电磁场诱导的多尺度等离子体耦合点火强化机制

For the high reaction activity of excited state molecules and free radicals in plasma, there are many advantages for plasma in the application of ignition in power plant boiler, such as economize oil, fast and efficient, while there still exists the limitation on low volatile coal ignition. Analysis from the fire mechanism, the rapid decomposition of stable polycyclic aromatic hydrocarbon structure (PAHs) in coal can improve fire performance. The excited state nitrogen can effectively break the benzene ring for its high energy, and the excited oxygen atom and hydroxyl radicals can accelerate the fire reaction through reducing the reaction energy barrier. However, limited by the short lifetime, the excited state molecules and radicals can only carry out short-range migration. The innovations of this project are: (1) The selectivity of active species generation (excited state nitrogen, hydroxyl and excited oxygen atom) will be enhanced by controlling the direction of electronic energy transmission, which will be achieved by coupling reduced electric field and atmosphere. (2) Based on coupling multi-scale plasma, a new combustion organization method will be proposed. The active species will be in situ generated by microwave discharge in micro pores and between particles, which is enhanced by absorbers (char). And by controlling the distribution of oxygen and synergy the arc plasma and microwave discharge, the electrode protection and strengthening the burning of coal and char will be achieved together. The relevant studies are promising to provide theoretical guidance for development of controllable and efficient plasma ignition technology for low volatile coal.

等离子体中激发态分子和自由基反应活性高，在锅炉点火应用中具有节约油耗、快速高效的优势，但存在低挥发分煤适用性差的劣势。从着火机理分析，煤中稳定的多环芳烃结构快速裂解能提高着火性能。激发态氮气具有足够高的能量和反应速率破坏多环芳烃结构，激发态氧原子和羟基能降低反应能垒，加快着火反应。但活性物种寿命短，只能进行短程迁移，限制其作用范围。本项目创新之处在于：（1）提出活性物种选择性强化生成机制：通过协同调控场强与气氛，控制电子能量传输路径，促进激发态氮气、羟基和激发态氧原子选择性生成。（2）提出基于多尺度等离子体耦合的燃烧组织方式：通过外加焦炭强化电磁场诱导制热和放电实现煤颗粒间及孔道内放电，原位生成活性物种；调控电弧放电与微波辐照作用区域实现多尺度等离子体协同；调控不同作用区域的氧气浓度，实现电极保护与强化煤/焦燃烧协同。相关研究有望为开发低挥发分煤的可控、高效的等离子体点火技术提供理论指导。

实现低挥发分煤等离子体点火的关键在于实现燃料中多环芳烃的快速裂解，这需要增强放电并生成更多活性物种。项目提出在等离子炬下游增加微波作用区，通过外加焦炭强化微波诱导制热和放电从而实现煤颗粒间放电，产生毫米尺度等离子体，原位裂解煤、产生额外挥发分，在达到着火温度时形成相对分散的小“火核”，从而拓展等离子体作用区域，实现低挥发煤的点火。项目取得如下进展：（1）研究了微波共振与颗粒间放电的增强方法。项目构建模型模拟了微波放电过程中的多物理场分布，用以研究颗粒粒径、形状、间距和堆积状态对微波电场的增强及微波诱导焦炭放电的影响。发现改变煤焦的介电特性和颗粒堆积状态可有效增强颗粒间电场共振作用并增强微波放电。（2）研究了微波点火对煤焦结构的影响。项目研究了煤焦热解与放电产物的表面形貌及其孔隙结构、石墨化度演变特性，发现微波诱导焦炭放电产生的活性物质对无烟煤结构具有石墨化和逆石墨化两种作用。对于原煤放电裂解，石墨化作用占主导；而热解产物经微波诱导放电出现逆石墨化，并进一步提出了采用紫外Raman光谱判定煤石墨化度的方法。（3）研究了微波诱导放电下煤焦点火燃烧行为。项目在固定床反应器中进行了焦/煤样品的微波点火燃烧实验，发现大粒径、中等碳化温度（800-900 °C）的焦炭，在微波燃烧过程中更容易保持厘米级等离子体放电，该厘米级等离子体放电的出现激发了多种活性物种并促进了煤焦燃烧。（4）研究了微波诱导焦炭颗粒群放电行为及无烟煤/焦点火过程。项目研究了流态化下的煤/焦样品燃烧行为，发现颗粒流态化更利于微波诱导焦炭放电的发生，而剧烈放电会影响入射微波能量的分配路径并快速提升煤焦温度，这促进了的焦炭气化及燃烧反应。基于本项目研究，发表学术论文17篇，其中SCI论文6篇，会议论文8篇，学位论文3篇；培养博士研究生3名，1名已毕业，硕士研究生2名，2名已毕业；与俄罗斯莫斯科航空学院针对项目关键问题已开展合作研究及学生联合培养。