O_2/CO_2气氛下单颗粒焦炭燃烧竞争效应的数值模拟

基于O_2/CO_2气氛下焦炭燃烧的复杂气固反应,提出多种碳基随机孔模型(Various Char-RPM)模拟焦炭颗粒燃烧过程,对影响其竞争效应的因素进行分析.结果表明,焦炭燃烧竞争效应主要发生在动力扩散控制区,此时颗粒孔隙中的气体浓度明显波动,燃烧不稳定.提高环境中O_2浓度和减小焦炭颗粒粒径均可弱化和消除竞争效应,减小粒径的效果更明显.     

O2/CO2气氛下多种碳基随机孔模型的建立

传统随机孔模型基于简单一步反应建立,不适用于处理O₂/CO₂气氛下焦炭颗粒复杂气固反应。针对此问题,基于焦炭本身具有多种碳基的特点,以及焦炭颗粒在O₂/CO₂气氛下燃烧的特性,建立复杂气固反应下的多种碳基随机孔模型和孔隙结构模型。模拟直径为100 μm的焦炭颗粒在O₂/CO₂气氛下燃烧的过程,使用FORTRAN语言自主编程计算并分析结果。研究表明,燃烧初期颗粒呈现竞争效应,孔隙内部气体浓度产生剧烈波动。波动的生成原因是化学反应与物理扩散之间的竞争,可以通过增加环境氧浓度和减小焦炭颗粒粒径来改善。所提出的多种碳基随机孔模型对于表征O₂/CO₂气氛下焦炭颗粒的燃烧特性有着良好的适应性。     

O2/CO2气氛下基于反应面积的Char-N转化模型的建立

目前,研究者普遍认为焦炭氮（Char-N）向NO转化时Char-N反应速率与焦炭燃烧速率成正比,这种处理方式忽略了焦炭颗粒燃烧过程中焦炭和Char-N反应面积变化的差别,与实际情况相差较大。针对此问题,本文充分考虑了焦炭燃烧时碳基和Char-N由于存在形式不同导致的反应面积变化的差别,在通过随机孔模型处理焦炭颗粒燃烧的同时采用收缩模型的思维处理Char-N的转化,建立了一个具有两种模型优势的综合模型。模拟了粒径为100μm的焦炭颗粒在O₂/CO₂气氛下的燃烧过程,以及颗粒内部Char-N向NO的转化过程。通过Fortran自主编程并进行计算。结果表明,新建立的模型计算结果能够与实验数据吻合,具有较好的适用性。同时新模型具有表征Char-N转化过程中各参数变化的能力。环境O₂浓度的增大和焦炭颗粒粒径的增大都会导致反应过程中NO生成量增多,同时由于焦炭和Char-N反应面积变化不同,NO的生成曲线存在二次升高的现象。     

O_2/CO_2燃烧技术的研究现状及进展

分析总结了不同规模燃烧实验装置所获得O_2/CO_2气氛下煤粉颗粒燃烧的研究现状和研究成果,并对未来O_2/CO_2燃烧技术的发展进行了展望。研究结果表明,在相同O_2浓度下,O_2/CO_2气氛中煤粉燃烧气体和颗粒的温度要比O_2/N2气氛低,并且燃尽时间延长,NOx生成量降低。提出无焰富氧燃烧技术和增压富氧燃烧技术是两种具有较大发展前途的新型燃烧技术。     

焦炭颗粒在不同控制区域中的燃烧特性

针对焦炭颗粒在煤粉炉内的复杂燃烧过程,建立相互耦合的导热、气相传质模型及改进的随机孔模型. 通过FORTRAN编程,研究了焦炭颗粒在不同控制区域中的燃烧特性,应用改进的随机孔模型,研究了焦炭颗粒在扩散-化学反应动力学控制区中的燃烧特性. 结果表明,在扩散-化学反应动力学控制区,碳基上的小孔内部存在O2浓度梯度,焦炭颗粒的转化速率在转化率约为0.39时出现最大值,随燃烧过程进行先增大后减小.     

