燃煤化學(xué)鏈燃燒過程中氮氧化物生成及演變機(jī)理研究.pdf

1、化石燃料燃燒是排放CO2的主要來源。在傳統(tǒng)的煤燃燒過程中，煤與空氣直接接觸，導(dǎo)致煙氣中CO2的濃度較低，煙氣中CO2的捕集成本較高?；谘h(huán)載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒通過不同品位能的梯級利用，具有比傳統(tǒng)燃燒方式更高的能源利用效率，而且能夠在燃燒過程中實(shí)現(xiàn)CO2的高濃度富集，是一種尚處于起步階段、具有良好應(yīng)用前景的變革性燃燒方式。它不再直接使用空氣中的氧分子，而是基于循環(huán)載氧體在兩個(gè)反應(yīng)器（空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器）內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧的轉(zhuǎn)移，避免煤與空氣直

2、接接觸。煤在燃料反應(yīng)器內(nèi)燃燒生成CO2和H2O，只需經(jīng)過低能耗的冷凝過程就能實(shí)現(xiàn)CO2的高濃度富集。氮氧化物是燃煤電站主要大氣污染物之一，目前有關(guān)煤化學(xué)鏈燃燒過程中氮氧化物的釋放特性的研究鮮有報(bào)道，且燃料氮在煤化學(xué)鏈燃燒過程中的遷移機(jī)理更是尚未可知。因此，本文圍繞燃煤化學(xué)鏈燃燒過程中氮氧化物生成及演變機(jī)理研究的目標(biāo)，首次針對燃料氮在煤化學(xué)鏈燃燒過程中的遷移機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　首先基于化學(xué)熱力學(xué)分析，研究了不同載氧體對燃料氮遷

3、移機(jī)理的影響，研究表明，載氧體的化學(xué)組成顯著影響煤化學(xué)鏈燃燒過程中燃料氮的轉(zhuǎn)化特性?；阪嚮d氧體，在1kWth串行流化床反應(yīng)器上，將煤化學(xué)鏈燃燒過程中的揮發(fā)分氮和焦氮釋放過程進(jìn)行分隔，針對煤中的揮發(fā)分化學(xué)鏈燃燒階段燃料氮的遷移機(jī)理和釋放特性，以及煤焦與NiO載氧體的固-固反應(yīng)過程中焦氮的釋放特性開展研究。研究表明，在燃料反應(yīng)器內(nèi)，燃料氮釋放的中間產(chǎn)物HCN被NiO載氧體中的晶格氧氧化，導(dǎo)致NO的生成，而中間產(chǎn)物NH3向著N2生成的方向

4、進(jìn)行;在空氣反應(yīng)器內(nèi)，氮氧化物的構(gòu)成主要是燃料型NO，其來源于隨循環(huán)載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器內(nèi)燃燒的燃料反應(yīng)器內(nèi)未轉(zhuǎn)化的焦炭;燃料反應(yīng)器溫度越高，燃料反應(yīng)器內(nèi)焦炭轉(zhuǎn)化的份額越大，隨循環(huán)載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器內(nèi)燃燒的焦炭量越少，空氣反應(yīng)器內(nèi)焦炭燃燒排放的NO越低。
　　在1kWth串行流化床反應(yīng)器上，以南菲赤鐵礦石和紐曼赤鐵礦石作為載氧體，分別開展了20h和40h的長時(shí)間煤化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)研究，研究了不種煤基燃料（神華煙煤、淮北無煙煤、徐州

5、煙煤、煤焦）的化學(xué)鏈燃燒特性，考察了鐵礦石載氧體在串行流化床內(nèi)交替氧化還原過程中的物化性能，以及燃料氮的釋放規(guī)律。研究表明，赤鐵礦石載氧體在長時(shí)間煤化學(xué)鏈燃燒過程中，再生性能優(yōu)良，與煤氣化產(chǎn)物具有較強(qiáng)的親和力，并未發(fā)生明顯的燒結(jié)，體現(xiàn)了良好的抗磨損性能;揭示了燃料反應(yīng)器出口煙氣中未轉(zhuǎn)化的可燃性氣體主要來自于煤中的揮發(fā)分;煤中的揮發(fā)分含量越高，煤顆粒在燃料反應(yīng)器內(nèi)轉(zhuǎn)化的份額越大，CO2捕集效率越高;在燃料反應(yīng)器溫度為880℃～970℃時(shí)，

6、燃料反應(yīng)器出口煙氣未檢測到NO和NO2，僅有微量的N2存在，并且在燃料反應(yīng)器內(nèi)煤中燃料氮轉(zhuǎn)化為N2的比例隨碳捕集效率升高而增加。受煤熱解氣化產(chǎn)物與載氧體的氣-固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率的影響以及化學(xué)熱力學(xué)的制約，燃料反應(yīng)器出口煙氣含有少量的可燃還原性氣體，能夠在燃料反應(yīng)器的稀相區(qū)將NO還原為N2;在燃料反應(yīng)器內(nèi)，煤顆粒和氣化介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)烈的氣化反應(yīng)，形成的煤灰質(zhì)地松軟，比重較輕，漂浮在燃料反應(yīng)器床層上部，被氣流攜帶出燃料反應(yīng)器，煤灰中未完全轉(zhuǎn)化的焦

7、炭，反應(yīng)活性高，能將煙氣中的NO還原為N2。
　　為深入揭示煤化學(xué)鏈燃燒過程中燃料氮的遷移轉(zhuǎn)化行為，在小型單流化床反應(yīng)器上，開展煤揮發(fā)分和焦炭的化學(xué)鏈燃燒研究，探討揮發(fā)分氮和焦氮在化學(xué)鏈燃燒過程中的轉(zhuǎn)化特性，首次提出了基于煤化學(xué)鏈燃燒過程中燃料反應(yīng)器內(nèi)燃料氮轉(zhuǎn)化的多相反應(yīng)機(jī)理，即:在煤化學(xué)鏈燃燒過程中，揮發(fā)分以及焦炭氣化產(chǎn)物與載氧體顆粒接觸，燃料氮轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物HCN和NH3吸附在載氧體顆粒表面，被載氧體晶格氧中的活性O(shè)*原子氧化

8、，實(shí)現(xiàn)燃料氮的非均相轉(zhuǎn)化。
　　化學(xué)鏈氧解耦燃燒是化學(xué)鏈燃燒的一種方式，利用具有釋氧功能的金屬氧化物作為載氧體，載氧體在燃料反應(yīng)器內(nèi)高溫分解，釋放的氧氣和煤進(jìn)行燃燒反應(yīng)。以鈣鋁水泥為惰性載體，采用機(jī)械混合-擠壓成型造粒法，制備了新型CuO載氧體，在小型單流化床反應(yīng)器上，分別考察了煤在空氣燃燒和氧解耦燃燒過程中燃料氮的轉(zhuǎn)化特性，首次揭示了燃料氮在氧解耦燃燒過程中遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理;和常規(guī)的煤流化床燃燒相比，發(fā)現(xiàn)了化學(xué)鏈氧解耦燃燒過程會(huì)導(dǎo)致