿钢发生的位置以及原因？
25.影响钢包寿命的原因有哪些？
26.钢包底吹氩的作用是什么？
1.与模铸相比连铸工艺有哪些优点？
2.连铸机包括哪些设备，有哪几种机型？
3.什么是超低头连铸机？
4.解释连铸半径、冶金长度？
5.什么是连铸机的台数、机组数和流数？
6.结晶器的结构有哪些？结晶器的作用是什么？
7.分类解释连铸机的结构特点。
8.什么是结晶器的倒锥度？
9.中间包的作用有哪些？中间包的容量和尺寸有何要求？
10.简要说明回转台的用途及结构类型？
11.说明事故包的作用。
12.什么是全程保护浇注？原因是什么？
13.引锭杆有几种形式？引锭杆的装入形式有几种？
14.什么是电磁搅拌？其作用有哪些？
15.什么是中间包冶金学？
16.什么是板坯在线调宽结晶器？为什么要在线调宽？
17.连铸保护渣的基本物理、化学特性是什么？
18.二冷区的比水量是如何确定的？
19.连铸的矫直方式有几类？请分别说明。
20.请说明铸坯的低倍结构特征。
21.与二次冷却有关的铸坯缺陷有哪些？
22.连铸的新技术有哪些？试举例简要说明。
23.结晶器有几种振动方式？
24.对于出结晶器的坯壳厚度有什么要求？
25.小方坯连铸机二冷装置有什么特点？
26.板坯连铸机二冷装置有什么特点？
27.什么是浸入式水口，有什么优点？
28.中间包大型化有什么优点？
29.水口堵塞的原因是什么？
30.连铸漏钢有哪几种类型？
31.连铸车间内的环境保护应当注意哪些问题？烧结固体燃料燃烧动力学特征及包钢降耗途径--《包钢科技》2000年04期
烧结固体燃料燃烧动力学特征及包钢降耗途径
【摘要】：本文分析了固体燃料在烧结料层燃烧的动力学特征 ,着重讨论了降低包钢烧结矿固体燃耗的技术措施
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TF046.4【正文快照】：
1　前言铁矿石烧结是在高温条件下进行的 ,其主要热量来源于分散在混合料中的碳粒 (焦粉或煤粉 )。目前 ,包钢烧结生产的工序能耗中 ,固体燃料的消耗约占 70 %～ 80 % ,见表 1。表 1包钢烧结矿能耗指标项　　目单 位年　份 1997年 1998年 1999年一烧二烧平均值一烧二烧平均值
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京公网安备75号利用定容燃烧弹和CHEMKIN软件研究了甲烷-空气混合气在不同掺氢比,不同初始温度和压力下的层流燃烧速度.研究结果表明:层流燃烧速度随掺氢比的增加呈指数增长,随温度增大而升高,随压力增大而降低.马克斯坦长度随当量比的增加而增大,在大当量比时尤为明显,随掺氢比的增加而降低.随着氢气的加入,火焰中H,O和OH自由基浓度增加,导致化学反应增强和层流燃烧速度的升高.研究发现,高的层流燃烧速度对应着高的自由基浓度.在不同的掺氢比,不同初始温度和压力下,层流燃烧速度与火焰中OH自由基浓度之间存在非常密切的相关关系,呈指数变化关系,并给出了拟合公式.
工业革命以来，由化石燃料的大量使用，人类向大气中排入的二氧化碳等温室气体剧增，产生
的温室效应已引起全球气候变暖、海平面上升等一系列严重环境问题，直接威胁到人类生存空间。
因此，减排CO2已经成为可持续发展的研究热点。传统燃烧方式产生的烟气中CO2浓度只占
10％-14％，目前主流的CO2减排技术，如燃后捕获和富氧燃烧，在CO2分离过程需要消耗大量的能
源，导致减排成本太高。化学链燃烧是一种基于零排放理念的新犁燃烧方式，它能在基本没有能量
损失的前提下，在燃烧过程中将CO2分离。载氧体一直是化学链燃烧中的研究重点，当前普遍使用
的金属载氧体如NIO等虽然反应活性高、机械强度好，但价格昂贵，使用中存在重金属等二次污染。
在化学链燃烧走向使用固体燃料如煤这样的大背景下，具有廉价和高载氧能力的CASO4载氧体是较
论文主要针对CASO4载氧体化学链燃烧还原反应机理进行研究，重点研究了钙基载氧体与多种
煤气化产物的还原反应特性，采用缩核模型描述并获得了反应动力学。基于双欧拉气固流体动力学
模型，导入化学反应模块，构建了化学链燃烧燃料反应器的整体模型。具体研究过程如下：
采用GIBBS自由能最小原理对煤气成分还原CASO4进行了热力学计算和分析，获得还原温度、
载氧体/燃料比等操作参数对气体平衡组成和产物分布的影响。同时，建立了以CASO4为载氧体，基
于质量平衡、化学平衡和能量平衡的煤化学链燃烧反应系统模型，研究了燃料反应器温度、空气反
应器温度、水煤比对平衡产物组份、载氧体循环倍率的影响。计算结果初步表明CASO4载氧体应用
于化学链燃烧是可行的，并确定了基于CASO4载氧体的化学链燃烧合适试验区间和操作参数。
在自行设计的固定床试验台上进行了基于钙基载氧体甲烷化学链燃烧试验研究。重点考察了温
度，载氧体质量，反应气体进气流量和载氧体粒径对化学链燃烧的影响。研究表明反应温度对CH4
还原CASO4载氧体特别明显，高温下CH4基本上全部与载氧体反应，但高温下竞争反应也得到加强，
会释放大量的SO2。气体流量、载氧体的质量和载氧体颗粒粒径等对于还原反应的影响也比较明显。
证实了CASO4作为载氧体的可行性。同时也进行了CASO4载氧体与模拟煤气的还原反应特性试验研
