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燃烧过程中煤焦表面结构变化规律的实验研究

作　者: 张蕊蕊
导　师: 张杰
学　校: 河北工程大学
专　业: 环境工程
关键词: 燃烧煤焦表面结构 SEM 分形
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着世界能源短缺和环境恶化加剧,人们越来越关注对煤的有效利用的研究。对煤焦表面结构及其在燃烧过程中变化的准确描述是煤研究的基础。煤焦表面结构变化的有效表征方式是表面孔径分布和孔洞比表面积,其对煤的气化、液化、焦化及煤的燃烬率均有显著的影响。但鉴于煤表面结构的复杂性,以及过去测量水平、数学描述方法和计算能力的限制,人们对煤焦表面在燃烧过程中的变化只能进行表观描述或定性分析,对其的研究还多限于孔模型的建立。本课题在研究煤焦燃烧过程中表面结构变化规律的同时,采用表面孔洞分形维数(SPFD)来表征煤焦表面结构,并建立了煤焦表面孔洞比表面积S与表面孔洞分形维数值D两者之间的经验关系式,即从理论上实现了用SPFD有效表征煤焦表面孔洞结构的机理解释。本文具体的研究内容包括以下几点:首先,总结了煤焦表面结构测试技术及发展现状,包括目前对燃烧过程中煤焦表面结构变化的认识以及表面结构测试技术,讨论了煤焦表面结构的描述方法,以及扫描电镜方法的应用和研究现状。其次,对分形理论做了一定的研究,并结合分形理论以及MATLAB软件特点,编译出自动计算煤焦SEM图像SPFD值的应用程序。用此程序对SEM图像进行分析,可以获知煤焦表面结构信息,如孔洞数量N、孔洞尺度r及SPFD值,并建立了煤焦表面孔洞比表面积S与表面孔洞分形维数D的关系模型,通过对曲线拟合推导出两者之间的经验关系式,从而实现了煤焦表面结构的定量描述。最后,对燃烧过程中煤焦表面结构的变化规律进行探讨,主要通过控制燃烧温度,燃烧时间来研究煤焦表面孔洞分形维数的变化规律,并研究了粒径,煤种,是否酸洗脱灰等因素对煤焦燃烧时表面结构的影响,得出一系列实验结论。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-23
  1.1 研究背景  10-13
    1.1.1 世界能源现状与发展趋势  10-11
    1.1.2 中国能源发展现状  11-13
  1.2 煤焦表面结构测试技术及发展现状  13-16
    1.2.1 目前对燃烧过程中煤焦表面结构变化的认识  13
    1.2.2 表面结构测试技术  13-16
  1.3 燃烧过程中煤焦表面结构描述方法的研究进展  16-20
    1.3.1 单孔模型  16-17
    1.3.2 随机孔模型  17-18
    1.3.3 网状孔模型  18
    1.3.4 树状孔模型  18-19
    1.3.5 无形孔模型  19
    1.3.6 分形的引入  19-20
  1.4 扫描电镜方法的应用和研究现状  20-21
  1.5 本文的主要研究内容  21-23
第2章基于SEM 图像的分形理论  23-37
  2.1 引言  23
  2.2 SEM 在煤和煤焦研究中的应用  23-24
  2.3 分形理论  24-26
    2.3.1 分形的定义  24-25
    2.3.2 分形理论的发展历史和现状  25-26
  2.4 图像分形维数的计算技术  26-35
    2.4.1 分形维数的定义  27-29
    2.4.2 图像分形维数的计算方法  29-35
  2.5 本章小结  35-37
第3章计算煤焦表面孔洞分形维数的方法  37-47
  3.1 煤焦表面孔洞分形维数的计算理论  37-39
    3.1.1 基于计盒维数法计算SPFD 的基本原理  37-38
    3.1.2 煤焦SPFD 的物理意义  38-39
  3.2 MATLAB 的应用  39-40
    3.2.1 MATLAB 简介  39
    3.2.2 数字图像技术  39-40
    3.2.3 MATLAB 在数字图像处理中的应用  40
  3.3 煤焦表面孔洞分形维数的MATLAB 实现  40-44
    3.3.1 煤焦SEM 图像的处理与分析  40-43
    3.3.2 分形维数的MATLAB 实现  43-44
  3.4 程序验证  44-46
    3.4.1 康托三分集  44
    3.4.2 Koch 曲线  44-45
    3.4.3 结果验证  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章煤焦燃烧实验  47-75
  4.1 实验目的和意义  47
  4.2 实验方案的确定  47-50
    4.2.1 原煤的采集与预处理  47-49
    4.2.2 酸洗方案的确定  49-50
    4.2.3 煤焦样品制备  50
  4.3 SEM 图像采集  50-63
    4.3.1 扫描电镜样品预处理  51
    4.3.2 采集SEM 图像  51-63
  4.4 数据分析  63-74
  4.5 本章小结  74-75
第5章燃烧过程中煤焦表面特性的研究  75-83
  5.1 SEM 图像的簇分析和统计分析  75-78
    5.1.1 簇分析  75-76
    5.1.2 统计分析  76-78
  5.2 SEM 图像的表面孔洞分形维数  78-79
  5.3 分形维数D 和煤焦孔洞比表面积S 的关系模型  79-82
    5.3.1 数据统计  79-81
    5.3.2 关系模型建立  81-82
  5.4 本章小结  82-83
第6章燃烧过程中煤焦表面结构变化规律的研究  83-93
  6.1 煤焦表面随燃烧时间的变化规律  83-85
  6.2 煤焦表面随燃烧温度的变化规律  85-87
  6.3 煤种对煤焦表面变化的影响  87-89
  6.4 粒径对煤焦表面变化的影响  89-90
  6.5 酸洗对煤焦表面变化的影响  90-92
  6.6 本章小结  92-93
第 7章结论与建议  93-95
  7.1 主要研究结论  93-94
  7.2 进一步的工作建议  94-95
参考文献  95-100
致谢  100-101
作者简介  101
论文发表情况  101

燃烧过程中煤焦表面结构变化规律的实验研究

内容摘要

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