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加压富氧燃烧下SO_3生成特性的动力学机理研究

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工程热物理学报 2017年第6期38卷 1357-1361页

作者：王学斌刘梓晗韩旭陈义龙谭厚章 Richard L.Axelbaum 生物质热化学技术国家重点实验室武汉430223 西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室西安710049 圣路易斯华盛顿大学能源环境化工系洁净煤利用中心美国63130

加压富氧燃烧技术由于受燃烧压力和烟气再循环富集SO_2的影响,烟气中SO_3的形成存在加剧的风险。本文通过详细化学反应机理和热力学平衡计算,对0.1~2.5 MPa范围内加压富氧燃烧条件下一些关键因素对SO_3形成的影响进行分析。研究结果表明... 详细信息

加压富氧燃烧技术由于受燃烧压力和烟气再循环富集SO_2的影响,烟气中SO_3的形成存在加剧的风险。本文通过详细化学反应机理和热力学平衡计算,对0.1~2.5 MPa范围内加压富氧燃烧条件下一些关键因素对SO_3形成的影响进行分析。研究结果表明;加压燃烧显著缩短2SO_2+O_2→2SO_3总包反应体系达到平衡的时间,并促进了SO_3的生成量,压力从0.1 MPa.提高到1.5MPa,对应的SO_3浓度升高到4倍,酸露点温度升高71℃。在高温火焰区(T≥1473K),0.1~2.5 MPa压力范围下,反应体系的平衡时间在1~100 mS的量级,SO_3的生成率在0~6.5%;而在后火焰区(T≤1273 K),反应速率较慢,反应体系的平衡时间在1~1000 s的数量级。通过对火焰区SO_3生成特性的热力学平衡评估发现SO_3的生成量分别与SO_2和O_2的浓度呈1和0.5次方的关系。

关键词：加压富氧燃烧 SO3 详细反应机理热力学动力学

煤颗粒固定床加压富氧燃烧特性及污染物生成试验研究

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东南大学学报（自然科学版） 2019年第1期49卷 164-170页

作者：谌伊竺邵应娟钟文琪东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室南京210096

为研究煤加压富氧燃烧及其污染物生成特性,建立了加压水平管式炉富氧燃烧实验系统.以山西浑源烟煤为实验原料,探究了不同燃烧压力(0.1～0.9 MPa)和不同气氛(空气以及O_2浓度分别为21%,26%,31%,36%,41%的O_2/CO_2气氛)对煤加压富氧燃烧... 详细信息

为研究煤加压富氧燃烧及其污染物生成特性,建立了加压水平管式炉富氧燃烧实验系统.以山西浑源烟煤为实验原料,探究了不同燃烧压力(0.1～0.9 MPa)和不同气氛(空气以及O_2浓度分别为21%,26%,31%,36%,41%的O_2/CO_2气氛)对煤加压富氧燃烧过程的燃烧特性以及污染物生成的影响.结果显示,与空气燃烧相比,O_2/CO_2气氛下煤燃烧时间增加;随着O_2浓度的增加,煤燃烧时间缩短;升高反应压力,煤燃烧速率增大且增幅逐渐减小;随着反应压力的提高NO_x生成量逐渐减少,O_2/CO_2气氛下NO_x生成量小于空气气氛下NO_x生成量,随着O_2浓度增加,NO_x生成量增加;压力升高导致SO_2生成量明显减少,O_2/CO_2气氛下SO_2生成量小于空气气氛下SO_2生成量,SO_2生成量随着O_2浓度增加而增多.

关键词：煤燃烧加压富氧燃烧燃烧特性污染物加压管式炉

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加压富氧燃烧电厂热力系统集成与优化

加压富氧燃烧电厂热力系统集成与优化

作者：虞然东南大学

学位级别：硕士

富氧燃烧是当前锅炉电站中捕集二氧化碳的最有前景的技术之一,O/CO的燃烧氛围下有利于烟气中CO的富集,同时有助于抑制NO的生成。O/HO富氧燃烧系统作为新型富氧燃烧技术,通过回收烟气中的冷凝水来调节炉膛燃烧温度,避免了烟气中杂质气体... 详细信息