究，研究发现：在还原反应初期获得高浓度的CO2，提高温度可显著增加气体的转化率和CO2的收
率，温度还显著影响CASO4载氧体的反应速率和转化速率，随着温度的升高，载氧体的转化速率显
著增加。试验还对硫的迁移和释放规律进行了研究，结果显示SO2主要是在反应的前期释放，H2S
主要是在后期释放。XRD分析直接证明了CASO4载氧体在模拟煤气还原条件下直接产物是CAS，高
温下有少量的CAO生成。ESEM表明还原后CASO4载氧体变得疏松多孔。EDS分析验证了载氧体表
面元素的迁移和变化规律。
在对载氧体所进行表征分析所得到的有益结论基础上，运用未反应收缩核模型研究了CH4、H2、
CO与CASO4载氧体的表观反应动力学，并获得了相关的表观动力学参数，拟合得到的数据和试验
比较吻合。
针对钙基载氧体化学链燃烧燃料反应器内气固流动和化学反应特性，采用欧拉双流体模型描述
反应器的稠密气固流动，结合缩核反应动力学模型，构建了包含流动、传热传质、化学反应在内的
燃料反应器三维数学模型。利用该模型对Ф25MM实验室反应器进行了三维数值模拟，对温度、流
量、载氧体质量和粒径等因素对甲烷化学链燃烧的影响进行了模拟研究，同时还模拟了CASO4载氧
体与模拟煤气的还原反应，分析了温度的影响，并将数值模拟结果与试验结果进行了对比。利用该
模型，结合煤气化反应动力学模型，建立了基于钙基载氧体固体燃料(煤)化学链燃烧燃料反应器
数学模型，模拟计算了温度和压力对钙基载氧体煤化学链燃烧反应的影响。
关键词：化学链燃烧；硫酸钙载氧体；试验研究；反应动力学；数学模型；CO2减排
该项目开展燃料化学特性与燃烧边界条件协同控制理论研究，系统研究了燃料化学特性对均质压燃（HCCI）燃烧过程的影响，研究了基础燃料和常规汽油燃料辛烷值（RON，MON）对HCCI的影响，研究了EGR对HCCI燃烧过程控制的影响。提出了燃料燃烧模式设计理论，开展柴油机低温燃烧（LTC）、替代燃料燃烧模式设计、双燃料HCCI燃烧机理及控制研究。研究了HCCI燃烧反应动力学机理，发展了内燃机边界条件下HCCI简化动力学模型，应用三维CFD模型研究了HCCI燃烧反应机理，HC和CO排放生成机理。
本文提出了一种燃烧模型，此模型认为活化能和指前因子都是燃烬度的函数，其含义有两方面：不同燃烬度下煤的燃烧特性不同；相同燃烬度下燃烧反应的化学动力学常数相同。并采用热天平对此进行了研究，具体研究过程大致是这样的：采用热天平获得同一种煤不同升温速率下的TG、DTG曲线，可求出燃烧速率、燃烧温度随燃烬度的变化曲线，根据两个不同升温速率下的数据，可计算出化学动力学参数活化能 和指前因子 随燃烬度的变化曲线。根据实验数据计算得到四个煤种的反应动力学参数随燃烬度变化的曲线，并预测其中一种煤在第三个升温速率下的燃烧速率随燃烬度的变化曲线，计算结果与实验结果符合较好。
本文还对混煤进行热天平燃烧特性的研究，并利用本文提出的燃烧模型预测了几种混煤在不同恒定温度下的燃烧速率随燃烬度的变化趋势，进一步获得与炉内温度相近似条件下的分析结果，这对模拟锅炉内的燃烧过程有一定的借鉴作用。
本文应用三维激光粒子动态分析仪(PDA),对分级进风燃烧室内含颗粒湍流反应流的气固两相瞬时速度场进行了实验测量.获得了各测点处颗粒相轴向与切向瞬时速度的时间序列,并得到了各测点上颗粒相轴向与切向瞬时速度的概率密度函数(PDF).
采用溶胶—凝胶法制备的纳米tio2作为添加剂，实验研究了纳米tio2添加量、ca/s摩尔比、燃烧温度对煤燃烧和脱硫脱硝效果的影响。对反应产物进行了x射线衍射、红外光谱、扫描电镜和离子色谱分析，探讨了纳米材料催化燃烧、同时催化脱硫脱硝的机理。全面系统地研究了添加剂的添加所涉及到脱硫、脱硝、结渣、燃烧效率等各个方面的问题。研究成果为提高循环流化床锅炉燃烧效率及实现炉内同时脱硫脱硝提供了借鉴和参考，为揭示纳米材料的尺度效应和边界效应提供了科学依据，对实现节能减排具有理论及现实的意义。
实验结果表明，纳米tio2与cao共同作用时，纳米tio2最佳的添加量为8％：在ca/s摩尔比为2、燃烧温度为850℃时纳米tio2催化脱硫脱硝效率达87.8％和36.0％，比不添加纳米tio2时分别增加13.4％和36.0％；纳米tio2对煤燃烧有明显的促进作用，降低煤的着火温度，增加发热量强化燃烧，提高煤灰的熔融温度，降低煤的结渣程度。
纳米tio2导致碳晶格的扭曲，增加表面活性部位，加快氧气的吸附速度，使添加剂周围燃烧速度加快，煤灰孔隙增大从而促进燃烧完全，促进二氧化硫向氧化钙内部的扩散从而提高脱硫效果，由强化燃烧产生的多孔煤焦有利于煤燃烧生成的nox渗透扩散到焦炭内表面反应，提高煤焦对nox的异相还原作用，另外tio2作为催化剂强化了co同相还原nox的作用，从而提高了氮氧化物的脱除效率。
脱硫脱硝反应动力学的研究表明，cao的脱硫反应对so2浓度是准一级反应，对氧气浓度属于零级反应；煤焦还原no反应对no浓度是准一级反应；脱硫脱硝反应过程分为两个阶段，反应初期为表面化学反应控制阶段，反应后期为产物层扩散控制阶段；脱硫过程中产物层扩散阶段是慢反应因而是速控步骤，脱硝过程中表面化学反应阶段是速控步骤；纳米tio2的催化作用主要体现在加快了脱硫脱硝过程中慢反应阶段的反应速率，降低了反应过程的活化能，促进了脱硫脱硝反应的进行，提高了氧化钙硫酸盐化和煤焦还原的转化率；利用未反应收缩核模型对氧化钙脱硫反应和煤焦还原no反应的过程进行了模拟计算，该模型能较好地模拟脱硫脱硝反应过程；计算结果与实验结果非常吻合。
