高濃度煤粉著火低NO-,x-排放特性的機理及試驗研究.pdf

1、煤粉的高效、低污染燃燒一直都是國際社會共同關注的焦點問題，高濃度煤粉燃燒技術雖具有強化穩(wěn)燃和低NO<,x>排放二大特性，但卻缺乏工程推廣應用的理論指導?；谶@樣的工程背景，本文以熱力工況與實際煤粉鍋爐相似的一維沉降爐試驗臺為依托，選取從無煙煤→煙煤→褐煤的電廠典型用煤，借助熱天平、多組分煙氣分析儀、氣相色譜儀、N<,2>吸附儀、SEM電鏡掃描儀與XRD衍射儀等測試手段，通過宏觀測試與微觀分析相結(jié)合的方法，對高濃度煤粉（0.248～2.1

2、36kgc/kga）燃燒過程中C、H、N元素的遷徙特性、中間含氮化合物HCN與NH3的析出特性、NO<,x>的沿程與動態(tài)釋放特性等方面進行了詳細的機理分析及大量的試驗研究。在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過數(shù)理統(tǒng)計、概率論、灰色模糊數(shù)學及運籌學理論，對影響高濃度煤粉著火特性指標的不同影響因子進行了深入的剖析，并建立了高濃度煤粉燃燒條件下的預測模型與最優(yōu)數(shù)學模型。本文的主要研究工作及成果包括： （1）通過熱重-差熱分析方法，在熱天平上對

3、高濃度煤粉的著火特性、熱解特性及動力學參數(shù)進行了研究。煤粉濃度提高，揮發(fā)分的析出溫度和燃盡溫度降低，燃燒反應速度加快，燃盡時間提前，燃燒過程最大反應速率增大，著火溫度降低，活化能減少，煤粉著火提前，改善了煤粉的著火與燃燒特性，每個煤種均存在一個最佳煤粉濃度，最有利于煤粉的著火與燃燒。 （2）系統(tǒng)分析了六種典型煤，在不同煤粉濃度、煤粉粒徑、爐溫、二次風溫和氧量條件下的煙溫分布特性、爐溫動態(tài)變化特性及燃盡特性。煤種揮發(fā)分越高，煙溫增

4、幅越大，最佳煤粉濃度下降。煤粉粒徑減小，煙溫升高，煙溫峰值提前。氧量越高，煙溫增幅越大，但波動越強。煤粉濃度遞增，飛灰含碳量呈上升趨勢，高濃度煤粉燃燒有強化著火與穩(wěn)燃的效果。 （3）全面討論了高濃度煤粉燃燒過程中C、H、N元素的遷徙特性，系統(tǒng)分析了其遷徙特性的影響因素及與NO轉(zhuǎn)化率、燃盡率之間的關系。在C、H、N元素的遷徙過程中，H元素的釋放率最大，而C、N元素釋放率跟煤種有關。低濃度細煤粉有利于C、H元素的遷徙，而高濃度細煤粉

5、有利于N元素的遷徙。在揮發(fā)分中，C、H、N元素的釋放率幾乎不受煤粉濃度的影響。在低濃度區(qū)，煤粉濃度對揮發(fā)分與煤焦的質(zhì)量損失影響較大，而在高濃度區(qū)，揮發(fā)分與煤焦的質(zhì)量損失基本不受煤粉濃度的影響。高濃度下NO的異相催化還原主要來源于含H基團的貢獻，煤粉的燃盡率主要與燃燒過程中C元素的遷徙特性有關。 （4）詳細探討了高濃度煤粉燃燒過程中NO<,x>前驅(qū)體HCN、NH<,3>的析出特性。在燃燒過程中，含氮化合物主要以HCN的形式析出，煤

6、粉濃度越高，HCN、NH<,3>的析出濃度越趨于穩(wěn)定。低揮分煤中HCN與NH<,3>的析出對煤粉濃度不太敏感，而高揮發(fā)分煤中，NH<,3>的 析出受煤粉濃度的影響比HCN更顯著。細顆粒煤粉更容易在高濃度下析出NH<,3>在低濃度下析出HCN，而粗顆粒煤粉更容易在低濃度下析出NH<,3>，在高濃度下析出HCN。在不同煤粉濃度下，NO<,x>轉(zhuǎn)化率主要取決于濃度比NH<,3>/HCN。在高濃度煤粉燃燒過程中，煤的燃盡率主要受HCN析

7、出特性的影響。 （5）宏觀測試了高濃度煤粉燃燒過程中NO<,x>的沿程與動態(tài)釋放特性，并討論了各種氮氧化物、還原性氣體及其它污染性氣體的釋放特性。NO<,x>的沿程釋放與動態(tài)釋放過程均分為三個階段，NO<,x>主要在著火主燃區(qū)產(chǎn)生。煤粉濃度遞增，NO<,x>濃度單調(diào)遞減。煤粉濃度越低，溫度對NO轉(zhuǎn)化率的影響越大，爐溫越高，NO轉(zhuǎn)化率受煤粉濃度的影響越敏感。在高煤粉濃度下，NO<,x>濃度主要取決于揮發(fā)分氮的轉(zhuǎn)化。在產(chǎn)生的各種氮氧化

8、物中，NO的含量占絕對主導地位，其釋放特性對煤粉濃度的影響最敏感。隨煤粉濃度的遞增，NO、N<,2>O、NO<,2>均出現(xiàn)不同程度的下降。在不同爐溫下，NO與N<,2>O產(chǎn)量的總和保持不變。煤粉濃度越高，CO的催化還原優(yōu)勢越明顯，高溫高濃度有利于CO與H<,2>的釋放，而低溫高濃度有利于CH<,4>的釋放。高濃度煤粉燃燒有利于同時脫硫脫硝，在降低NO<,x>排放的同時并沒有引起其它有害氣體的二次污染，是一種非常清潔的燃燒技術，具有推廣應

9、用價值。 （6）微觀解釋了高濃度煤粉燃燒的強化穩(wěn)燃和低NO<,x>釋放特性。高濃度煤粉燃燒有利于微孔的形成、發(fā)展和加速。煤粉濃度遞增，改善了孔隙結(jié)構特性，微孔結(jié)構更發(fā)達，微孔容積與微孔表面積急劇增加，比表面積增大，氣固接觸更充分，孔表面的反應活性位增多，孔隙中的傳熱、傳質(zhì)特性得到改善，化學反應速率加快，分形維數(shù)上升，平均孔徑減小。在低濃度下，有明顯的孔穴合并、崩坍現(xiàn)象，而在高濃度下，有明顯的孔穴堵塞現(xiàn)象，煤粉濃度過低或過高均不利