O2/CO2气氛下甲烷火焰中NO均相反应机理研究

氧燃烧方式下由于高浓度CO2介质的存在对煤中氮的析出以及氮氧化物的多相转化有重要影响。该文基于化学动力学分析软件CHEMKIN对O2/CO2及O2/N2气氛下甲烷燃烧均相反应体系中NO的转化行为进行模拟计算,探讨了温度、过氧系数 、CO2浓度、O2浓度、初始含N污染物组分等因素对NO形成及其还原的影响规律,采用生成率分析和敏感性分析工具分析了不同气氛富燃及贫燃条件下NO的反应机理。结果表明,2种气氛富燃及贫燃条件下NO的还原率变化规律相反,与空气气氛相比,富燃条件下O2/CO2气氛不利于NO的还原,而贫燃条件下O2/CO2气氛有利于NO还原。生成率分析表明高浓度CO2气氛能够促进NO还原并对NO的生成具有一定的抑制作用。敏感性分析表明2种不同气氛下NO的反应历程区别不大,但所发生的重要反应有明显差别;在富燃及贫燃条件下,NO反应历程有明显区别,富燃条件下NO的主要反应历程为NO->HNO->NH->N2,贫燃条件下NO的主要反应历程为NO->N->N2。     

不同气氛下煤粉燃烧硫氮污染物析出的特性研究

利用水平炉在O2/N2气氛和O2/CO2气氛下煤粉燃烧进行了实验研究,对煤中硫氮排放特性进行了比较分析。发现较高温度下无机硫产生SO2较多,出现峰值的时间提前。温度升高NOx转化率增加。相同温度下,O2/CO2气氛下SO2、NO排放峰值较低。不同CO2浓度下SO2排放变化不大。挥发分NO析出几乎无影响,而焦炭NO峰值随CO2浓度升高呈减小趋势。提高O2浓度对有机硫析出的影响不大,而无机硫生成SO2的时间提前,峰值提高。NO生成峰值生成时间均提前。静态实验结果表明新型燃烧方式有利于降低SO2和NO的排放。     

煤焦N向NO转化规律的试验研究

在堆积燃烧状态下采用水平管式炉反应器研究不同反应条件及燃料特性对焦炭N向NO转化的影响。试验结果表明:随着石英砂/煤焦质量混合比的增大,NO转化率起初显著增加,随后维持不变,主要由于石英砂的混入削弱了NO的二次还原反应。850~1 050℃温度范围内,随着反应温度的升高焦炭NO转化率先增大后减小。2%~20%氧浓度下,1 050℃进行燃烧时,10%氧浓度下焦炭NO转化率达到最大。焦炭与O2的反应发生在焦炭表面时,NO还原反应减弱,NO转化率较高,同时反应温度升高到一定程度时,NO还原反应速率增加明显。煤焦表面反应煤阶和含氮量越高,焦炭NO转化率越高,并且煤焦表面含氮官能团同样影响焦炭NO的释放。     

O2/CO2和O2/N2气氛下不同煤种的热解与燃烧试验研究

采用热重-质谱联用仪分别研究了3种煤在O2/N2和O2/CO2气氛下的热解和燃烧特性.结果表明,与N2气氛相比,CO2气氛下煤粉的热解过程可分为水分的蒸发、挥发分的释放以及较高温度下煤焦与CO2的气化反应;随燃烧气氛中氧浓度的增加,煤粉的TG-DTG曲线移向低温区,着火温度和燃尽温度降低,煤粉综合燃烧特性指数增大;在相同的燃烧气氛及氧浓度下,PRB次烟煤的着火温度和燃尽温度明显低于Illinois烟煤和Utah烟煤.     