采用化学回热循环的燃气轮机，具有排热损失小、燃机低工况下的燃烧效率高、对火焰筒的热辐射低以及排气中污染物含量少等诸多优点。但若想让原本燃烧燃油的燃烧室能高效稳定地改烧化学回热产生的燃料裂解气，就必须对原来的燃烧室进行改进。本文开展的燃气轮机燃烧室燃料裂解气燃烧流场数值模拟研究工作对改善燃烧流场品质、指导燃油燃烧室改造设计具有重要参考价值。
本文用fluent软件对某型燃气轮机燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟。在数值模拟过程中，采用标准κ-ε湍流模型、“简单化学反应系统”模型和“快速化学反应”假设，对控制方程的离散采用上风差分格式，用simple算法进行压力—速度耦合求解。主要工作及结论如下：
1．对于无气膜孔的燃烧室：1)首先进行了燃油燃烧场的数值模拟，然后对喷嘴进行了改造，并对裂解气燃烧场进行了数值模拟。由模拟结果可知：随负荷的降低，燃烧效率下降，过量空气系数变大，火焰长度变短；改烧裂解气后，燃烧室出口的总焓值增加、燃烧效率提高、火焰筒壁面温度降低。2)改变了主燃孔和掺混孔的直径，对相应燃烧场进行了数值模拟，结果表明：随孔径的减小，燃烧室头部的过量空气系数变大、火焰变短、燃烧室出口温度场的均匀性变好。
2．对于有气膜孔的燃烧室，进行了裂解气燃烧场的变工况数值模拟，并与无气膜孔时的相应情况进行了对比分析，可知：有气膜孔时，火焰筒壁面温度大幅下降，但火焰长度也变长了很多，致使燃烧室出口温度场的均匀性变差。
3．针对原燃烧室燃烧流场中存在的一些问题，本文尝试了两种火焰筒改进方案，并进行了相应的数值模拟。根据模拟结果可知：1)将气膜孔下方的小壁面去掉后火焰筒壁面温度的均匀性变好，但平均温度升高。2)将气膜孔数目减少一半后，出口温度场的均匀性有了很大提升，同时对火焰筒壁面平均温度的影响不大。通过本文系列的数值模拟研究，较为全面地反应了燃料裂解气燃烧场的性质，从而可以对该燃烧室的结构改进和优化起到重要的指导作用。
分解炉是预分解系统中的核心设备，是一个集燃料燃烧、气固换热与传质、碳酸盐分解等功能于一体的多相反应器，分解炉功能的发挥情况直接影响着整个系统的性能指标和运行稳定性。虽然目前人们运用多种现代科学理论对其进行研究，但对分解炉内燃烧机理仍然不是十分清楚；同时由于煤种不同、燃烧时反应条件的不同均会对燃烧状况产生显著的影响，而这些将直接影响设计的合理性，从而影响分解炉功能的正常发挥。
本文在分解炉气固运动特点的基础上，对文山水泥厂cdc分解炉进行了改造，并通过冷态模型试验对其各项性能进行了测试和计算，试验结果表明，改造后分解炉的气体三维流场更为合理，克服了原有分解炉存在的旋流强度过大，特别是涡壳旋流强度过大的缺陷，大大降低了阻力损失，三次风入口至分解炉出口处的阻力系数为原来的1/5，窑气入口至分解炉出口的阻力系数为原来的40％；物料在分解炉内的运动更加合理，气固混合更加充分，延长了物料在分解炉内的有效停留时间，由原来的14.74s（熟料产量1200t/d）延长至16.4s（熟料产量1450t/d），从而使得煤粉能够更加充分的燃烧，提高了煤粉的燃烬度和对煤种的适应性。
在 “三传一反”理论的基础上，引入煤粉燃烧宏观通用规律，根据相关理论和经验公式，建立了一个相对完善的分解炉燃烧数学模型。并根据该数学模型，编制出简单的计算界面，形成一套比较系统的计算软件，在调整相关环境条件和工业参数时，能很快捷的计算出与之对应的煤粉燃烬率、燃烧速率、碳酸钙的分解率等参数。
研究表明，分解炉中煤的燃烧可能有两种状态：一是由动力反应控制的燃烧状态；二是由扩散、动力共同控制的燃烧状态。对于大多数分解炉来说，其煤粉的燃烧状态指数fb 均小于-2.3，属于动力控制区，即分解炉中煤粉燃烧的状态主要取决于煤的反应活性。同样的温度下，反应活性高的褐煤就要比反应活性低的烟煤、无烟煤的燃烧速率要高出许多，且能更快的进入扩散－动力控制区。无论是何种煤种，其燃烧速率均随着温度的升高而不断增加。在动力反应控制区，温度每增加80oc左右，其燃烧速率均会增长近一倍，增长趋势显著；在扩散－动力控制区，燃烧速率依然随温度的增加而增大，但增长幅度有所下降。
运用所建立的燃烧数学模型对文山水泥厂1000t/d预分解窑系统中的分解炉系统进行了分析研究，表明在熟料产量提高15％的情况下，出分解炉的煤粉燃烬度仍然可以从原来的82.8％增长至84.2％，为系统长期稳定运行、改善系统能耗指标奠定了良好基础，证明分解炉改造可以取得理想效果。
均质充量压燃(HCCI)燃烧概念给出了实现内燃机高效、低污染燃烧的新途径，也是目前国际内燃机界的研究热点。着火时刻和燃烧反应速率的控制以及运行工况范围的拓宽是实际工作中应用HCCI的关键和难点。
本文提出了一种甲醇燃料高效清洁燃烧新技术，应用甲醇催化合成二甲基醚实现发动机燃用二甲基醚/甲醇两种燃料，通过控制两种燃料的比例来控制着火时刻和燃烧反应速度，使发动机在较大的工况范围内实现HCCI燃烧。甲醇催化合成二甲基醚的反应是放热反应，这些热量可以从发动机排气中得到。
