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。     

O2/CO2气氛煤焦的燃烧及其孔隙结构变化

采用热力工况与实际煤粉炉相近的沉降炉实验装置,制备了不同环境气氛下(O2/N2及O2/CO2气氛)、不同燃尽率的煤焦试样,并采用低温氮吸附仪和扫描电子显微镜测定了其孔隙结构和表面形貌.结果表明,在相同的操作条件下,相同O2浓度的O2/CO2气氛下煤焦的燃烧速率较慢、燃尽率较低,各试样的孔比表面积和比孔容积均较小.两种气氛下燃尽过程孔结构参数(SBET和VBJH)均呈减小趋势,且在孔径变化较明显的区域内(<5 nm)在CO2气氛下煤焦的孔径分布较小且与煤种相关.SEM图像显示CO2气氛下的煤焦表面致密,孔隙较少,其定性结果与N2吸附法的定量测量结果吻合较好.     

基于Langmuir-Hinshelwood动力学解析O2/CO2/H2O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（O₂/CO₂/H₂O）条件下煤焦与O₂、CO₂及H₂O的反应同时发生。为探究O₂/CO₂/H₂O气氛下煤焦-O₂、煤焦-CO₂、煤焦-H₂O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O₂、CO₂、H₂O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O₂、CO₂和H₂O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O₂/CO₂、O₂/H₂O和CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂和烟煤焦-H₂O两两反应间的作用机制,揭示了H₂O分子优先吸附于烟煤焦表面活性位点,O₂分子次之,而CO₂分子相对滞后。O₂/CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂、烟煤焦-H₂O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H₂O分子优先,O₂分子次优先吸附的原理,建立了O₂、CO₂、H₂O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。     

随机孔模型研究煤焦O2/CO2燃烧动力学特征

在热重分析仪上对焦作无烟煤焦和云浮烟煤焦O₂/CO₂条件下燃烧特性进行研究。确定在不同温度下不同煤焦O₂/CO₂燃烧的特征。利用随机孔模型(RPM)表征两种煤焦反应速率与碳转化率的关系,同时与未反应缩核模型(Model Ⅰ)和混合模型(Model Ⅱ)的拟合结果进行比较。研究表明,在不同反应条件下,随机孔模型具有最佳的拟合效果,相关系数都在0.986以上。比较RPM、ModelⅠ和Model Ⅱ计算结果发现,焦作无烟煤焦的O₂/CO₂等温燃烧的活化能比云浮烟煤焦的高,且同一煤种燃烧反应温度越高反应速率常数越大。由于随机孔模型的结构参数ψ可以很好地表现孔结构变化对煤焦燃烧反应的影响,因此随机孔模型能更加准确地描述煤焦O₂/CO₂燃烧特征。     

O2/N2、O2/CO2和O2/CO2/NO气氛下煤粉燃烧NOx排放特性

利用滴管炉研究了O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/CO₂/NO气氛下煤燃烧过程中NO_x的排放特性。实验结果表明,在O₂/N₂和O₂/CO₂气氛下,高温或高O₂浓度均使NO排放量增加。O₂/CO₂气氛下NO排放量比O₂/N₂气氛下NO排放量低大约30%～40%。在O₂/CO₂/NO气氛下,温度不同时,O₂浓度变化对NO排放量的影响规律不同,对循环NO降解的影响规律也不同。高温不利于循环NO降解。随停留时间的延长NO排放量出现两个峰值。     

O_2/CO_2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O_2/CO_2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O_2/CO_2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100μm的焦炭颗粒在O_2/CO_2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O_2/CO_2气氛下焦炭颗粒的燃烧特性有着良好的适应性。     