富氧燃烧是当前锅炉电站中捕集二氧化碳的最有前景的技术之一,O/CO的燃烧氛围下有利于烟气中CO的富集,同时有助于抑制NO的生成。O/HO富氧燃烧系统作为新型富氧燃烧技术,通过回收烟气中的冷凝水来调节炉膛燃烧温度,避免了烟气中杂质气体的富集,并且用冷凝水代替烟气使得系统的布置更简单、紧凑。加压富氧燃烧是近年来提出的新技术,在常压富氧燃烧的基础上,回收了烟气中水蒸气的潜热,提高系统的整体效率。为证明加压富氧燃烧技术的应用前景,需要将加压系统与常压系统进行比较,通过热力学分析对常压和加压下的O/CO和O/HO系统进行研究和评价。本文以传统的燃煤电站为基础,在Aspen Plus上进行模拟,并增加了空气分离装置(ASU)和CO压缩净化装置(CPU),构建600MW超临界O/CO和O/HO富氧燃烧系统。对常压和加压下的系统进行灵敏度分析,在边界条件相同时,研究炉膛燃烧温度、燃烧压力、漏风、循环方式、循环设备升压等对系统性能的影响。回收了ASU和CPU的压缩功以及排烟余热,作为ASU、CPU和烟气加热器取代原本的给水加热器,用来加热低温给水,从而减少汽轮机抽汽、提高系统效率。余热回收的效果受到三股余热加热器的布置方式的影响,通过模拟多种布置方式,找出最佳的优化方案。对常压O/CO、常压O/HO、加压O/CO和加压O/HO四种富氧燃烧系统的研究结果表明,在相同的边界条件下,基准工况的系统净效率与炉膛燃烧温度正相关,与漏风和循环设备升压负相关。对于O/CO系统,湿式循环的系统效率略高于干式循环。对加压系统的燃烧压力进行研究,在10bar的范围中,系统的净功率先增加后减小,在10bar左右达到最大值。对四种富氧燃烧系统的基准工况进行余热回收,优化后的加压湿式循环O/CO富氧燃烧系统的净效率最高,达到了35.93%。尽管加压O/HO系统效率次之为34.44%,但是换热面积最小,拥有经济成本较低的优势,仍然有着较大的优化空间和广阔的应用前景。

关键词： CO2捕集 O2/CO2富氧燃烧 O2/H2O富氧燃烧加压富氧燃烧余热回收

生物质混煤加压富氧燃烧SO2生成机理及积灰特性研究

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生物质混煤加压富氧燃烧SO2生成机理及积灰特性研究

作者：卢昌杰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

温室效应对人类生存环境构成巨大的挑战,寻求有效的CO捕集技术是减缓温室效应改善气候环境的重要方法。生物质混煤加压富氧燃烧技术集成了生物质能利用、加压富氧燃烧技术的优势,是一项具有较好前景的CO捕集技术。然而燃料在加压富氧燃... 详细信息

温室效应对人类生存环境构成巨大的挑战,寻求有效的CO捕集技术是减缓温室效应改善气候环境的重要方法。生物质混煤加压富氧燃烧技术集成了生物质能利用、加压富氧燃烧技术的优势,是一项具有较好前景的CO捕集技术。然而燃料在加压富氧燃烧过程中由于生物质的掺混和燃烧压力的升高,燃料中SO的排放及成灰特性相对于常压富氧燃烧时发生了改变,为了探究燃烧压力、生物质掺混比和燃烧气氛对加压富氧燃烧过程中SO的生成机理及积灰特性的影响,本文从动力学和热力学两个角度借助Chemkin和Fact Sage软件对燃烧过程进行相关的数值模拟,旨在获得生物质混煤加压富氧燃烧过程中SO的排放规律及积灰特性,为生物质混煤加压富氧燃烧技术的实际应用提供理论参考和技术支持。研究了加压富氧燃烧过程生物质混煤中SO的生成机理。随着燃烧压力提高,SO排放速率和总的排放量降低。生物质的掺混一定程度上抑制SO的析出,生物质掺混比越大,烟气中SO的总排放量越低。在21%O/79%CO气氛下的SO排放速率和总排放量稍低于空气气氛,提高O/CO气氛中氧气浓度SO的排放速率和排放量显著增高。基于上述研究结果,利用生成速率(ROP)方法分析得知,当燃烧压力由0.1 MPa提高到1.6 MPa,SO总排放量的减少是由八个主要基元反应共同作用的结果,并明确了生物质混煤加压富氧燃烧过程硫元素迁移的主要反应路径。考察了加压富氧燃烧过程生物质混煤中钾向气相KSO的转化特性并分析加压前后KSO的生成路径。提高燃烧压力可以抑制气相KSO的生成,降低KSO的排放量。KSO排放量随着掺混比的增大而增大。在21%O/79%CO气氛下的KSO总排放量与空气气氛下差别不大,气氛的改变对KSO的生成影响较小,提高O/CO气氛中氧气浓度KSO排放量降低。由ROP分析得知,压力的改变影响KO的生成,使得加压前后涉及KSO转化的主要基元反应不同,其主要的转化路径相应也发生改变。探究了加压富氧燃烧过程生物质混煤中灰分沉积特性。不同燃烧压力、燃烧气氛和掺混比下,灰中矿物种类没有明显变化,但各组分含量有所差别。压力的提高抑制Ca SO的分解,从而减少黄长石和镁硅钙石的含量,同时也会降低KAl SiO的生成;掺混比主要影响Ca SO和KAl SiO的生成,对其他矿物相没有太大影响;富氧气氛会抑制KAl SiO生成和Ca SO的分解。