作者主要负责利用CHEMKIN软件从理论上研究HCCI燃烧反应的动力学机理，研究边界条件变化对燃烧过程的影响，探讨控制着火时刻和燃烧反应速率以及拓宽HCCI工况范围的技术途径，为实际中控制双燃料的均质压燃燃烧提供理论指导。对二甲基醚/甲醇双燃料的均质压燃燃烧工况范围进行了理论计算，计算的工况范围与实测的工况范围相当一致。应用零维详细化学反应动力学模型，研究了二甲基醚/甲醇双燃料均质压燃氧化反应机理，研究分析了初始温度、甲醇浓度和二甲醚浓度对氧化反应的影响。结果表明，甲醇改变了二甲基醚低温反应途径，二甲基醚的低温和二次加氧过程反应受到抑制，CH3OCH2直接裂解(β-SCISSION)起主导作用，二甲基醚与甲醇高温反应几乎同时进行。在详细反应动力学研究基础上，通过对二甲基醚/甲醇均质压燃燃烧反应途径和敏感性分析，构建了双燃料简化动力学模型。此模型包括27种产物和35个基元反应。结果表明，所提出的双燃料简化动力学模型与详细动力学模型计算结果相当吻合，简化模型在对着火时刻、缸内温度和压力计算结果与详细模型基本一致，简化机理对变初始温度和混合气浓度也有较好的预测能力，对着火时刻和温度峰值以及压力峰值的预测与实验结果相当一致。可应用于模拟双燃料HCCI燃烧过程。
湿空气燃烧是湿空气透平(hat)循环和注蒸汽燃气轮机(stig)循环的一个主要特征。湿空气动力循环涉及的工质含湿量比自然界常规湿空气大得多，高湿度燃烧可能会发生燃烧不稳定，同时燃烧火焰的流场以及结构会发生改变，因此为使hat循环、igcc能够得以推广应用，湿空气燃烧是必须攻克的关键技术之一。
本文通过实验和数值模拟方法对湿空气扩散燃烧火焰结构与稳定性进行了研究。通过建立湿空气燃烧机理性实验台，采用粒子图像测速仪(particleimagevelocimetry，piv)非接触式激光测试手段对两种结构(90度和60度的)钝体后甲烷/空气以及湿空气的回流扩散燃烧的热态速度场分别进行了实验研究。在国内首先尝试了基于激光诊断技术的火焰湍流状态的定量研究，实现了钝体火焰内部的瞬时速度场，统计平均速度场，均方根速度场和雷诺切应力的定量分析。详细研究了湿度对钝体扩散燃烧火焰稳定性的影响，揭示了湿空气燃烧下的稳定机理，建立了具有普遍应用价值的火焰稳定性分析方法。同时本文进行了钝体扩散燃烧进行数值模拟，通过与实验结果对比，改进了适用于钝体扩散燃烧的湍流模型表达。在此基础上采用三种扩散燃烧模型对火焰的组分、速度和温度场进行数值模拟，研究了不同湿度情况下火焰的温度和浓度分布特性。
为研究湿空气对燃烧火焰的影响，首先考察了钝体后不加湿甲烷/空气扩散燃烧回流速度场特征。
实验研究表明：
(1)燃空速度比(vf/va)是影响火焰燃烧状态的一个重要参数，随燃空速度比的改变，将依次出现回流燃烧火焰、过渡火焰、中心射流主导火焰和局部熄火火焰等四种不同的火焰结构；
(2)回流燃烧火焰的中心轴线上存在两个滞止点，滞止点之间呈反向逆流，一旦滞止点消失火焰的中心射流穿透了回流区，表明火焰转变为中心射流主导火焰；
(3)回流燃烧瞬时速度场统计分析表明，回流前滞止点、最小速度点以及最小速度值基本遵循正态分布规律。随着燃料注入速度增大，前滞止点和最小速度点均向下游移动，最小速度值减小；
(4)钝体结构也是影响火焰燃烧状态和流场的重要参数。90度和60度钝体流场特性的对比表明，60度钝体的回流涡较窄，中心燃料更容易穿透回流区。
本文在加湿燃烧激光可视化流场测量中，获得了湿空气燃烧的流场特性和湿空气燃烧的稳定性区域分布图。实验表明，
(1)湿空气燃烧与不加湿燃烧一样也存在着三种稳定的火焰结构(回流燃烧火焰、过渡燃烧火焰和中心射流主导火焰)和一种不稳定的火焰结构(局部熄火火焰)。但在相同的燃空速度比情况下，湿空气燃烧的中心轴线的轴向速度比不加湿燃烧的大，回流区缩短，回流强度减弱。
(2)湿空气燃烧的稳定性变差，不同稳定性分布区域转变的临界燃空速度比小于同样情况下不加湿燃烧的燃空速度比。火焰更容易由回流燃烧状态过渡到中心射流主导火焰的燃烧状态，也更容易产生局部熄火。
(3)湿空气火焰的环流空气速度及其速度梯度比不加湿燃烧的偏小，由此导致钝体后回流区长度缩短是湿空气的穿透极限降低的一个原因。
(4)湿空气的摩尔质量较小使得湿空气的动量减小也促使回流减弱的原因之一。此外，水蒸气的稀释作用和化学反应均使湿空气中氧原子减少，从而中心燃料需要更多的氧化剂参与反应，对应的湿空气的临界速度要提高并更容易产生熄火。
本文对钝体扩散燃烧进行数值模拟中，通过计算数据与实验结果对比将标准k-ε模型cε2由标准值1.92调整到1.83使之更加符合钝体燃烧流场的描述。湍流模型改进后中心轴线速度衰减有所缓解，同时回流区长度仍然与测量结果相吻合。鉴于flamelet化学反应模型能够预测中间基组分的浓度，也被作者所采用。本文使用的k-ε湍流模型cε2=1.83和flamelet化学反应模型对含湿量为0％、10％和20％的火焰结构进行模拟。结果表明，水蒸气的加入严重影响燃烧火焰的温度场和浓度场。在湿空气燃烧情况下火焰的温度峰值较低，同时主要组分ch4、o2、h2o、co2和co的分布受到很大的影响，次要组分oh和o均随含湿量的增大而降低。