O_2/CO_2气氛下生物质三组分的燃烧特性

采用热重分析法对生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)进行O_2/CO_2燃烧特性实验,分析了不同气氛(O_2/N_2和O_2/CO_2)、氧体积分数(10%,21%和40%)和升温速率(10℃/min,20℃/min和30℃/min)对三组分O_2/CO_2燃烧特性的影响.结果表明:与O_2/N_2气氛相比,在O_2/CO_2气氛下三组分燃烧过程存在不同程度的延迟,主要体现在焦炭燃烧阶段;由于木质素焦炭质量分数较高,因此其燃烧延迟相较于纤维素和半纤维素更加明显.O_2/CO_2气氛下,由于三组分氧含量较高,氧体积分数增大对三组分挥发分燃烧阶段影响较小;而氧体积分数增大对焦炭燃烧阶段产生了明显的影响,使其向低温区移动,综合燃烧特性明显改善.O_2/CO_2气氛下,升温速率增大,三组分燃烧过程整体向高温区移动;在挥发分析出燃烧阶段,纤维素与半纤维素的失重速率显著增加,在焦炭燃烧阶段,木质素失重速率显著增加;三组分综合燃烧特性得到改善.相比于纤维素与半纤维素,木质素综合燃烧特性指数较低,综合燃烧特性相对较差.     

基于Langmuir-Hinshelwood动力学解析O_2/CO_2/H_2O气氛下烟煤焦反应机理

流化床富氧燃烧湿烟气循环兼具经济与环保优势。湿烟气循环(O_2/CO_2/H_2O)条件下煤焦与O_2、CO_2及H_2O的反应同时发生。为探究O_2/CO_2/H_2O气氛下煤焦-O_2、煤焦-CO_2、煤焦-H_2O反应间的相互作用机制,在自制高精度热重实验装置上系统考察了O_2、CO_2、H_2O及其混合气氛下,典型烟煤焦在900℃的反应特性。基于吸附和脱附原理的Langmuir-Hinshelwood (L-H)机理性模型分别计算了烟煤焦与O_2、CO_2和H_2O反应的动力学参数。通过采用单独活性位点与竞争活性位点两种假设分析了O_2/CO_2、O_2/H_2O和CO_2/H_2O气氛下烟煤焦-O_2、烟煤焦-CO_2和烟煤焦-H_2O两两反应间的作用机制,揭示了H_2O分子优先吸附于烟煤焦表面活性位点,O_2分子次之,而CO_2分子相对滞后。O_2/CO_2/H_2O气氛下烟煤焦-O_2、烟煤焦-CO_2、烟煤焦-H_2O反应表现出部分竞争反应活性位点,传统的单独活性位点与竞争活性位点假设均无法准确描述其反应速率特性。基于H_2O分子优先,O_2分子次优先吸附的原理,建立了O_2、CO_2、H_2O混合气氛下煤焦反应速率L-H动力学方程,方程计算结果与实验值良好吻合。研究结果为深入分析煤焦颗粒流化床富氧燃烧特性及构建可靠、准确的燃烧反应模型提供了理论支撑。     

CO_2气氛下生物质焦炭颗粒催化气化表观动力学研究

将催化剂CaO、Fe_2O_3和Na_2CO_3负载至焦炭颗粒内部,利用等温失重法进行焦炭颗粒气化动力学实验,确定CO_2气氛下焦炭气化反应机理函数;并通过SEM和比表面积分析,探究催化剂对焦炭表面和内部形貌的影响。结果表明,在CO_2气氛下,生物质焦炭颗粒气化遵循收缩圆柱体模型,并通过对lnA和活化能(E)线性拟合,遵循动力学补偿效应。三种催化剂都能够增大焦炭的比表面积,对焦炭形貌变化起到不同程度的影响,都能降低气化反应活化能,对反应起到明显的催化作用,其催化作用强弱顺序为Na_2CO_3>CaO>Fe_2O_3。     