煤在O2/CO2中燃烧的Nox释放规律

利用一维沉降炉,对3种煤在O₂/CO₂和空气两种气氛下燃烧NO_x析出特性进行了比较,分析了炉膛温度、过量空气系数对NO_x生成量的影响,并对O₂/CO₂气氛下NO_x的生成和破坏机理进行了分析.研究发现两种气氛下NO_x都有一个峰值出现,挥发分含量高的煤种峰值靠前, 挥发分含量低的煤种峰值靠后,O₂/CO₂条件下,峰值出现较空气条件下提前且有所下降;空气条件下NO_x的生成量随温度提高较快地增加,而O₂/CO₂气氛中NO_x的生成量随温度变化比较缓慢;在两种气氛下NO_x的峰值均随过量空气系数的增加而增加,高挥发分煤在O₂/CO₂气氛下NO_x峰值低于空气条件下峰值,而低挥发分煤则受影响较小.     

O2/CO2气氛煤焦的燃烧及其孔隙结构变化

采用热力工况与实际煤粉炉相近的沉降炉实验装置,制备了不同环境气氛下（O₂/N₂及O₂/CO₂气氛）、不同燃尽率的煤焦试样,并采用低温氮吸附仪和扫描电子显微镜测定了其孔隙结构和表面形貌。结果表明,在相同的操作条件下,相同O₂浓度的O₂/CO₂气氛下煤焦的燃烧速率较慢、燃尽率较低,各试样的孔比表面积和比孔容积均较小。两种气氛下燃尽过程孔结构参数（SBET和VBJH）均呈减小趋势,且在孔径变化较明显的区域内（<5 nm）在CO₂气氛下煤焦的孔径分布较小且与煤种相关。SEM图像显示CO₂气氛下的煤焦表面致密,孔隙较少,其定性结果与N₂吸附法的定量测量结果吻合较好。     

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。     

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。     

煤粉在富氧气氛下燃烧反应动力学的实验研究

在同步热分析仪上分别对年轻褐煤(小龙潭煤)和烟煤(富源煤)进行了不同O2含量下的O2/CO2燃烧特性实验,确定其燃烧特性参数及动力学参数. 结果表明,随氧气浓度从21%增大到80%(j),小龙潭年轻褐煤和富源烟煤的着火温度分别从591.65和756.15 K降到561.55和722.45 K,燃尽温度分别从898.75和984.95 K降到721.05和872.45 K,燃烧时间缩短,综合燃烧特性指数增大,煤粉的频率因子呈上升趋势,小龙潭年轻褐煤的活化能增大,高温段富源烟煤在氧气浓度达30%(j)及以上时活化能变化趋于平缓,后者的反应活化能和频率因子高于前者. 在不同氧气浓度下,两种煤粉的活化能E和频率因子A之间存在动力学补偿效应.     

O2/H2O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O₂/H₂O、O₂/N₂和O₂/CO₂ 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,O₂/H₂O燃烧方式相比于相同氧浓度下的O₂/N₂和O₂/CO₂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O₂/H₂O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,O₂/H₂O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。     

Numerical Analysis on the Characteristics of Soot Particles in C2H4/CO2/O2/N2 Combustion

The purpose of this study is to investigate the characteristics of soot particles in C₂H₄/CO₂/O₂/N₂ combustion at equivalence ratio of 3.0-5.0. As the oxidant is switched from conventional air to CO₂/O₂/N₂ mixture, the key species C₂H₂, C₃H₃ responsible for formation of first aromatic ring, the typical aromatics and 4-ring aromatics total production rate all decrease greatly. In addition, with CO₂ mole fraction from 0.2 to 0.5 in the mixture, the soot particle number density, volume fraction, surface area density, which are three most important parameters to soot particle property, are suppressed obviously. Furthermore, the increasing content of CO₂ in the oxidizer influences mostly H, OH radical concentrations by two reactions: CO+OH=CO₂ H and H+O₂=O+OH, and the production rate of H, OH from the two reactions declined, which revealed that CO₂ in mixture has an inhibiting effect on soot particle generation.     