O2/CO2气氛下生物质与煤混燃的NO排放特性研究

在水平管式试验炉上研究生物质与煤配比、燃烧气氛、O2浓度、温度对NO排放特性的影响规律.结果表明,在O2/CO2气氛下,随着生物质比例的增大,生物质混煤NO释放提前,NO排放完毕时间减少,NO的排放量降低;在试验所选取的O2浓度范围内,相同氧浓度时,O2/CO2气氛下生物质混煤NO的排放量小于O2/N2气氛下的排放量,其降低幅度约为10％～20％;随着O2浓度的增加,2种气氛下生物质混煤NO的排放量均升高;在试验所选取的温度范围内,随着温度的升高,生物质混煤NO的排放量增加.     

低氧体积分数下煤粉的NO排放及燃烧特性

为了掌握固定床中煤粉低氧体积分数反应的燃烧特性和NO排放特性,利用固定床反应器研究了燃烧气氛、管式炉温度、氧体积分数、气体流量的变化对煤粉NO排放和燃烧特性的影响。结果表明:与O_2/N2和O_2/Ar气氛相比,O_2/CO_2气氛下的NO排放峰值的体积分数减半,反应时间延长,最高燃烧温度降低;升高温度对NO释放和降低反应时间有促进作用,当温度升高至1 300K时,NO排放量达到峰值,随后进一步升温,NO的还原速率大于生成速率,NO排放量反而降低;当氧体积分数低于10%时,N的氧化反应被抑制,NO排放量保持较低水平,当氧体积分数从10%升至21%时,CO/NO/焦炭还原反应受到抑制,NO排放量快速增长;随着气体流量增加,煤粉颗粒附近的氧体积分数升高,加速了N的氧化反应速率,N的转化率呈单调递增趋势。     

O2/CO2与空气对燃煤汞形态分布的影响

为研究O2/CO2和空气燃烧方式对汞形态分布影响的差异,借助管式试验炉,对空气和O2/CO2 2种气氛下对4个煤种分别在600、800、1 000 ℃下进行了堆燃。燃烧过程中烟气的汞排放,采用Ontario Hydro方法进行吸收测试,比较了O2/CO2和空气气氛下的汞形态分布特点。试验结果表明,在相同温度下,与空气燃煤相比,煤粉在O2/CO2气氛下燃烧单质汞含量升高,二价汞含量降低。随着反应温度的升高,这两种气氛下单质汞的含量均逐渐降低,而二价汞的含量逐渐升高。同时在相同温度和反应气氛下,不同煤种汞形态分布不同,含硫量高的煤燃烧烟气中二价汞的含量比低硫量的煤高,而单质汞的含量比含硫量低的煤要低。而煤粉充分燃烧时,温度和煤种对于4种燃烧气氛下灰分中残留汞元素含量产生较小影响。     

循环流化床高浓度富氧燃烧试验研究

在0.1 MW循环流化床富氧燃烧试验系统上,进行了大同烟煤在O2/再循环烟气(RFG)和O2/CO2配气下的高浓度富氧燃烧试验,研究燃烧温度和气氛对燃烧稳定性、烟气中CO2浓度和气体污染物排放的影响。研究结果表明,O2/RFG气氛下,在一次风氧气浓度为49.6%~55.2%、二次风氧气浓度为45.3%~51.7%范围内,循环流化床能够稳定运行,烟气中CO2浓度达到90%以上,SO2浓度为87~197 mg/MJ,N2O浓度为48~78 mg/MJ,NO仅为19~44 mg/MJ。与O2/CO2配气燃烧相比,O2/RFG燃烧时除NO浓度基本不变外,CO与SO2浓度均有一定程度的增加,而N2O浓度则明显降低。     

O2/CO2气氛下煤焦热重试验研究

进行了O2/CO2气氛与O2/N2气氛下兖州烟煤焦和柬阳无烟煤焦的热重试验,分析了气氛变化对煤焦热重反应的影响,推导出了O2/CO2气氛与O2/N2气氛下的煤焦动力学表达式并获得了动力学参数。模拟值与试验结果吻合较好。     

