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煤粉O2/CO2燃烧中氮元素变迁与燃烧过程耦合特性研究

煤粉O2/CO2燃烧中氮元素变迁与燃烧过程耦合特性研究

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作者：王华伟扬州大学

学位级别：硕士

我国电力生产目前以火力发电为主,在“双碳”战略目标下如何实现煤电降碳是当前能源领域碳中和所面临的重要任务。而现阶段燃煤电厂降低二氧化碳排放的技术手段有三种,分别是燃烧后脱碳技术、燃烧前脱碳技术和富氧燃烧技术。其中富氧燃... 详细信息

我国电力生产目前以火力发电为主,在“双碳”战略目标下如何实现煤电降碳是当前能源领域碳中和所面临的重要任务。而现阶段燃煤电厂降低二氧化碳排放的技术手段有三种,分别是燃烧后脱碳技术、燃烧前脱碳技术和富氧燃烧技术。其中富氧燃烧技术有技术易实现、经济成本低的特点,可以实现二氧化碳的较低成本富集,是目前比较具有潜力的二氧化碳减排技术。同时,富氧燃烧技术可以有效降低NOx的排放,因为在富氧燃烧过程中没有N2的加入,不会形成大量的热力型NOx,可以实现氮氧化物的减排。本文针对神木烟煤进行了单颗粒富氧燃烧和煤粉气流富氧燃烧实验,以深入探究煤粉在富氧燃烧时的燃烧特性、N元素变迁规律及二者之间的耦合机制。论文首先搭建了用于单颗粒煤粉燃烧实验的水平高温管式炉可视化实验系统,进行了21%-80%O2浓度工况下两种不同粒径的神木烟煤单颗粒煤粉的富氧燃烧实验,研究了氧气浓度和煤粉粒径对单颗粒煤粉着火燃烧特性的影响。研究表明,在1000℃的富氧工况下,400-500微米粒径的单颗粒煤粉的着火模式在21%-40%氧气浓度范围内为均相着火,40%-50%氧气浓度范围内为联合着火,在60%-80%氧气浓度工况下为非均相着火。当煤粉粒径减小到100-200微米时,单颗粒煤粉着火模式转变的临界氧浓度为50%。但煤粉燃烧状态会发生改变,低于50%O2浓度时,单颗粒煤粉仅发生挥发分燃烧,在1000℃下焦炭未能被点燃。在获取了煤粉着火模式、火焰迁徙等特性与粒径、氧气浓度的关联机制后,本文在垂直沉降炉实验系统上对煤粉气流进行了富氧燃烧实验,实验围绕21%-80%氧气浓度的富氧工况对0-70微米粒径的神木烟煤煤粉气流燃烧进行全程在线检测,研究氧气浓度对燃烧特性以及N元素变迁规律的影响。研究表明,随着炉膛壁温1000℃下氧气浓度的提高,煤粉气流在富氧氛围下的着火模式以60%氧气浓度为分界线,由均相着火向非均相着火转变。随着氧气浓度的持续增大,NO的排放量呈现先增加后降低的趋势,氧气浓度的适量增加有利于降低NO的释放量,在30%O2浓度时达到最低值,在50%O2浓度下NO释放量达到顶峰,超过60%O2浓度以上时NO排放有所降低。本文分析认为富氧氛围中煤粉着火模式、挥发分和焦炭着火时间等燃烧特性与CO等还原性气体及N元素变迁规律之间存在复杂关联性。在30%-50%氧气浓度下,煤粉发生均相着火,挥发分和焦炭之间的着火时间间隔随着氧气浓度的上升而缩短,在燃烧前期表面氧化及CO2参与的气化反应形成的大量CO被氧气消耗,导致NO还原反应受到抑制,NO排放量增加。在相同过量空气系数下,当氧气浓度位于60%-80%区间时,煤粉发生非均相着火,焦炭着火时间大幅提前,且在初始阶段即进入剧烈反应状态,此时周围环境中的高氧浓度使得煤焦燃烧主要受表面氧化反应主导,形成的大量CO及煤焦表面自由活性点加速了焦炭对NO的异相还原反应,降低了NO生成量。

关键词：煤粉燃烧富氧氛围着火特性氮元素变迁单颗粒煤粉

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