湿空气燃烧的火焰结构以及影响火焰结构的参数与常规燃烧规律相似。但火焰燃烧稳定性下降趋势很明显，这是湿空气燃烧的火焰内部流动、化学反应和传热传质都发生了复杂变化的结果。因此在设计中，不能简单沿用常规燃烧器的设计标准，而需要根据湿空气燃烧火焰特征进行有针对性的设计才能满足实际的工程要求。这一点对于hat循环或igcc的燃烧室的设计而言是十分重要的。
分层充量压燃是扩展均质燃烧运行工况范围，使发动机可以在更宽广的负荷范围内实现高效清洁燃烧的有效技术途径，正受到国内外的广泛关注。
本文应用多维流体力学模型与简化动力学模型耦合计算，以正庚烷为研究对象，研究了不同浓度分层条件下，分层压燃燃烧反应过程及有害排放物生成机理。本文首先在本课题组所发展的正庚烷均质压燃简化机理基础上，通过敏感性分析，发展了浓度分层条件下的简化动力学机理，与均质压燃简化机理相比，该机理能够适应更大的浓度分布范围，大大提高了简化机理的计算精度。在此基础上，建立了简化机理与cfd机理的耦合模型，对分层压燃燃烧过程进行了计算分析。计算结果表明，分层充量使得燃烧反应高温反应提前，燃烧从燃烧室内的浓混合气区开始，co氧化反应速率降低，燃烧趋于平缓，浓度分层使燃烧持续期延长，有利于将高效清洁燃烧向高负荷工况方向拓展，但燃烧室内出现局部高温区，使得nox排放量升高。
作者通过采用气道喷射与缸内直喷实现不同的浓度分层方式，对不同浓度分层对燃烧和排放影响进行了计算分析。结果表明：缸内喷油量不变，缸内喷油时刻对燃烧与排放有较大的影响，发现喷油时刻为40°btdc时为分界点，当喷油时刻早于40°btdc，燃烧过程更接近于hcci燃烧，高温燃烧速率加快，缸内压力和温度升高率增加，但燃烧室内的局部高温区不明显，nox排放随喷油时刻的提前而降低；当喷油时刻晚于40°btdc时，高温反应速率加快，燃烧室内局部相对高温区温度升高，nox排放量增加，特别是当喷油时刻为13°btdc时，预混燃烧的高温反应阶段和直喷燃料的扩散燃烧重合，缸内压力和温度升高率升高，nox排放量明显增大。缸内喷油时刻不变，随着缸内喷油量增加，高温反应开始时刻提前，co反应速率降低，燃烧室内局部温度升高，nox排放量增加。
本文研究结果对揭示分层燃烧机理，混合气浓度分布特性控制有重要的理论意义。
煤粉的燃尽度是衡量煤粉利用程度的一个重要指标，这就要求在实际燃烧过程中煤粉在较短的时间内尽可能完全燃烧。完全从理论上对煤粉燃烧全过程的规律进行预测国内外研究得还比较少。本文在缩核模型的基础上，综合其它模型的一些优点，推导出反应过程中到达煤焦颗粒反应表面的氧浓度；给出频率因子及活化能的数值；在无孔纯碳颗粒的表面速率计算方法的基础上，计算出煤焦燃烧过程中的反应速率；并对六种不同的煤粉颗粒燃烧全过程进行计算，得出了在不同时刻的煤焦颗粒表面氧浓度以及燃烧速率和煤焦颗粒内碳的质量分数。
循环流化床锅炉(CFB)具有对燃料适应性好、燃烧效率高、气体污染低等特点，近年来，循环流化床锅炉在我国得到了迅速发展，我国已经成为世界上CFB锅炉数量和总容量最大、发展速度最快的国家。然而我国绝大多数CFB锅炉燃用的是低反应活性的贫煤、无烟煤以及矸石等劣质燃料，锅炉的飞灰含碳量较高，使得燃烧效率降低。因此，发展创新技术降低飞灰含碳量，提高锅炉热效率，减少污染物排放，将对我国环境友好、高效能源产业的发展有着重要的现实意义。　　
本文首先系统的阐述了国内外循环流化床锅炉发展状况，指出了当前我国循环流化床锅炉存在着飞灰含碳量高的问题，分析了问题产生的主要原因并归纳了当前采取的措施。探讨了当前采用措施的局限性，及研究降低循环流化床锅炉飞灰含碳量的新方法的必要性。采用浮选法从开封（440T/H）、巩义（440T/H）和分宜（410T/H）CFB锅炉飞灰中提碳，减少了测试中灰和矿物质对残碳燃烧反应性的影响和燃烧扩散阻力，通过浮选实验得到了高含碳量的飞灰残碳样品。采用STA409C型热重分析仪对所选用的三种飞灰残碳和其入炉煤进行燃烧特性研究，并分析了不同氧浓度、加热速率等运行条件对飞灰残碳燃烧特性的影响。实验发现飞灰残碳的着火温度比对应的入炉煤高，飞灰残碳的反应性不仅与入炉煤有关还与燃烧工况有关。富氧燃烧有利于降低残碳的着火温度，加快燃烧反应速度，得出了对残碳燃烧特性改善最佳的氧浓度为40％左右。提高加热速率，有利于残碳着火稳燃，改善残碳的燃烧特性，强化残碳的燃烧。引入COATS-REDFERN法对飞灰残碳的燃烧机理进行分析，并求取了不同实验条件下的燃烧动力学参数(反应活化能和频率因子)，发现氧浓度和加热速率提高，活化能降低。本研究首次对CFB锅炉的高含碳飞灰的残碳燃烧特性进行了深入的研究，为开发新的飞灰处理技术并应用于工业实践奠定了理论基础和科学依据，对循环流化床锅炉的应用和发展有着积极的意义。
催化燃烧作为一种高效清洁的燃烧技术，越来越引起各界的关注，世界各国对催化燃烧进行了大量的研究工作。本文就甲烷在低浓度条件下的催化燃烧进行了实验研究。
分析了气体燃料多孔介质中的催化燃烧的机理，多孔介质中燃烧反应分为催化剂表面反应和空隙中的均相反应，表面反应由于催化剂的参与，其反应速度大约是均相反应速度的26万倍。催化反应通过改变反应的路径，降低反应的活化能，加快了反应速度。多孔介质具有良好的热稳定性，比较高的机械强度和化学稳定性，在催化燃烧过程中既作为催化剂载体，又起到了预热进气和稳定燃烧温度作用。
设计了多孔介质催化燃烧实验装置。采用浸渍法制备了碳化硅蜂窝陶瓷载体稀土催化剂。