高浓度CO2气氛下煤粉的燃烧及其孔隙特性

采用热力工况与实际煤粉炉相近的沉降炉,获取了不同环境气氛、不同燃烧温度下的煤焦试样并采用低温氮吸附仪测定了其吸附曲线。实验结果显示,相同的实验条件下,相同O2浓度的O2/CO2气氛下煤焦的燃尽率较低,各试样的孔比表面积和比孔容积均较小,在O2/CO2气氛下所取煤焦试样的分形维数均小于相同O2浓度的O2/N2气氛下所取煤焦试样的分维,表明大量高比热性CO2气体的存在不利于煤焦颗粒燃烧反应的进行及其孔隙结构的发展。同时,吸附等温线及其回线的形态表明,所取的试样具有完整且连续的孔结构体系,孔径范围小至分子级孔,大至无上限孔(相对而言)。研究结果为深入认识O2/CO2气氛下煤粉的孔隙结构与其燃烧特性的关系提供了基础。     

O2/CO2气氛下燃煤NO排放特性的实验研究

在沉降炉上通过在线烟气分析仪研究了燃烧气氛、CO2浓度、温度及燃料/氧气化学当量比对O2/CO2气氛下燃煤NO排放的影响规律。结果表明,O2/CO2气氛下NO的排放浓度总小于O2/N2气氛下的情况,在无烟气再循环的情况下降幅约为20%~40%。2种气氛下NO的沿程析出均表现出类似的规律,但因煤质而有所不同。随着进气中CO2浓度的增加,NO的排放浓度呈现降低的趋势。与21%O2/ 79%Ar气氛下相比,21%O2/79%CO2气氛下NO排放浓度的降幅在30%~50%。随着温度的增加,2种气氛下NO的排放浓度均增加。随着燃料/氧气化学当量比(f)的增加,NO排放浓度呈现出先增加后降低的趋势,其最大排放浓度均出现在f=0.8左右;在f远大于1的富燃料区,2种气氛下NO的排放浓度基本可以降到一致的水平。     

再燃烧条件下煤焦还原NO特性的研究

在携带流反应装置中,研究了不同煤焦制备和反应条件下煤焦异相还原NO的特性,分析了煤种、热解条件(热解温度、煤粉热解时粒径和热解气氛)和反应条件(煤焦还原NO时的反应温度、环境气氛)等因素对煤焦还原NO特性的影响。结果表明,挥发分含量较高的煤种,其煤焦对NO的还原能力较强;热解温度的提高导致生成煤焦还原NO能力下降;小粒径煤粉热解生成的煤焦较大粒径煤粒热解生成的煤焦对NO的还原率高;煤粉在一次燃烧区过量空气系数为1.0~1.2的烟气气氛中热解时,生成的煤焦对NO的还原能力无明显差别;参与反应的煤焦颗粒周围烟气气氛对煤焦还原NO的影响较大,在SR1为0.9~1.3范围内,NO还原效率呈现两头高中间低的特性,且当SR1=1.1时,NO还原率最低;在高温氧化性气氛中,随反应温度的提高,煤焦还原NO的效率增加。     

煤在O_2/CO_2及O_2/N_2气氛下燃烧NO析出规律的实验研究

以阳泉无烟煤(YQ)、聊城贫煤(LC)和里彦烟煤(LY)为研究对象,在卧式管状炉上重点考察了O2/N2和O2/CO2气氛下,三种煤粉燃烧过程中NO的析出规律。实验结果表明O2/CO2气氛能够减小NO的析出速率,并且降低NO的转化率。相比较O2/N2气氛,NO析出曲线平坦,峰值小,持续时间长,在1 173 K的温度条件下,YQ、LC和LY的NO转化率分别为31.45%、20.58%、17.73%,比相应的O2/N2气氛下降低了20.48%、12.42%和24.78%。在1 173 K范围内,提高温度对O2/N2和O2/CO2气氛下的NO转化有均有促进作用,超过此温度则转化率变化不明显。CaCO3的加入促进了NO的析出,并且YQ、LC在Ca/S小于2,LY在Ca/S小于3时,随着CaCO3量的增加NO转化率提高较为明显,进一步提高Ca/S,则固硫剂的作用有所削弱。相对于O2/N2气氛,O2/CO2气氛下的加钙脱硫可以抑制NO的生成,相同条件下的NO转化率可降低25%左右。     

