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煤/半焦富氧预热燃烧特性及NO_x排放特性试验研究

【摘要】:我国以煤炭为主的能源禀赋决定了煤炭的基础能源地位。煤炭能源的主要利用方式是燃烧发电,其燃烧发电量在总发电量的占比超过65%。同时,通过燃烧发电方式实现煤炭热解产生的半焦的高效利用,是低阶煤梯级利用的关键环节。在燃烧过程中产生的氮氧化物(NOx)由于其化学性质不稳定且化学反应过程复杂等因素,很难得到有效的控制。高浓度的NOx会引起一系列的大气污染问题,包括光化学烟雾、酸雨和温度效应等问题,同时也是雾霾的主要成分之一。并且NOx会引起人体肺部疾病,是一种十分有害的气体。需要注意的是,在中国,70%的NOx来源于煤炭燃烧。因此,有效控制煤炭和半焦燃烧过程中的NOx排放势在必行。煤炭的富氧(O2/CO2)燃烧技术可以降低NOx的排放量,且易于分离回收烟气中高浓度的二氧化碳(CO2)。本论文将在基于循环流化床预热燃烧技术的研究基础上,进一步研究煤/半焦富氧气氛下的燃烧特性和NOx排放特性。并且利用该技术实现固体燃料的MILD(Moderate and Intense Low-oxygen Dilution)燃烧,为煤炭燃烧的超低NOx工程应用提供理论基础。主要研究工作及结论如下:(1)空气气氛中煤/半焦均可实现稳定的预热燃烧过程。在预热过程中,燃料碳部分转化为可燃碳基气体,部分与氧气燃烧反应放热维持循环流化床的温度。高温预热煤气成分主要包括N2、CO2、CO、H2和CH4。在预热过程中氮元素的释放率超过50%,这表明预热过程和燃烧过程的燃料氮迁移转化路径对于NOx排放都十分重要。循环流化床内的强还原性气氛使得更少的燃料氮流入下行燃烧室内,有助于实现低的NOx排放。并且可以通过改变二次风喷口结构和将燃尽风配风位置远离喷口的方式来继续降低NOx,烟煤和半焦的NOx排放可低至15 1 mg/m3(@6%O2)和140 mg/m3(@6%O2),同时保持高的燃烧效率(高于96%)。(2)富氧空气(O2/N2)气氛中氧气浓度对于煤/半焦预热特性的影响规律表明,在保证各级配风氧气体积流率不变的前提下,增加一次风的氧气浓度,可以增加循环流化床的温度和燃料颗粒的反应停留时间,最终增强循环流化床内的还原性气氛。同时,预热过程中燃料氮被还原成氮气的比例随之增加。对比空气燃烧工况,当循环流化床内的局部氧气浓度升高时,NO排放量大幅度地降低。然而,随着下行燃烧室内的氧气浓度升高,NO排放量会升高。当同时增加循环流化床和下行燃烧室内的氧气浓度时,NO的排放量仍然会低于空气工况。燃料燃烧效率的变化趋势与温度的变化趋势一致。当二次风氧气比例增加和将燃尽风配风位置下移或由单层配风转变为双层配风时,NO排放量下降。(3)富氧(O2/CO2)气氛中基于循环流化床预热技术采用中心位置的二次风喷口可以实现半焦和烟煤的MILD燃烧。这种气固混合模式表明,固体燃料MILD燃烧的本质是颗粒燃烧反应分散到反应器中的整个低氧空间,其中在O2/CO2气氛下更容易建立焦炭的MILD燃烧。在MILD燃烧工况下,焦炭燃烧无明显的火焰锋面,温度分布均匀并可以保持高的燃烧效率,进而实现了煤/半焦的清洁和高效燃烧。半焦MILD燃烧时,与有焰燃烧相比,NO排放量可减少50%。而烟煤富氧预热燃烧时,预热煤气中较高浓度的CO,H2和CH4已经促使燃烧室燃烧器出口附近还原气氛增强,此时建立MILD燃烧对增强还原气氛的效果变弱。因此,烟煤MILD燃烧时NO排放量几乎不变。在固体燃料MILD燃烧条件下,通过合理安排燃尽风位置可使还原区域扩大,可进一步减少NO排放。(4)氧气分级配风方式对于煤/半焦预热燃烧时NO排放的影响研究表明,随着一次风氧气浓度的增加,预热温度升高,燃料中各组分释放率增加,其中氮元素的释放率高于0.40(40%)。随着一次风氧气浓度的增加,燃料氮被还原成氮气的比例增加,达到30.0%以上。CO和H2浓度随着一次风氧气浓度的增加而增加,此变化有利于下行燃烧室燃料的稳定燃烧。此外,增加一次风和二次风的氧气浓度以及降低燃尽风的氧气浓度都可以减少NO的排放。烟煤和半焦的NOx排放可低至30.2 mg/MJ和26.8 mg/MJ。可见,采取合理氧气分级配风方式的富氧MILD预热燃烧技术,可以实现固体燃料的清洁高效燃烧。

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