煤半焦富氧預(yù)熱燃燒特性及NO_x排放特性試驗(yàn)研究

1、煤/半焦富氧預(yù)熱燃燒特性及NO_x排放特性試驗(yàn)研究我國(guó)以煤炭為主的能源稟賦決定了煤炭的基礎(chǔ)能源地位。煤炭能源的主要利用方式是燃燒發(fā)電,其燃燒發(fā)電量在總發(fā)電量的占比超過(guò)65%。同時(shí),通過(guò)燃燒發(fā)電方式實(shí)現(xiàn)煤炭熱解產(chǎn)生的半焦的高效利用,是低階煤梯級(jí)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）由于其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定且化學(xué)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜等因素,很難得到有效的控制。高濃度的NOx會(huì)引起一系列的大氣污染問(wèn)題，包括光化學(xué)煙霧、酸雨和溫度效應(yīng)等問(wèn)題，同時(shí)也是霧霾的主要成分之一。并且NOx會(huì)引起人體肺部疾病，是一種十分有害的氣體。需要注意的是,在中國(guó),70%的NOx*源于煤炭燃燒。因此,有效控制煤炭和半焦燃燒

2、過(guò)程中的NOx#放勢(shì)在必行。煤炭的富氧（O2/CO2）燃燒技術(shù)可以降低NOx的排放量，且易于分離回收煙氣中高濃度的二氧化碳（CO2）。本論文將在基于循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒技術(shù)的研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究煤/半焦富氧氣氛下的燃燒特性和NOx排放特性。并且利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)固體燃料的MILD（ModerateandIntenseLow-oxygenDilution）燃燒，為煤炭燃燒的超低NOx工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。主要研究工作及結(jié)論如下:（1）空氣氣氛中煤/半焦均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的預(yù)熱燃燒過(guò)程。在預(yù)熱過(guò)程中,燃料碳部分轉(zhuǎn)化為可燃碳基氣體,部分與氧氣燃燒反應(yīng)放熱維持循環(huán)流化床的溫度。高溫預(yù)熱煤氣成分主要包括N2、CO

3、2COH2和CH4在預(yù)熱過(guò)程中氮元素的釋放率超過(guò)50%,這表明預(yù)熱過(guò)程和燃燒過(guò)程的燃料氮遷移轉(zhuǎn)化路徑對(duì)于NOx排放都十分重要。循環(huán)流化床內(nèi)的強(qiáng)還原性氣氛使得更少的燃料氮流入下行燃燒室內(nèi)，有助于實(shí)現(xiàn)低的NOx排放。并且可以通過(guò)改變二次風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)和將燃盡風(fēng)配風(fēng)位置遠(yuǎn)離噴口的方式來(lái)繼續(xù)降低NOx煙煤和半焦的NO>#放可低至151mg/m3(6%O抑140mg/m3(6%O加時(shí)保持高的燃燒效率(高于96%(2)富氧空氣(O2/N2)氣氛中氧氣濃度對(duì)于煤/半焦預(yù)熱特性的影響規(guī)律表明,在保證各級(jí)配風(fēng)氧氣體積流率不變的前提下,增加一次風(fēng)的氧氣濃度,可以增加循環(huán)流化床的溫度和燃料顆粒的反應(yīng)停留時(shí)間,最終

4、增強(qiáng)循環(huán)流化床內(nèi)的還原性氣氛。同時(shí),預(yù)熱過(guò)程中燃料氮被還原成氮?dú)獾谋壤S之增加。對(duì)比空氣燃燒工況,當(dāng)循環(huán)流化床內(nèi)的局部氧氣濃度升高時(shí)，NO排放量大幅度地降低。然而，隨著下行燃燒室內(nèi)的氧氣濃度升高，NO排放量會(huì)升高。當(dāng)同時(shí)增加循環(huán)流化床和下行燃燒室內(nèi)的氧氣濃度時(shí),NO的排放量仍然會(huì)低于空氣工況。燃料燃燒效率的變化趨勢(shì)與溫度的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)二次風(fēng)氧氣比例增加和將燃盡風(fēng)配風(fēng)位置下移或由單層配風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層配風(fēng)時(shí)，NO排放量下降。(3)富氧(O2/CO2)氣氛中基于循環(huán)流化床預(yù)熱技術(shù)采用中心位置的二次風(fēng)噴口可以實(shí)現(xiàn)半焦和煙煤的MILD燃燒。這種氣固混合模式表明，固體燃料MILD燃燒的本質(zhì)是顆粒燃燒反應(yīng)

5、分散到反應(yīng)器中的整個(gè)低氧空間，其中在O2/CO2H氛下更容易建立焦炭的MILD燃燒。在MILD燃燒工況下，焦炭燃燒無(wú)明顯的火焰鋒面，溫度分布均勻并可以保持高的燃燒效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了煤/半焦的清潔和高效燃燒。半焦MILD燃燒時(shí)，與有焰燃燒相比，NO排放量可減少50%而煙煤富氧預(yù)熱燃燒時(shí)，預(yù)熱煤氣中較高濃度的CO,H2和CH4已經(jīng)促使燃燒室燃燒器出口附近還原氣氛增強(qiáng)，此時(shí)建立MILD燃燒對(duì)增強(qiáng)還原氣氛的效果變?nèi)?。因此，煙煤MILD燃燒時(shí)NO#放量幾乎不變。在固體燃料MILD燃燒條件下,通過(guò)合理安排燃盡風(fēng)位置可使還原區(qū)域擴(kuò)大,可進(jìn)一步減少N3F放。(4)氧氣分級(jí)配風(fēng)方式對(duì)于煤/半焦預(yù)熱燃燒時(shí)N3F放的影響研究表明,隨著一次風(fēng)氧氣濃度的增加,預(yù)熱溫度升高,燃料中各組分釋放率增加,其中氮元素的釋放率高于0.40(40%)。隨著一次風(fēng)氧氣濃度的增加,燃料氮被還原成氮?dú)獾谋壤黾?達(dá)到30.0%以上。COWH2濃度隨著一次風(fēng)氧氣濃度的增加而增加，此變化有利于下行燃燒室燃料的穩(wěn)定燃燒。此外,增加一次風(fēng)和二次風(fēng)的氧氣濃度以及降低燃盡風(fēng)的氧氣濃度都可以