对多孔介质阻力进行了冷态实验研究。测量了不同风速和孔径条件下阻力的大小。结果表明：在多孔介质内气流速度较低时，流动阻力成线性增加；在气流速度较高的时，阻力迅速增加。
对低浓度甲烷进行了催化燃烧实验研究。实验测量了催化燃烧温度，催化燃烧尾气排放，并根据进气甲烷浓度和尾气排放浓度，计算了甲烷的催化燃烧的转化率。结果表明：从200℃到400℃催化活性明显上升，甲烷的燃烧转化率从92％上升到98％，500℃-800℃催化燃烧活性高且稳定，甲烷转化率达到99％以上。
富氧燃烧是采用比空气中氧含量高的空气来进行助燃的一种新型燃烧方式，
具有明显的节能与环保效益，富氧燃烧技术逐渐应用于工业领域并受到越来越多
的关注。氧浓度对固体燃料的燃烧有显著影响，富氧气氛可以降低燃料着火热，
提高火焰温度，改善温度场分布，促进燃烧完全，这对电厂燃料局部富氧助燃、
富氧点火以及低负荷稳燃有重大意义，有利于电厂节能和效率提高。电厂采用纯
氧代替空气进行助燃的O2/CO2循环燃烧方式，不仅可以获得高浓度CO2，还能实
现污染物的协同排除，具有巨大的发展前景。
本文采用热分析法，针对煤、煤矸石、农林废弃物、污水污泥、生活垃圾等
典型固体燃料，进行富氧燃烧的热重试验，研究了氧浓度对各燃料燃烧特性和动
力学特性的影响，分析了富氧燃烧的影响因素及各类燃料之间的差别。研究结果
有助于进一步认识各类固体燃料在富氧条件下的燃烧规律，为固体燃料富氧燃烧
设备的设计和运行提供指导和必要的理论基础。通过实验研究和理论分析，得出
以下主要结论：
(1)固体燃料的燃烧过程可分为水分析出、挥发分燃烧、固定碳燃烧和燃尽
等四个阶段。在主要燃烧阶段，煤/煤矸石的DTG曲线出现一个峰，生物质燃料出
现两个或多个峰。空气气氛下，煤/煤矸石的着火温度约420°C～600°C，生物质燃
料约230°C～275℃，燃尽温度分别在640°C～710℃和470°C～620°C之间，生物质燃
料较易着火和燃尽。高挥发分的生物质燃料综合燃烧性能优于煤/煤矸石，综合燃
烧特性指数顺序为农林废弃物＞生活垃圾＞污泥＞煤＞煤矸石。
(2)在O2/N2气氛下，随着氧浓度的提高，各种燃料燃烧曲线均向低温区移
动，最大失重温度降低，最大和平均失重率增大，最大放热量增加，燃烧性能得
到改善。富氧气氛会明显降低煤/煤矸石的最大失重温度，增加生物质燃料的失重
峰值。氧浓度对可燃质含量高尤其是固定碳含量大的燃料燃烧改善更为明显。随
着氧浓度的提高，燃料着火和燃尽温度均降低，可燃性和燃尽特性指数增大，燃
料着火和燃尽特性得到改善，尤其对燃尽温度的改善更为明显，但是氧浓度超过
40％后，燃料燃烧特性参数的变化变得缓慢。
(3)O2/CO2气氛、煤粉粒径、升温速率对煤燃烧性能有重要影响。相同氧浓
度下，CO2代替N2后，煤的着火和燃尽温度升高，燃烧时间延长，综合燃烧特性
指数减小，CO2的存在改变了煤焦的燃烧特性，尤其是高的CO2浓度对燃烧的影
响更大，在O2/CO2气氛下，随着氧浓度的增加，煤的燃烧性能得到大大改善，CO2
对燃烧过程的影响可通过提高氧浓度来弥补。粉粒径减小后煤粉着火和燃尽温度
降低，综合燃烧性能得到改善，煤粉在高氧浓度下，细化对着火和燃尽性能改善
的效果更好。随着升温速率增加，煤粉燃烧特性温度均有所增加，燃烧反应向高
温区移动，产生燃烧滞后现象。
(4)固体燃料的反应机理与燃料种类有关，同种燃料在不同氧浓度下可用同
一种反应机理来描述。煤、农林废弃物和污泥的两个燃烧阶段均为一级反应；煤
矸石低温段燃烧为一级反应，而高温段燃烧符合三级反应；生活垃圾的挥发分和
固定碳燃烧阶段符合二级反应机理。气氛、粒径和升温速率均对煤粉动力学特性
有较大影响。CO2替代N2后，煤粉两温度段反应活化能和频率因子均有所降低，
平均表观活化能变小，燃烧稍难进行。粒径减小和升温速率升高均使得煤粉平均
表观活化能降低，粒径细化和升温速率提高可使煤粉燃烧易于进行。提高氧浓度
对固体燃料动力学特性影响表现在平均表观活化能不断增加和反应强度的增强。
不同氧浓度下，各燃料同阶段的表观活化能和频率因子之间存在动力学补偿效应。
关键词：富氧燃烧，热重法，燃烧特性，动力学，补偿效应
本文对乙醇HCCI发动机燃烧过程进行了研究。文章利用美国LAWRENCELIVERNORE国家实验室公布的乙醇燃烧复杂化学动力学机理和热力学数据，建立了乙醇HCCI燃烧模型。在燃烧过程中乙醇是通过分解和脱氢两条途径消耗的，其燃烧是由57种组分参与、383个基元反应组成的复杂反应过程。文章采用能够自动调节步长的GEAR算法求解复杂化学反应动力学问题，在计算速度和计算精度上得到了很好的效果。运用建立的燃烧模型，分析了压缩比、进气温度、进气压力、当量比、转速和EGR对乙醇HCCI燃烧的影响，以及各组分变化的过程，发现压缩比、进气温度、当量比和EGR对HCCI燃烧过程，有非常显著的影响。
