富氧气氛下典型固体燃料燃烧及动力学特性的实验研究

摘要

富氧燃烧是采用比空气中氧含量高的空气来进行助燃的一种新型燃烧方式，具有明显的节能与环保效益，富氧燃烧技术逐渐应用于工业领域并受到越来越多的关注。氧浓度对固体燃料的燃烧有显著影响，富氧气氛可以降低燃料着火热，提高火焰温度，改善温度场分布，促进燃烧完全，这对电厂燃料局部富氧助燃、富氧点火以及低负荷稳燃有重大意义，有利于电厂节能和效率提高。电厂采用纯氧代替空气进行助燃的O2/CO2循环燃烧方式，不仅可以获得高浓度CO2，还能实现污染物的协同排除，具有巨大的发展前景。
　　 本文采用热分析法，针对煤、煤矸石、农林废弃物、污水污泥、生活垃圾等典型固体燃料，进行富氧燃烧的热重试验，研究了氧浓度对各燃料燃烧特性和动力学特性的影响，分析了富氧燃烧的影响因素及各类燃料之间的差别。研究结果有助于进一步认识各类固体燃料在富氧条件下的燃烧规律，为固体燃料富氧燃烧设备的设计和运行提供指导和必要的理论基础。
　　 通过实验研究和理论分析，得出以下主要结论：
　　 (1)固体燃料的燃烧过程可分为水分析出、挥发分燃烧、固定碳燃烧和燃尽等四个阶段。在主要燃烧阶段，煤/煤矸石的DTG曲线出现一个峰，生物质燃料出现两个或多个峰。空气气氛下，煤/煤矸石的着火温度约420°C～600°C，生物质燃料约230°C～275℃，燃尽温度分别在640°C～710℃和470°C～620°C之间，生物质燃料较易着火和燃尽。高挥发分的生物质燃料综合燃烧性能优于煤/煤矸石，综合燃烧特性指数顺序为农林废弃物＞生活垃圾＞污泥＞煤＞煤矸石。
　　 (2)在O2/N2气氛下，随着氧浓度的提高，各种燃料燃烧曲线均向低温区移动，最大失重温度降低，最大和平均失重率增大，最大放热量增加，燃烧性能得到改善。富氧气氛会明显降低煤/煤矸石的最大失重温度，增加生物质燃料的失重峰值。氧浓度对可燃质含量高尤其是固定碳含量大的燃料燃烧改善更为明显。随着氧浓度的提高，燃料着火和燃尽温度均降低，可燃性和燃尽特性指数增大，燃料着火和燃尽特性得到改善，尤其对燃尽温度的改善更为明显，但是氧浓度超过40％后，燃料燃烧特性参数的变化变得缓慢。
　　 (3)O2/CO2气氛、煤粉粒径、升温速率对煤燃烧性能有重要影响。相同氧浓度下，CO2代替N2后，煤的着火和燃尽温度升高，燃烧时间延长，综合燃烧特性指数减小，CO2的存在改变了煤焦的燃烧特性，尤其是高的CO2浓度对燃烧的影响更大，在O2/CO2气氛下，随着氧浓度的增加，煤的燃烧性能得到大大改善，CO2对燃烧过程的影响可通过提高氧浓度来弥补。粉粒径减小后煤粉着火和燃尽温度降低，综合燃烧性能得到改善，煤粉在高氧浓度下，细化对着火和燃尽性能改善的效果更好。随着升温速率增加，煤粉燃烧特性温度均有所增加，燃烧反应向高温区移动，产生燃烧滞后现象。
　　 (4)固体燃料的反应机理与燃料种类有关，同种燃料在不同氧浓度下可用同一种反应机理来描述。煤、农林废弃物和污泥的两个燃烧阶段均为一级反应；煤矸石低温段燃烧为一级反应，而高温段燃烧符合三级反应；生活垃圾的挥发分和固定碳燃烧阶段符合二级反应机理。气氛、粒径和升温速率均对煤粉动力学特性有较大影响。CO2替代N2后，煤粉两温度段反应活化能和频率因子均有所降低，平均表观活化能变小，燃烧稍难进行。粒径减小和升温速率升高均使得煤粉平均表观活化能降低，粒径细化和升温速率提高可使煤粉燃烧易于进行。提高氧浓度对固体燃料动力学特性影响表现在平均表观活化能不断增加和反应强度的增强。不同氧浓度下，各燃料同阶段的表观活化能和频率因子之间存在动力学补偿效应。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文选题背景及课题来源