O2/CO2气氛下痕量元素的赋存和迁移特性

在管式炉中进行徐州烟煤的燃烧实验。通过改变燃烧气氛,用电感耦合质谱分析仪(inductively coupled plasma- mass spectrometry,ICP-MS)研究O2/CO2燃烧方式下O2含量及温度对煤中As、Cr、Pb等痕量元素赋存、迁移特性的影响,并在相同的氧浓度下研究CO2浓度对痕量元素排放的影响。结果表明：痕量元素及其化合物的熔点、沸点等物理性质对元素挥发影响很大;较之常规燃烧方式,O2含量的变化并没有改变As、Cr、Pb、Ni等痕量元素在底灰中的含量随温度升高而降低的总体规律;随着燃烧气氛中O2含量的升高,Cr、Ni在底灰中的含量有所降低,而As、Pb在底灰中明显富集;随着温度升高,燃烧气氛对As在底灰中富集的影响逐渐减弱;此外,在相同的O2含量下,CO2含量越高,As在底灰中的含量越低,因为高浓度的CO2在一定程度上抑制了更易挥发的次氧化物或单质的生成。     

O2/CO2气氛煤粉燃烧及固硫特性研究

该文利用热重法分析了O2／CO2、空气两种不同气氛下煤的燃烧特性，得出与空气条件相比，O2／CO2条件下煤的着火及燃尽温度有明显降低、燃烧特性指数提高的结论，即O2／CO2气氛可改善燃烧过程、优化燃烧特性。同时通过对两种情况下煤粉燃烧钙基脱硫特性的比较，发现较高浓度的CO2气氛可阻止石灰石的分解，其硫化反应机理与传统方式下不同，脱硫效果有较大提高，并且这种优势在一定范围内随温度的升高以及CO2体积含量的增加而愈加显著。由此得出，O2／CO2气氛不仅有助于煤粉燃烧而且可以有效地提高脱硫效率，克服了传统空气方式下高温脱硫效率低的缺点。     

O2/CO2气氛下燃煤SO2排放特性的实验研究

在沉降炉实验台上通过在线烟气分析仪考查了燃煤烟气的组成以及燃烧气氛、CO2浓度、温度和燃料/氧气化学当量比对SO2的排放规律。结果表明,相同操作条件下O2/CO2燃烧可获得高达80%左右的CO2浓度,但烟气中CO含量明显高于O2/N2气氛下燃烧时的情况。高浓度CO2的存在使得SO2的排放较常规燃烧方式下有所降低,并且随着气氛中CO2浓度的增加呈递减趋势,但随着燃烧温度的升高,煤粉燃尽程度的增加以及其余含硫物相向SO2的转化使得其排放浓度逐步增加。在2种气氛下,SO2的释放浓度在贫燃料区随燃料/氧气化学当量比f的增加而增加,而在f大于1.2的富燃料区随燃料/氧气化学当量比的增加而降低。     