引射式无焰燃烧是一种由燃烧器和燃烧室内部结构结合产生的非催化无焰燃烧方式，具有无焰燃烧高效低污染物排放的特点。本文以引射式无焰燃烧为研究对象，结合理论分析、数值模拟和实验研究，研究其热力学、流体力学和化学反应动力学的内在规律，分析引射式无焰燃烧形成、稳定的临界条件和污染物排放的影响因素，为这种燃烧方式的数值模拟和实验研究建立理论依据和数据参考，从而为无焰燃烧技术的发展和应用提供基础。首先搭建了包含了甲烷、氢气、氧气及空气及压缩空气的反应流体公用测试平台，可以对气态燃料和氧化剂的流量进行实时的控制和检测，对co、uhc、nox等污染物排放进行检测。引射式无焰燃烧实验平台由实验供气系统、燃烧器以及测试系统构成。且自行设计的无焰燃烧实验炉和燃烧器可以通过燃料和氧气输送管同供气系统连接。其次，建立了引射式无焰燃烧的热力学分析模型。使用了chemkin程序包的热力学数据，并采用基于显焓分析的方法，对工作在无焰燃烧模式的临界条件和甲烷/空气引射式无焰燃烧过程进行了热力学分析。计算了甲烷/空气引射式无焰燃烧时的混合过程的焓值变化并探讨了混合物温度和再循环率对燃烧模式的影响。分析了燃烧和内部换热过程带来的不同再循环率下的混合物温度变化。评价了甲烷和空气完全燃烧时在不同再循环率条件下工作在无焰燃烧模式的最大外部取热。并计算了火用效率随烟气温度和再循环率的变化曲线。再次，使用丙酮平面激光诱导荧光(plif，planar laser induced fluorescence)研究了用于预热过程的低旋流部分预混燃烧器出口混合特征。对自由射流出口二维瞬时径向和轴向密度场进行了测量，并分析了两种驱动压力下燃烧器出口的丙酮plif图像。结果表明，在弱驱动压力(0.2mpa)下，轴向射流扩张角较小，径向射流拓展到1/3半径处；在强驱动压力(0.4mpa)下轴向射流扩张角增大，下游区域的密度分布不均匀性减小，径向射流可拓展到整个半径处。实验观察到的射流边界的涡破碎结构同其他研究结果接近。同时还搭建了尺度缩小的无焰燃烧预热燃烧器的供气、标定及测试系统实验平台，使用恒温热线风速仪对燃烧器出口冷态流场进行了测量，研究了无焰氧化预热燃烧器出口的流动特性。结果表明，不同空燃比时燃烧器出口中心二维截面轴向速度呈马鞍型分布，改变空气流量时出口轴向速度梯度相近，且冷态时轴向射流速度边界同热态相似，为无焰氧化炉内流场的数值模拟和实验研究提供了数据参考。而后，基于fluent程序包对引射式无焰燃烧反应器进行了数值模拟。讨论了不同湍流燃烧模型对无焰燃烧特性的模拟。并分析了添加反应器、射流工况、反应器中的氧浓度分布等引射式无焰燃烧反应器的热态特性。并对不同模型的温度计算结果进行了比较，探讨了不同模型对轴向中心温度计算结果的模拟。最后，分析了用于抑制热力型nox生成的含氢气体燃料无焰燃烧的化学反应动力学模型。使用psrn模型结合gri对四种h2/ch4混合物及纯氢的无焰燃烧进行模拟。结果显示nox污染物低于30ppmv，而co排放低于50ppmv，同四种燃料的“清洁无焰燃烧”的实验数据相一致。模拟还揭示当氢组分从40％增加到100％时，co从48ppmv降低到接近0排放，但氮氧化合物受氢含量影响不大，而且在高度稀释时nox和co几乎不受再循环率影响。关键词：无焰燃烧
烟气再循环
随着人们对全球变暖认识的深入，减少温室气体二氧化碳（CO2）排放已成为全世界关注的焦点。我国以煤为主要能源，亟需研发燃煤CO2减排的新技术。化学链燃烧技术是一项非常有前途的CO2分离技术，气体燃料化学链燃烧已经得到中试验证，目前研究重点在于固体燃料化学链燃烧。基于钙基载氧体煤化学链燃烧主要是通过CASO4／CAS载氧体在串行流化床内循环实现煤的间接燃烧，得到纯净的CO2。本论文主要针对CASO4载氧体化学链燃烧反应机理进行研究，重点研究了钙基载氧体与多种化学链燃烧煤气化产物的还原反应和持续还原／氧化循环特性，并对反应动力学进行了初步研究。
首先利用热力学数据对化学反应进行分析，采用ASPEN PLUS软件基于GIBBS自由能最小原理对化学反应进行了模拟，获得化学反应达到热力学平衡时，得到还原温度、载氧体／燃料比、氧化温度、氧气／载氧体摩尔比等等操作参数对气体平衡组成和产物分布的影响，模拟结果表明CASO4载氧体应用于化学链燃烧是可行的，需要试验验证。
然后在固定床上进行了基于钙基载氧体甲烷化学链燃烧试验研究。研究表明提高反应温度将促进CH4还原CASO4载氧体的反应速率，但高温下会有大量的SO2释放出来。气体流量、载氧体的质量和载氧体颗粒粒径等对于还原反应的影响也比较明显。长时间的还原和氧化循环试验表明CASO4载氧体具有很高的载氧能力和稳定性，证实了CASO4作为载氧体的可行性。
采用小型流化床试验装置，进一步研究了CASO4载氧体与煤气的还原反应，研究发现长时间的还原反应初期得到了高浓度的CO2。提高温度对显著增加气体的转化率和CO2的收率。试验对于硫的迁移和释放规律进行了研究，结果显示SO2主要是在反应的前期释放，H2S主要是在后期释放。温度显著影响CASO4载氧体的反应速率和转化速率。随着温度的升高，载氧体的转化速率显著增加。XRD分析直接证明了CASO4载氧体在模拟煤气还原条件下直接产物是CAS，高温下有少量的CAO生成。ESEM表明还原后CASO4载氧体变得疏松多孔。EDS分析验证了载氧体表面元素的迁移和变化规律。