O2／CO2燃烧技术研究进展

O2／CO2燃烧技术不仅有效收集烟气中的CO2,还能减少NOx和SO2的排放,是一种新型的洁净煤燃烧技术。介绍了其应用、发展历程以及在燃烧、传热和污染物排放的研究进展,指出了这一技术领域中存在的问题,并对下一步的研究方向给出了建议。     

O2/CO2气氛下煤燃烧SO2/NO析出特性

在水平管式炉上研究了O₂浓度、CO₂浓度、温度及石灰石添加等各参数对O₂/CO₂气氛下徐州烟煤和龙岩无烟煤燃烧过程中SO₂/NO排放特性的影响。结果发现,O₂/CO₂气氛下,烟煤和无烟煤燃烧SO₂/NO的析出规律与空气气氛下不同,同等O₂浓度下析出量比空气气氛下小。O₂/CO₂气氛下,随着O₂浓度的提高,烟煤和无烟煤SO₂/NO排放量均增大;随着CO₂浓度的升高, SO₂/NO排放量均减小。O₂/CO₂气氛下,石灰石添加对SO₂排放的抑制作用低于空气气氛下;石灰石添加对NO的排放有一定减排作用。对煤灰的元素分析显示O₂/CO₂燃烧对SO₂的抑制主要是由于煤灰的自固硫能力增强,而对NO的减排作用则是促进燃料N向其他含N气体的转换。     

Coal combustion in O2/CO2 mixtures compared with air

As part of CO₂ abatement strategies for climate change, we are investigating coal combusion behaviour in various O₂/CO₂ mixtures and in air. The goal is to simulate conditions of coal combustion with flue gas recirculation in order to maximize the CO₂ concentration in the flue gas prior to its recovery. A western Canadian sub‐bituminous coal and a U.S. eastern bituminous coal were investigated. Thermal input was set at 0.21 MW with a flue gas oxygen concentration of 5 vol%. Experiments were done using various O₂/CO₂ mixtures and air. The oxygen concentration ranged from 21% to 42%. Up to 95% CO₂ concentrations were achieved in the flue gas. This paper describes experimental results in terms of flame temperatures and pollutant emissions (NO_x', SO₂ and CO).     

负载型K2CO3/Al2O3吸收剂吸收CO2反应机理

利用热重分析仪、扫描电镜和氮吸附仪对不同粒径的K₂CO₃颗粒和负载型K₂CO₃/Al₂O₃二氧化碳吸收剂的碳酸化特性进行研究。负载后的吸收剂比表面积和孔隙结构得到较大改善,使得碳酸化反应速率和转化率均提高,吸收剂碳酸化特性得到改善。纯K₂CO₃颗粒吸收剂的反应速率和转化率随着粒径的增加而减小,负载型吸收剂的反应速率和转化率随着粒径的增加略增大。研究了不同粒径和反应时间对K₂CO₃/Al₂O₃颗粒微观结构的影响,结果表明K₂CO₃/Al₂O₃颗粒具有较稳定的微观结构。采用负载型粒子模型对K₂CO₃/Al₂O₃吸收剂吸收CO₂碳酸化过程进行研究,所建立的粒子模型计算结果与试验值吻合较好。利用建立的模型对不同CO₂浓度下K₂CO₃/Al₂O₃吸收剂碳酸化反应特性进行模拟计算,模拟结果具备一定的合理性和准确性,为开展进一步研究提供了基础。     

富氧气氛下升温速率对煤燃烧及动力学的研究

在同步热分析仪上对小龙潭褐煤进行了不同升温速率(5K/min,10K/min和20K/min)下的O2/CO2燃烧特性实验,确定不同升温速率下煤粉的燃烧特性参数及动力学参数.实验结果表明,随着升温速率的增大,煤粉的TG曲线和DTG曲线均向低温区偏移,煤样的着火温度和燃尽温度升高,燃烧时间延长,可燃性指数和综合燃烧特性指数增大,同时,反应动力学参数随升温速率的变化而不同,频率因子呈上升趋势.