不同富氧气氛下焦炭氮转化及原位还原的数值模拟

在焦炭燃烧过程中,焦炭颗粒会对产生的氮氧化物起到一定的异相催化还原作用,但其机理仍不明确。基于焦炭颗粒内部有不同碳基和发达的孔隙结构,根据焦炭颗粒在富氧气氛下燃烧的特性,建立了焦炭氮转化的分子动力学模型和多种气体传质模型。使用FORTRAN语言编程模拟了不同富氧气氛下粒径为100μm的单颗粒焦炭的燃尽过程。结果表明:燃烧初期颗粒内部NO出现短暂的积聚现象,颗粒内部的还原能力较弱,随着反应的进行及温度的升高,还原能力增强,由于缺氧而产生了CO气体,有利于NOx的还原。对比了环境温度为1 200℃时,O2和CO2的体积分数比分别为20∶80,25∶75,30∶70的不同气氛下焦炭颗粒内部NO,CO和N2等气体的体积分数,表明O2和CO2的体积分数比为25∶75的气氛是最佳气氛,既保证了焦炭颗粒的高效燃烧,又有利于增强焦炭颗粒的还原能力。     

煤/生物质流态化富氧燃烧的CO_2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO_2谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO_2体积分数、颗粒燃烧产生CO_2量、CO_2相对生成率等特性的影响。结果表明,在O_2/CO_2燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO_2量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO_2体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO_2的富集,烟气中CO_2浓度、颗粒燃烧产生的CO_2量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO_2浓度和颗粒燃烧产生的CO_2均减少,但CO_2生成速率增加。     

煤粉流态化预热气态组分CO/CO2生成转化特性研究

基于循环流化床预热的燃烧系统是一种新型的清洁燃烧技术,其流态化预热后煤气中CO/CO_2比值对后续燃烧和排放影响较大,研究正确反映CO/CO_2比值的焦炭燃烧模型有助于进一步了解该流态化预热过程。笔者基于燃料流态化预热转化过程,研究典型的预热空气富氧气氛(O_2/N2)、富氧气氛(O_2/CO_2)以及燃料种类变化对预热后气态组分中CO/CO_2生成转化特性的影响,分析现有焦炭燃烧模型与流态化预热过程的匹配程度。试验数据和模型预测对比分析表明,空气富氧气氛下,氧气浓度从21%增至28.2%的过程中,神木半焦流态化预热过程产生的预热气体中CO_2占比减少,CO占比增多,CO/CO_2比值从0.81增至1.45;神木烟煤在该气氛预热时,各参数与神木半焦呈现同样的变化趋势,且随氧气浓度从21.0%增至24.4%,CO/CO_2比值从0.51增至0.76。富氧气氛时神木半焦预热产生的CO与神木烟煤相比产量更高,CO/CO_2比值随氧气浓度增大而增大,但与空气富氧气氛下相比递增幅度较小。神木烟煤预热气体组分CO/CO_2的试验数据与Tognotti提出的焦炭燃烧模型预测值吻合度最高,富氧气氛下试验与预测结果误差在9%以内。     