关键词：加压富氧燃烧生物质二氧化硫排放积灰特性 Chemkin模拟

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聚光加热方式下煤颗粒加压富氧燃烧特性研究

聚光加热方式下煤颗粒加压富氧燃烧特性研究

作者：闫华青华中科技大学

学位级别：硕士

富氧燃烧技术被认为是最有潜力的CO捕集技术之一,加压富氧燃烧技术由于具有发电效率高、污染物排放低等优势,被认为是一种更加高效清洁的二代富氧燃烧技术。受限于实现高温高压条件的实验台架搭建困难,目前对于煤颗粒在高升温速率、较... 详细信息

富氧燃烧技术被认为是最有潜力的CO捕集技术之一,加压富氧燃烧技术由于具有发电效率高、污染物排放低等优势,被认为是一种更加高效清洁的二代富氧燃烧技术。受限于实现高温高压条件的实验台架搭建困难,目前对于煤颗粒在高升温速率、较宽压力范围内的燃烧特性实验研究相对较少。本文自主搭建了一套加压聚光光热快速升温实验台架,可以实现热解和燃烧过程中颗粒形态、温度、燃烧动态图像、产气信息等多参量实时测量。详细考察了红沙泉(HSQ)和五彩湾(WCW)两种煤的加压热解以及加压富氧燃烧特性,从而更深层次理解和掌握加压富氧燃烧的反应历程,为增压富氧燃烧锅炉设计提供重要的理论基础。热解是燃烧过程的第一步,首先在搭建好的加压聚光光热快速升温实验平台上制备了不同压力(0.1～1.5 MPa)以及热解气氛(N、CO)的煤焦,研究了压力以及热解气氛对于煤焦的结构特性以及其燃烧反应性的影响。结果发现,随着压力的增加,N气氛下焦产率增加,CO气氛下焦产率下降。CO气氛下制备的HSQ煤焦比表面积在常压0.1 MPa和1.5 MPa条件下分别是N气氛下制备煤焦的6.46和9.03倍。随着压力的增加,两种气氛下制备的煤焦的化学结构都趋于更加稳定,这也使得高压下制备煤焦的燃烧反应性有所下降。相同压力下,CO气氛下制备的HSQ煤焦的芳香化程度高于N气氛制备的HSQ煤焦,高压下由于CO与焦炭的气化反应增强,对无定形碳的消耗增多,这种差异更明显。但是由于物理孔隙结构差异的主导作用,使得CO气氛下制备的HSQ煤焦燃烧反应性更好。煤焦的燃烧反应性受煤焦物理结构和化学结构共同影响。随后研究了压力(0.1～2.5 MPa)、氧气浓度(21%～40%)以及气氛条件对于煤颗粒富氧燃烧着火特性及气体释放特性的影响。不同实验工况观察到三种不同的着火模式,分别为焦炭的异相着火(模式1),挥发分的均相着火(模式2),煤颗粒的均相异相联合着火(模式3)。随着压力以及氧气浓度的提高,颗粒的着火模式呈现模式1→模式2→模式3的演变趋势,着火模式发生转变的压力值随着氧气浓度的增加而减小。在O/CO=30%/70%和O/N=30%/70%气氛条件下,随着压力的增加,煤颗粒的着火时间和燃尽时间均减小,同时着火模式呈现模式1→模式2→模式3的转变,且颗粒的最大膨胀比逐渐增加。但是当压力大于1 MPa时,着火时间基本不变,着火模式保持为模式3,着火模式与着火时间随压力的变化具有一致性。相比O/N气氛条件,O/CO气氛条件下由于气化反应对碳的消耗会使得颗粒的燃尽更快。无论是O/CO气氛和O/N气氛,提高压力都可以大大降低烟气中NO的排放,但是O/CO气氛下NO的排放更低。最后在不同压力(0～1 MPa)下,研究了气体流速对煤颗粒富氧燃烧特性的影响。结果发现,气体流速对于煤颗粒着火机理的影响主要体现在低压条件下,在高压条件下颗粒的着火机理主要受氧气浓度影响。低压下,随着气体流速的增加,颗粒着火会有所提前,而在高压条件下,颗粒的着火时间则随着气体流速的增加而增加。低氧浓度时,气体流速的增加会使得焦炭不完全氧化增加,CO生成增加,促进NO和CO/焦炭的还原;而对于高氧气浓度,流速的增加则相应减少烟气停留时间,导致NO和CO/焦炭的还原受到抑制。