在还原试验的基础上，进行钙基载氧体的长时间的多次还原／氧化循环试验研究，还原气体为模拟煤气，氧化气体为5％O2/N2，模拟化学链燃烧。在还原阶段得到了较高纯度的CO2，随着循环的进行，CO2的浓度和CO的转化率先增加后下降，而H2的转化率逐渐下降。CASO4载氧体在循环试验中，还原反应的程度逐渐加深，氧化反应后氧化程度难以恢复到还原以前的水平，因此载氧能力逐渐下降。XRD分析表明还原的产物主要是CAS，但因为副反应的存在，最终生成大量的CAO。ESEM分析表明CASO4在循环反应后的颗粒变得疏松，但是第20次氧化后的颗粒发生明显的烧结。EDS分析验证了载氧体表面元素的迁移和变化规律。硫的释放造成载氧体中硫和氧的不可逆损失和载氧能力的下降，是CASO4在循环试验中失活的主要原因。
最后对钙基载氧体的还原反应动力学模型进行了研究。采用微分反应器和高精度多组分气体分析仪构建了动力学试验系统，进行CO还原CASO4反应的动力学试验研究。研究了载氧体质量变化，流速变化和颗粒粒径变化等对反应速率的影响，获得基本消除外扩散的动力学试验区间。对试验中可能发生的副反应进行了分析和测量，发现SO2的释放极少。采用半在线监测CO2和CO的浓度变化方法，获得载氧体的转化率。研究了CO浓度对载氧体还原反应速率的影响。采用化学反应控制的缩核模型，表明CO还原CASO4是一级反应。提高反应温度对载氧体转化速率影响显著。在忽略外扩散阻力情况下，考虑化学反应控制和内扩散控制共同作用下的缩核模型，采用最小二乘方非线性拟和方法，求解得到动力学参数，表明还原过程为化学反应控制和产物层扩散控制共同控制，模型预测的结果与试验结果吻合较好。
全世界每年因煤矿开采排入大气中的甲烷超过2500万吨，其中煤矿通风甲烷(VAM)占总排放量的70％以上。甲烷是造成全球变暖的温室气体之一，全球每年以VAM方式排入大气的甲烷的温室效应相当于5.2亿吨二氧化碳当量，其热值相当于5000万吨标准煤。长期以来，我国煤炭占一次能源消费总量的比例在70％左右，煤矿甲烷(其中VAM占91％)的排放量在150亿立方米以上，所造成的社会成本超过150亿元。　　
在F.J.WEINBERG提出的超焓燃烧思想的基础上，LLOYD指出可使用SWISS-ROLL燃烧器直接燃烧低热值燃料，其原理为通过换热通道的传热提高反应区温度，从而达到直接燃烧低热值燃料的目的。本文基于煤矿通风流量大的特点，考虑了流动状态、物性变化和通道形状对传热过程的影响，建立了SWISS-ROLL燃烧器的二维湍流热平衡模型，求解了换热通道的温度分布，分析了进口条件、通道尺寸、燃烧室直径等参数和热损失对其传热特性的影响。结果表明，SWISS-ROLL燃烧器能通过换热提高反应区温度，在甲烷体积浓度1％甚至更低时使化学反应稳定自维持；反应区温度受通道宽度和甲烷体积浓度的影响最显著，受通道长度的影响次之，受进口流速的影响相对要小得多，受燃烧室直径的影响更小，而通道高度对反应区温度的影响基本可以忽略不计；增加进口流速有利于传热，但增大了通道内压力损失，增大通道宽度能增加燃烧器处理流量且减小通道内压力损失，但降低了反应区温度，增大的通道长度能有效提高反应区温度，但也导致了通道内压力损失和燃烧器制造成本增大，因此应综合考虑各因素选择合适的参数；热损失降低了燃烧器温度且减小了通道间传热温差；热损失系数较小时，热损失系数对燃烧器性能的影响更显著。　　
为了验证传热模型的正确性，在自制的SWISS-ROLL燃烧器上进行了传热试验，研究了燃烧器进口流速、功率等参数和热损失对传热特性的影响。试验结果表明，计算值与实验数据之间的相对误差小于5％，二维湍流热平衡模型能较好地预测反应区温度；随着进口流速增大，反应区温度降低，换热通道的传热系数增加，燃烧器热再循环系数减小，在高流速时进口流速对反应区温度的影响程度降低；随着燃烧器功率增加，反应区温度升高，燃烧器热再循环系数略有提高，在燃烧器功率较小时，燃烧器功率对反应区温度的影响更显著。　　
结合简化的甲烷反应机理，研究了运行参数、结构参数和热损失对燃烧器熄火特性和反应区漂移的影响，分析了燃烧器可能存在的3种甲烷体积浓度分布类型和6种温度分布类型。结果表明，随着通道换热能力增强，化学反应区由燃烧室不断向进气通道漂移，且在此过程中燃烧室温度基本不变，而减弱通道换热能力，将导致吹熄；增大进口流速和通道宽度，减小通道长度和甲烷体积浓度，反应区首先会向燃烧室漂移，之后在燃烧室内稳定燃烧，直到吹熄，但在某些情况下，稳定燃烧段不存在；散热会使稳定燃烧区向反应漂移区移动。　　
最后，基于SWISS-ROLL燃烧器的二维湍流热平衡模型，以处理VAM为背景，进行了投资收益分析。考虑了运行成本、制造成本、发电收益和减排收益对纯收益的影响，建立了处理VAM的SWISS-ROLL燃烧器优化模型，分析了运行参数与结构参数对燃烧器经济性的影响，并对其进行了优化，为SWISS-ROLL燃烧器的设计提供参考。
该文综合分析了各种湍流燃烧模型的特点,比较了它们在湍流旋流燃烧模拟中的应用效果.在新代数二阶矩湍流燃烧模型的基础上,引入与吸取概率密度函数(PDF)的概念和方法,提出并建立了综合考虑浓度与温度脉动对湍流平均反应率影响的代数二阶矩-PDF湍流燃烧模型.该文应用代数二阶矩-PDF湍流燃烧模型并结合新代数REYNOLDS应力模型,对旋流燃烧室内的湍流燃烧进行了数值模拟,得到了与实验相符合的气体温度、组分浓度、轴向与切向速度、以及轴向、径向与切向脉动速度均方根值分布.该文的模拟结果表明,浓度脉动和温度脉动均对湍流平均反应率有一定的影响.
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