富氧燃燒方式下典型煤種的NO釋放特性及其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模擬.pdf

1、煤炭資源在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，然而燃煤過程產(chǎn)生的NOx和CO2卻對人類賴以生存的環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。CO2是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的根源，而NOx更是導(dǎo)致了酸雨沉降。因而解決燃煤發(fā)電造成的污染問題，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。富氧燃燒方式作為一種新型的燃燒技術(shù)，可在將煤炭轉(zhuǎn)化為高品位能源的過程中對多種污染物進(jìn)行一體化脫除，因此開展這方面的研究具有重要的科學(xué)和實(shí)際意義。
　　本文系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外富氧燃燒方式下煤粉的燃燒特性，

2、詳細(xì)介紹該燃燒方式下NOx控制技術(shù)現(xiàn)狀及不足。論文從富氧燃燒方式下?lián)]發(fā)分氮的形成與轉(zhuǎn)化入手，借助于模型化合物吡啶，針對含氮前驅(qū)化合物的生成與控制，系統(tǒng)地研究了揮發(fā)分氮向NO轉(zhuǎn)化的規(guī)律及機(jī)理；隨后針對富氧燃燒方式下反應(yīng)過程較為復(fù)雜的煤焦氮的生成與轉(zhuǎn)化問題，分別研究了煤焦氮的NO釋放規(guī)律及制約NO還原的主要因素，針對煤焦氮轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性，系統(tǒng)的研究了焦結(jié)構(gòu)的演化對其反應(yīng)性和含氮產(chǎn)物釋放的影響，最后建立了富氧燃燒方式下煤氮燃燒的模型。主要內(nèi)容如

3、下：
　　首先利用連續(xù)反應(yīng)器研究了富氧燃燒方式下?lián)]發(fā)分氮的模型化合物吡啶的熱解和燃燒特性，探討了吡啶氮向NO和N2轉(zhuǎn)化規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明吡啶熱解氣體產(chǎn)物CH4、C2H2和HCN隨溫度升高濃度逐漸增加，NH3降低。HCN是吡啶熱解過程中的主要含氮產(chǎn)物。隨著溫度升高，NO的轉(zhuǎn)化率增加，且還原性氣氛下轉(zhuǎn)化率較低，高溫下氣氛之間差別增大。O2/CO2氣氛中存在NO還原的最佳溫度為900℃。O2/Ar氣氛中 NO的轉(zhuǎn)化率高于O2/CO

4、2氣氛，轉(zhuǎn)化率差值隨著氧氣過量系數(shù)增加而增加。相較Sarma08機(jī)理，Terasa09機(jī)理模型很好地模擬O2/CO2氣氛下的吡啶燃燒行為。HNO、NH和NCO自由基對吡啶氮的最終轉(zhuǎn)化起著決定性作用。
　　其次在管式加熱爐上研究了富氧燃燒方式下燃燒工況對煤焦氮的NO轉(zhuǎn)化及NO的異相還原的影響。結(jié)果表明O2/CO2氣氛下煤焦對NO的還原受多方面因素的影響。低階煤對NO還原效果較好。制焦溫度升高降低了煤焦對NO的還原性。高溫條件有利于煤

5、焦對NO的異相還原反應(yīng)的發(fā)生。初始NO濃度升高導(dǎo)致還原反應(yīng)強(qiáng)度增加，煤粉的NO和CO峰值出現(xiàn)時間提前且峰寬減小，而煤焦的CO峰值逐漸降低。適量的CO2和CO濃度對NO的還原有顯著的促進(jìn)作用。不同氣氛下煤焦的NO釋放規(guī)律相似，而煤粉在O2/CO2氣氛中的NO峰值顯著降低。除了O2濃度為10.5％的情況下，O2/CO2氣氛下煤粉的NO釋放量較O2/N2低，而氣氛對煤焦的影響則不明顯。O2濃度升高促進(jìn)了煤焦氮向NO的轉(zhuǎn)化。
　　然后研究

6、了焦的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)對其后續(xù)燃燒反應(yīng)性的影響。富氧燃燒方式下，N2替代為CO2，對焦結(jié)構(gòu)及脫揮發(fā)分過程中氮的前驅(qū)物的形成有著重要影響。結(jié)果表明，煤粉和生物質(zhì)含氮熱解產(chǎn)物主要為HCN和NO。CO2氣氛中，煤粉的HCN釋放推遲，生物質(zhì)的NO釋放量增加；樣品的失重率增加，新的含氧官能團(tuán)被引入焦結(jié)構(gòu)，煤粉的無定形碳結(jié)構(gòu)增加，導(dǎo)致焦樣結(jié)構(gòu)無序化程度升高。CO2氣氛中，煤焦的羥基和烯屬C=C鍵的含量降低，羥基中C-O鍵向醚基結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化且含量增加，生物質(zhì)

7、中氫鍵的斷裂及羥基和脂肪C-H鍵含量增大，煤焦的流動性及孔隙率降低，導(dǎo)致煤焦的塑性降低，生物質(zhì)焦的軟化膨脹變形更為明顯，表面形成了更多寬大的沖擊孔。熱重分析表明CO2氣氛下焦樣反應(yīng)性較高，而燃燒氣氛對反應(yīng)性的影響較小，獲得的反應(yīng)性能夠與拉曼參數(shù)較好關(guān)聯(lián)。
　　最后在沉降爐反應(yīng)器上開展了富氧燃燒氣氛下煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)和模擬研究，建立了煤粉燃燒的化學(xué)動力學(xué)模型。研究表明，氧氣過量系數(shù)從0.8升高到1.2過程中，O2/N2和O2/CO2氣氛

8、中NO轉(zhuǎn)化率分別從0.39和0.20升高到了0.48和0.27，O2/CO2氣氛下降幅最高達(dá)到了約20%，氧化性氣氛下α的變化對O2/N2氣氛下NO轉(zhuǎn)化率影響更為明顯。隨著O2濃度增加或溫度從900℃升高到1200℃的過程中，NO的轉(zhuǎn)化率單調(diào)增加，在1200℃時NO的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值。之后溫度升高NO的轉(zhuǎn)化率反而略有降低。改進(jìn)后的模型能夠很好的模擬氧氣過量系數(shù)和氧氣濃度對煤氮轉(zhuǎn)化的影響，而對溫度影響的模擬效果較差。在無煤焦異相還原的模擬