关键词：加压富氧燃烧加压热解燃烧反应性着火模式 NO排放

基于全光谱关联k分布模型的加压富氧燃烧烟气辐射特性研究

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节能技术 2022年第3期40卷 201-206页

作者：周希梁财教育部热能转换与控制重点实验室东南大学能源与环境学院江苏南京210096

在加压富氧燃烧中,烟气介质的热辐射是炉膛中换热的主要形式之一。气体与粒子的非灰辐射特性导致辐射换热研究需要耗费过多的计算资源,加剧了燃烧、流动及传热多场耦合的难度,忽略气体与粒子非灰特性的双灰体假设模型的计算精度不能满... 详细信息

在加压富氧燃烧中,烟气介质的热辐射是炉膛中换热的主要形式之一。气体与粒子的非灰辐射特性导致辐射换热研究需要耗费过多的计算资源,加剧了燃烧、流动及传热多场耦合的难度,忽略气体与粒子非灰特性的双灰体假设模型的计算精度不能满足辐射传热研究要求。全光谱关联k分布模型(Full Spectrum Correlated k-distribution,FSCK)兼顾精度和效率,在非等温非均匀介质的辐射传热中具有很高的应用前景。本文在全光谱关联k分布模型的基础上,结合加压富氧燃烧下的烟气特性,构建适用于加压富氧燃烧气氛下的FSCK气体辐射模型及数据库,并将该模型下的辐射换热计算结果与逐线法及灰气体加权和模型进行比对,对加压富氧燃烧下气体介质的辐射换热特性进行研究;对于吸收散射性介质,将气体与粒子的非灰辐射特性参数进行归一化处理,结合气体FSCK模型与粒子Mie理论,建立了吸收散射性介质全光谱关联k分布计算模型,探究了加压富氧燃烧下包含飞灰颗粒的烟气辐射传热特性。

关键词：加压富氧燃烧辐射传热气体辐射全光谱关联k分布模型粒子辐射

生物质混煤加压富氧燃烧SO_(2)的排放特性

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杭州电子科技大学学报（自然科学版） 2023年第5期43卷 44-50页

作者：卢昌杰刘彦廉盟杭州电子科技大学机械工程学院浙江杭州310018 杭州电子科技大学理学院浙江杭州310018

作为一项可减少温室气体排放的先进、高效碳捕集技术,加压富氧燃烧已引起世界性的关注。以山西煤和麦秆为原材料,借助Chemkin软件探究不同掺混比(生物质占比分别为0、10%、30%、50%)、不同气氛(空气以及O_(2)浓度分别为21%、30%、40%、... 详细信息

作为一项可减少温室气体排放的先进、高效碳捕集技术,加压富氧燃烧已引起世界性的关注。以山西煤和麦秆为原材料,借助Chemkin软件探究不同掺混比(生物质占比分别为0、10%、30%、50%)、不同气氛(空气以及O_(2)浓度分别为21%、30%、40%、50%的O_(2)/CO_(2)气氛)和不同燃烧压力(0.1~4.0 MPa)对生物质混煤加压富氧燃烧过程中SO_(2)生成的影响。结果显示:不同掺混比,SO_(2)析出程度存在明显差异,随着生物质掺混比例的增大,SO_(2)释放速率减小,总的排放量降低;随O_(2)浓度增加,SO_(2)的释放速率和排放量均增加,在相同O_(2)浓度时,O_(2)/CO_(2)气氛下SO_(2)的排放量略小于空气气氛下;在富氧气氛下,随着燃烧压力的升高,SO_(2)生成量逐渐减少。同时利用生成速率(ROP)分析得知,当燃烧压力由0.1 MPa提升到1.6 MPa,SO_(2)总生成量的减少是由八个主要基元反应共同作用的结果,并预测了在加压富氧条件下生物质混煤中硫转化的主要反应路径。