粉煤和石灰石加入位置对循环流化床燃煤过程NOx与N2O排放的影响

在30kW的循环流化床(CFB)上进行3种煤的燃烧实验,考察了粉煤和脱硫剂加入位置、分级燃烧以及空气过剩系数对NOX和N2O排放的影响。所采用的CFB燃煤系统由提升管和下行床构成,提升管主要用于粉煤燃烧,下行床主要用于固体床料循环和粉煤热解。粉煤或脱硫剂分别自传统的一次空气布风板上方和下行床上部两个位置加入。结果表明,在不加脱硫剂的条件下,降低空气过剩系数和一次空气化学计量比均可有效降低NO排放,但对N2O排放则呈现上升、下降和无明显变化多种趋势。当粉煤加入位置自传统的提升管下部改变到下行床上部时,减少空气过剩系数或减少一次空气化学计量比可明显降低其中两种煤的NO排放,并可少量降低另一种煤N2O的排放;从下行床加入粉煤时,空气分级和低O2燃烧对NO排放的影响程度有所减弱。最后,对一种煤进行了脱硫实验,随Ca/S摩尔比的升高,SO2排放显著降低,NO排放升高,而N2O则先上升后下降;且自下行床加入时,NO排放更低;CaCO3加入位置变化对N2O排放无明显影响。     

煤的快速热解动力学研究

煤的快速加热条件下的热解研究对煤气化反应过程以及气化炉的运行有着重要的意义。试验采用TGA/SDTA 851型热天平对不同煤种、不同升温速率、不同灰煤比下的煤快速热解特性进行研究，同时对3种气氛下煤的动力特性进行分析。研究发现：随着升温速率的增加，最大失重速率也有所提高；随着煤的变质程度提高，热解最大失重速率有所降低；随着灰/煤比的增加，失重速率先升后降。说明存在一个最佳的灰/煤比，使得失重速率达到最大值；在N2、、O2、CO2 3种气氛下，CO2气氛下的气化反应进行的温度要高于N2气氛下的热解和O2气氛下的燃烧温度，气化与燃烧相比，气化反应进行的剧烈程度远远小于燃烧。文中也根据Coast-Redfern积分方法得出了煤热解的表观动力学参数。     

选择非催化还原过程中的N2O生成与排放

以煤粉燃烧锅炉为代表的高温燃烧一般不是主要的N2O生成源，但在应用选择非催化还原(SNCR)技术控制NO时，会生成一定的N2O。采用化学动力学计算和试验方法研究N2O排放浓度与SNCR技术使用还原剂类型、还原剂用量、反应温度、混合条件和反应时间之间的规律。试验和计算结果表明当反应时间足够时，反应温度越高、还原剂用量越少，N2O排放浓度越低。在SNCR反应过程中，N2O浓度呈先增后减的变化趋势。氨-SNCR试验结果表明N2O排放浓度在0-7μmol／mol之间。尿素-SNCR中约有8．7％的NO转化为N2O，排放为27．8μmol／mol，可能引起N2O排放问题。     

准东煤在O2/H2O/CO2气氛下脱挥发分过程焦炭结构演化特性研究

富氧燃烧技术不仅是先进的碳捕集技术,且可通过气化吸热反应降低燃烧温度减少碱金属的析出,缓解燃用准东煤产生的积灰结渣等问题,提高准东煤的利用率。但循环烟气代替空气助燃,氧化反应与气化反应相互作用,会影响煤焦反应活性。为保证在有限反应空间内煤焦的燃烧效率,研究煤焦结构演化规律,对合理组织炉内燃烧、改善煤焦燃烧过程至关重要。在固定床上制焦,采用拉曼和傅里叶红外光谱仪研究煤焦微晶结构和官能团的演化过程。结果表明:O2或CO2单独与煤焦反应时,易生成芳香类碳结构,而H2O与煤反应过程中更易生成脂肪类氢结构;无论在何种气氛下反应,煤焦内部均经历大分子结构的分解、无定形碳结构的生成和逐步石墨化的过程,气氛的改变影响的是有机物分解析出的过程;O2与CO2同时存在时,气化剂体积分数增加先促进芳香结构的解体生成易反应的脂肪链结构;而O2与H2O同时存在时,O2体积分数增加会加速芳香结构的生成,H2O体积分数增加,则反应首先消耗脂肪链结构,然后促进芳香结构解体,生成脂肪链结构。