1.2富氧燃烧技术的发展

1.2.1制氧技术的发展

1.2.2富氧对燃烧过程的影响

1.2.3富氧燃烧的燃烧对象及意义

1.3富氧燃烧技术研究进展

1.4本课题的主要研究内容

2试验系统、内容和方法

2.1试验原理

2.2试验系统

2.2.1试验装置

2.2.2试验步骤

2.2.3试验影响因素及误差分析

2.3试验内容

2.3.1试验样品

2.3.2样品工业分析

2.3.3试验工况

2.4燃烧特性参数定义

2.4.1热重曲线特征参数

2.4.2着火特征参数

2.4.3燃尽特征参数

2.4.4综合燃烧特征参数

3煤/煤矸石在富氧条件下的燃烧特性

3.1 O2/N2气氛下煤粉的燃烧特性

3.1.1煤的热解及燃烧过程

3.1.2煤粉在不同氧浓度下燃烧失重曲线

3.1.3煤粉着火和燃尽特性

3.1.4煤粉综合燃烧特性

3.1.5煤粉燃烧差热曲线

3.2 O2/N2气氛下煤粉燃烧影响因素分析

3.2.1煤粉粒度的影响

3.2.2升温速率的影响

3.3 O2/CO2气氛下煤粉燃烧特性

3.3.1煤粉在不同气氛下的燃烧失重曲线

3.3.2煤粉着火和燃尽特性

3.3.3煤粉综合燃烧特性

3.3.4煤粉燃烧差热曲线

3.4煤矸石在富氧条件下燃烧特性

3.4.1煤矸石热解及燃烧过程

3.4.2煤矸石在富氧条件下的燃烧热重曲线

3.3.3煤矸石着火和燃尽特性

3.3.4煤矸石综合燃烧特性

3.4.5煤矸石与煤粉燃烧特性的对比

3.5小结

4生物质燃料在富氧条件下的燃烧特性

4.1生物质燃料的热解和燃烧过程

4.1.1生物质燃料的热解过程

4.1.2生物质燃料在空气气氛下的燃烧过程

4.2富氧气氛下生物质燃料的燃烧特性

4.2.1不同氧浓度下生物质燃料的燃烧热重曲线

4.2.2氧量对生物质燃料燃烧模式的影响

4.2.3生物质燃料着火和燃尽特性

4.2.4生物质燃料综合燃烧特性

4.3各种固体燃料燃烧特性比较

4.3.1热解和燃烧过程比较

4.3.2富氧条件下燃烧曲线比较

4.3.3着火和燃尽特性比较

4.3.4综合燃烧性能比较

4.4小结

5固体燃料在富氧条件下的动力学特性

5.1热重法应用于反应动力学的分析方法

5.1.1热重法研究反应动力学的方法

5.1.2热重法研究反应动力学的误差分析

5.1.3动态法热重动力学研究的局限性

5.2固体燃料燃烧动力学模型

5.2.1燃烧动力学机理

5.2.2燃烧阶段划分

5.2.3平均表观活化能定义

5.3燃烧动力学参数计算及分析

5.3.1空气气氛下各固体燃料燃烧动力学分析

5.3.2不同气氛、粒径及升温速率下煤燃烧动力学参数比较

5.3.3不同氧浓度下各固体燃料燃烧动力学参数比较

5.3.4动力学补偿效应

5.4小结

6结论与建议

6.1本文主要结论

6.1.1 固体燃料热解和燃烧过程

6.1.2不同氧浓度下固体燃料的燃烧特性

6.1.3 O2/CO2气氛、粒径、升温速率对煤燃烧性能的影响

6.1.4固体燃料燃烧动力学特性

6.2进一步研究工作的建议

致谢

参考文献

附录