关键词：加压富氧燃烧生物质二氧化硫排放 Chemkin

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加压循环流化床富氧燃烧中试研究

洁净煤技术 2021年第2期27卷 225-230页

作者：孔润娟李伟任强强刘志成中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

二氧化碳捕集和封存技术(CCUS)是减少温室气体排放,实现全球环境可持续发展的有效技术手段。加压富氧燃烧技术是一种低成本CCUS技术。循环流化床燃烧技术(CFB)是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一,加压循环流化床富氧燃烧耦合了... 详细信息

二氧化碳捕集和封存技术(CCUS)是减少温室气体排放,实现全球环境可持续发展的有效技术手段。加压富氧燃烧技术是一种低成本CCUS技术。循环流化床燃烧技术(CFB)是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一,加压循环流化床富氧燃烧耦合了加压富氧燃烧和循环流化床燃烧的诸多优点,具有很强的工业应用前景。但加压循环流化床富氧燃烧系统结构复杂,燃烧工况的切换和烟气再循环导致其在启动、控制、运行等方面面临巨大挑战。目前对于加压循环流化床富氧燃烧的研究大多处于理论建模、机理研究和小试试验阶段。为了更深入地探究加压循环流化床富氧燃烧的启动和运行方法,中国科学院工程热物理研究所在MW级加压循环流化床富氧燃烧中试试验平台上进行了中试研究,实现了加压富氧燃烧的稳定运行,获得了中试尺度加压富氧燃烧运行模式,以及启动和运行过程中温度、压力、给煤量和风量的变化曲线。加压富氧燃烧工况运行中整体O_(2)体积分数为29%,压力为0.30 MPa,功率为0.84 MW,尾部烟气中CO_(2)体积分数达91%,可较好地实现CO_(2)产品的捕集和压缩纯化。中试尺度加压富氧燃烧启动和运行的主要流程为:启动阶段-常压O_(2)/N_(2)燃烧阶段-常压富氧燃烧-加压富氧燃烧阶段,各阶段切换平稳。

关键词：加压富氧燃烧循环流化床锅炉中试试验运行模式

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生物质加压热解碳烟生成特性研究

洁净煤技术 2024年

作者：戴高峰李向东林辉张伊黎张嘉烨谭厚章王学斌西安交通大学能源与动力工程学院

生物质是一种零碳排放可再生资源，对于缓解温室效应和解决能源危机十分重要。加压燃烧因其更高的效率而受到越来越多的关注。在生物质燃烧过程中不可避免地产生了碳烟，作为多环芳烃组成的纳米级细颗粒物，碳烟的产生不仅降低了燃烧效... 详细信息

生物质是一种零碳排放可再生资源，对于缓解温室效应和解决能源危机十分重要。加压燃烧因其更高的效率而受到越来越多的关注。在生物质燃烧过程中不可避免地产生了碳烟，作为多环芳烃组成的纳米级细颗粒物，碳烟的产生不仅降低了燃烧效率，还对环境、人类健康和气候变化产生了负面影响。然而，目前对生物质加压燃烧过程中碳烟生成特性的研究基本处于空白。热解是燃烧的初始阶段，本研究利用加压固定床反应器研究麦秆加压热解过程中碳烟的生成特性。实验结果表明，随着压力的升高，麦秆热解产生的碳烟产率先增加后减少，在0.3 MPa达到峰值。H2产量随着压力的升高而增加，而C2H2产量先升高后降低，表明氢提取乙炔加成机理是麦秆加压热解过程中碳烟生成的主要机理。焦油分析结果显示，随着压力的增加，热解焦油中四元环芳香烃的比例增加。XRD分析表明碳烟晶体堆垛高度随着压力的升高而升高。通过透射电子显微镜观察到碳烟的内核层状生长结构，说明初始多环芳烃和碳烟内核的形成对碳烟的生长非常重要。碳烟的平均粒径分布规律与碳烟产率生成特性一致。本文的研究结果表明，升高压力有助于提高碳烟合成的速率，导致碳烟产率增加，然而，升高压力也导致了碳烟前驱体的释放受到抑制，因此当压力升高到一定值后碳烟的产率将会下降。本研究有助于更好认识压力对生物质热解和燃烧过程中碳烟的生成机制。

关键词：生物质碳烟加压富氧燃烧热解