五彩湾煤在O2/CO2燃烧条件下的积灰特性

锅炉燃用准东煤极易发生严重的受热面积灰结渣等问题,制约了新疆准东地区煤炭资源的大规模利用。在一维沉降炉燃烧与积灰试验系统上,研究了准东五彩湾煤的积灰特性,分析了稀释气体种类、O_2/CO_2燃烧中氧浓度对飞灰沉积的影响。结果表明:在21%氧浓度下,与稀释气体为N_2相比,稀释气体为CO_2时得到的沉积灰颗粒之间黏连现象不明显,积灰倾向较弱; O_2/CO_2燃烧条件下,随着氧浓度提高,五彩湾煤的积灰倾向加重,细散灰颗粒减少,球形灰颗粒比例增加,灰颗粒的黏连现象加重。SEM-EDS分析结果表明:O_2/CO_2燃烧中随氧浓度的提高,沉积灰中的块状灰颗粒表面缩孔及凹坑增多,且灰颗粒表面黏附了白色细散絮状灰,Na和Cl的富集加重,这是造成高氧浓度燃烧受热面积灰加剧的重要原因;稀释气体种类对五彩湾煤积灰倾向的影响研究中,稀释气体为N_2(空气燃烧)时,Na和Cl含量明显高于稀释气体为CO_2(O_2/CO_2燃烧)时的含量。此外,燃烧稀释气体为N_2的沉积灰中还出现了Ca和S元素的富集,高温下CaO与硅铝酸盐发生反应生成低温共熔体,这也是空气燃烧时积灰较O_2/CO_2燃烧严重的重要原因。XRD分析结果在一定程度上佐证了EDS的分析结论,灰分中CaSO_4、NaCl等低熔点物质的富集导致了空气燃烧工况和O_2/CO_2高氧浓度燃烧工况积灰的加剧。燃烧的颗粒温度差异是导致O_2/CO_2燃烧和空气燃烧积灰特性不同的主要原因,也是造成不同氧浓度下O_2/CO_2燃烧积灰特性差异的主要原因。煤燃烧的颗粒温度较高时,煤粉着火、燃烧性能得到改善,更高的颗粒温度会导致烟气中出现更多的熔融灰,灰颗粒表面出现熔融相进而增强了灰表面的黏性,加剧积灰现象。     

低氧气氛下煤粉燃烧特性

为研究煤粉低氮燃烧时CO_2成分在低氧含量气氛下对燃烧的作用,在热重分析仪上进行了煤粉低氧气氛下的燃烧试验。通过模拟真实燃烧反应中的反应气氛,研究了O_2/CO_2混合比例、升温速率对煤粉燃烧特性的影响。结果表明,在O_2/CO_2混合气氛下,温度为1 000℃以内均存在着燃烧反应和气化反应的竞争关系。CO_2含量高时,CO_2与煤粉的气化反应对煤粉燃烧反应抑制程度逐渐增加。O_2/CO_2比例降低,煤粉的燃尽温度升高幅度明显,煤粉难以燃尽;煤粉的点火温度受CO_2含量影响不大;升温速率由10℃/min升至20℃/min对煤粉可燃性和着火稳定性提升明显,20℃/min升至30℃/min影响不大。     

O_2/CO_2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O_2/CO_2燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O_2/CO_2燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O_2/CO_2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明:空气气氛、CO_2气氛及O_2/CO_2气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O_2/CO_2气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O_2浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。     

O_2/H_2O燃烧方式下石灰石的间接硫化反应特性

利用水平管式炉和热重实验台架,对O_2/H_2O、O_2/N_2和O_2/CO_2 3种不同燃烧方式下石灰石的间接硫化反应特性进行了研究。重点探究了燃烧方式、水蒸气浓度对石灰石间接硫化反应的影响规律与机理。同时,对硫化产物进行了X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)、孔结构特性和扫描电镜(SEM)分析。结果表明,O_2/H_2O燃烧方式相比于相同氧浓度下的O_2/N_2和O_2/CO_2燃烧方式,石灰石间接硫化反应的钙转化率在化学反应控制阶段基本相同,在扩散控制阶段O_2/H_2O燃烧方式下的钙转化率有显著的提高。主要原因是水蒸气促进了硫化反应后期产物层内的固态离子扩散。此外,O_2/H_2O燃烧方式下,不同的水蒸气浓度对石灰石的钙转化率基本没有影响。     

