煤炭和生物质是目前国民生产中主要的能量来源,而热解则是固体燃料热转化的重要形式之一。热解过程中挥发分以及焦油的释放特性受到加热功率、温度、碱金属等多种影响因素的影响。目前关于固体燃料热解过程的相关研究大多是基于离线的获得热解产物的种类、产量以及时间特性等,而无法原位获取热解过程燃料表面的产物分布信息。因此,有必要深入研究不同影响因素下固体燃料热解过程颗粒周围产物的时空分布,揭示热解过程挥发分析出特性,为进一步研究固体燃料热解过程挥发分的释放机理并建立相应的动力学模型奠定基础。 本文采用CO2激光器作为加热源,以固体燃料(煤和桉树)颗粒在惰性气氛下的快速热解过程作为研究对象,构建了基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的挥发分释放特性研究实验平台。首先利用光纤光谱仪直接采集不同固体燃料(桉树和煤炭)快速热解过程的LIBS光谱,获得了不同燃料热解过程的挥发分释放过程实时信息,研究分析了热解产物中不同原子及分子(包括C、H、O、CN、C2)特征光谱的时空分布特性。实验结果表明,煤和桉树的热解过程均呈现两个阶段:脱水脱吸附阶段和大分子分解阶段。在脱水脱吸附阶段,桉树热解析出的含碳氮组分明显多于煤;在大分子分解阶段,桉树各元素析出的峰值时间明显晚于煤,同时桉树析出的挥发分组分里H和O占比更大,而煤析出的挥发分组分里CN和C2占比更大。此外,实验采集了激光击穿之后的残余能量,残余能量和H/C的时空分布变化规律呈现较好的一致性,证明了焦油等大分子组分分布更靠近燃料表面,且随着高度的增大小分子气体组分的浓度增大。增大加热功率一方面会增加总挥发分的产率以及析出速度,另一方面会使得析出的挥发分发生二次反应。 然后,为了分析不同形态碱金属对固体燃料快速过程挥发分释放的影响规律,在煤和桉树样品中分别掺混了不同形态的钾盐(KCl和K2CO3),钾的添加比例分别为0,、1%、3%、6%,并利用光纤光谱仪采集了热解过程中挥发分的LIBS光谱。结果表明,煤和桉树在热解过程中析出的K和Na呈现较好的一致性。同时,相较于桉树,煤热解时K和Na的析出速度更大,且热解持续时间短。K2CO3的添加会使得煤和桉树热解过程挥发分浓度峰值增大,但是添加的含量会存在一个最佳的比例,当超过最佳比例时,K2CO3有可能会对热解过程起抑制作用。当添加KCl时,促进作用不如K2CO3明显,增大KCl的添加量甚至会抑制煤和桉树热解过程挥发分的析出。