载气对两段式干煤粉加压气化炉气化特性的影响

相比于N_2,CO_2作为气化炉煤粉载气会降低合成气中N_2的含量而有利于后续CO_2捕集,但O_2在CO_2中较小的扩散系数会影响焦炭的反应特性,进而影响气化炉运行结果。为此,考虑到气化炉中较高的CO含量及其对煤气化反应的抑制作用,将Langmuir-Hinshelwood动力学模型与缩核模型相结合,提出一个改进的焦炭反应模型,并对两段式干煤粉气化炉内的流场、温度场和组分浓度场进行了模拟分析,结果与实炉实测数据一致。在此基础上,模拟分析了气化炉在不同煤粉载气(N_2、CO_2)、两种二段给煤量下的气化特性。结果表明,煤粉载气由N_2改为CO_2后,由于O_2在CO_2中较低的扩散速率,一段气化室喷嘴区域气体温度和碳转化率降低,该区域CO_2增多对焦炭-CO_2反应的促进作用对提高碳转化率的影响较小;在一段气化室喷嘴区域之上,O_2浓度较低导致O_2扩散性影响减弱,同时CO_2增多促进焦炭-CO_2反应进而提高碳转化率。研究结果还证实,煤粉载气由N_2改为CO_2会促进CO的生成,抑制H_2的生成。     

O_2/CO_2气氛下悬浮态SiO_2对CaCO_3分解影响的实验研究

在空气和O_2/CO_2气氛下,采用悬浮实验平台考察了水泥生料重要要成分SiO_2对生料主要成分CaCO_3分解特性的影响,并求解动力学参数。研究结果表明:在空气气氛下,SiO_2对CaCO_3的分解几乎没有影响。在O_2/CO_2气氛下SiO_2对CaCO_3的分解有较强的抑制作用,分解时间延长,活化能升高。出现抑制的原因可能是在O_2/CO_2气氛下,CaCO_3分解比在O_2/N2气氛中困难,CaCO_3与SiO_2反应生成C2S,堵塞孔隙影响进一步分解。而在空气气氛下CaCO_3分解较为容易,C2S对其影响不明显。     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数:21%、30%和50%,研究了O_2/Ar和O_2/CO_2气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O_2/CO_2气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O_2/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O_2/CO_2燃烧的表观活化能明显低于O_2/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O_2/CO_2气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O_2/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

煤焦在气化合成气中高温气化反应特性

在固定床管式炉反应器中进行了煤焦在H_2O、CO_2、H_2和CO混合气氛中气化特性的实验研究,考察了反应温度、原料气组成和加煤量对产物气组成以及碳转化率的影响。实验结果表明,在各实验条件下,合成气与煤焦反应后CO流量均增加最多,H_2少量增加。煤焦与CO_2的反应受到明显抑制。混合气体通过与煤焦反应可以提高有效气(CO+H_2)的含量,实验条件下反应出口气体中有效气浓度比反应结束时最多提高3.3个百分点。反应速率受气化剂之间的竞争和气化产物的抑制作用较为明显,在1100℃和1300℃时,煤焦在相同气化剂流量的合成气中的最高反应速率分别只有在纯气化剂(水蒸气或CO_2)中最高反应速率的49%和69%。受到多种气体组分之间的相互影响,气体在孔道里的扩散和吸附对反应影响更加显著,随机孔模型可以较好地拟合此类反应,而不考虑孔结构的均相模型和缩芯模型拟合度较差。     

O_2/CO_2气氛下煤中汞的释放特性

在立式管式炉实验装置上研究了O_2/CO_2气氛下煤中汞释放特性,考察了21%O_2/79%N_2和21%O_2/79%CO_2两种气氛下Hg~0(g)的释放特性、富氧气氛下O_2和CO_2浓度对Hg~0(g)释放特性的影响。结果表明:汞质量平衡率为83.75%~114.1%,验证了实验结果的准确性。在250~400℃之间,O_2/N_2气氛中Hg~0(g)的释放浓度高于O_2/CO_2气氛;在400~600℃范围内,O_2/CO_2气氛中Hg~0(g)的释放浓度略高于O_2/N_2气氛;富氧气氛下O_2浓度越高,Hg~0(g)的释放浓度越低,O_2对Hg~0(g)的氧化具有促进作用;富氧气氛下CO_2浓度由0升至30%时,其浓度变化对Hg~0(g)氧化的影响不大,而由30%升至50%时,Hg~0(g)的释放浓度增加,高浓度的CO_2可能会抑制Hg~0(g)的氧化。