O/CO气氛下煤粉燃烧及SO/NO排放特性研究

摘要

由于化石燃料燃烧而排放的大量的温室气体CO2对环境造成的危害已引起了全球的高度关注。在众多的CO2分离捕集技术当中，O2/CO2燃烧技术作为一种新型的可低成本分离回收CO2：且污染物排放较低的全新理念的燃烧方式已引起了各国研究者的重视。由于燃烧气氛的转变，使得煤在新的燃烧方式下的众多特性较常规气氛下的情况存在诸多差异；同时由于煤粉燃烧及燃料本身的复杂性，使得对O2/CO2煤粉燃烧及污染物的排放特性尚无统一的认识和规律。因此，研究工作的开展有着极其重要的意义。
　　 本文采用实验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法对O2/CO2煤粉燃烧及污染物(SO2和NO)的排放特性进行了系统的分析。
　　 研究发现，典型工况下(21％O2/79％N2气氛和21％O2/79％CO2气氛)煤粉的热解与燃烧特性存在明显差异，相同O2浓度的O2/CO2气氛下煤粉的着火及燃尽延迟，燃尽时间延长；提高进气O2浓度可使燃烧状况得到显著改善，30％左右的进气O2浓度可获得与空气气氛相当的燃烧特性。相同O2浓度及实验条件下，典型工况的两种气氛下煤焦颗粒的内部孔隙形状差别不大，但在特定孔径范围(≤5nm)的孔分布存在明显不同；随着颗粒燃尽率的增加，其孔隙结构参数均呈现降低的趋势，但相同条件时O2/CO2气氛煤焦的孔结构参数较O2/N2：气氛煤焦的稍小；与之相对应，颗粒的分形维数也表现出类似的变化规律。
　　 通过傅立叶变化红外光谱仪(FTIR)和x射线衍射分析仪(XRD)测定了部分煤焦试样的表面化学基团和微晶结构，通过对测试谱图的相关校正并基于煤焦表面微结构的半定量分析方法，求解了反映颗粒表面化学基团和微晶特征的关键参数。从结果来看，环境气氛对不同煤焦的表面化学结构参数的影响表现出类似的变化规律，燃烧气氛改变的关键是影响了煤焦反应的外在物理环境(颗粒温度及有机物分解析出气态产物的扩散特性)；同时，由于CO2气化效应而导致的颗粒温度的差异则使得两种气氛下煤焦的晶构参数明显不同，不同温度工况下的结果也证明了温度的确为影响煤焦晶粒生长和其结构有序化的主要因素。
　　 燃烧烟气的在线分析显示，在相同配比的为O2/CO2气氛下，烟气中CO2的浓度显著高于O2/N2气氛燃烧时CO2的排放浓度，但O2/CO2气氛下煤粉燃烧过程延迟，相同取样条件下烟气中的残余O2含量较高，CO的浓度明显高于O2/N2：气氛的情况，排烟中NO及SO：的排放较相同O2浓度的O2/N2：气氛下降低；随着进气中O2浓度或燃烧温度的提高，两种气氛下SO2：及NO的排放浓度均呈现升高的趋势。在两种气氛下，SO2：及NO的排放浓度随燃料/氧气化学当量比(Ф)的增加呈现先增加后降低的趋势，但SO2：的最高浓度出现在化学当量比约为Ф=1.2的工况下，而NO最大排放浓度大约出现在Ф=0.8左右。
　　 在煤焦本身结构特性分析的基础上，以灰色理论为指导，对与煤焦反应特性间相关的影响因素进行了关联分析。结果表明，煤焦颗粒的物理结构、表面化学特性及其微晶结构对颗粒的最终反应性都存在着相当程度的影响，但在所考察的相关参数之间，煤焦本身的化学特性及其微晶结构则是影响其反应性的根本因素，其结果印证了前面研究结果的意义所在。
　　 相关的模拟结果表明，相同O2浓度的O2/CO2气氛下的温度水平较模拟空气气氛下低约200K左右，但O2/CO2气氛下炉内的温度场更为均匀，烟气的辐射吸收系数显著高于空气气氛下的情况，大约30％的进气O2浓度可获得与空气气氛下相当的温度分布。
　　 研究结果对于O2/CO2燃煤电站的设计与改造，对于奠定具有我国自主知识产权的O2/CO2燃烧理论以实现大规模分离CO2具有重要的理论意义和实际应用价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2课题的研究背景及意义

1.2.1能源形势与现状

1.2.2经济发展与环境变化的挑战

1.3 CO2捕集技术简介及O2/CO2燃烧技术的提出

1.3.1燃烧前脱碳系统(煤制氢)

1.3.2燃烧后脱碳系统(烟气侧CO2分离)

1.3.3 O2/CO2燃烧技术(Oxy-Fuel技术)

1.4 02/CO2燃烧技术的国内外研究概述

1.4.1 O2／CO2气氛下煤粉的燃烧特性

1.4.2 O2/CO2气氛下燃煤污染物的排放与控制

1.4.3 O2/CO2燃烧技术的工业化应用所亟待解决的问题

1.5与煤焦反应性相关的几个方面

1.5.1煤焦物理孔隙及其反应性

1.5.2煤焦微观结构及其应用

1.6本课题研究的目标、内容及思路

1.6.1研究目标

1.6.2课题的研究内容及思路

1.6.3论文所涉及的理论基础

1.7本章小结

参考文献

第二章O2／CO2气氛下煤粉热解及燃烧的动力学分析

2.1引言

2.2实验仪器、样品及方法

2.2.1热重分析实验系统

2.2.2热重红外联用(TG-FTIR)系统

2.2.3实验样品及研究方法

2.3实验结果及讨论

2.3.1程序升温过程的预备性实验

2.3.2 N2及CO2气氛下煤粉热解过程的比较

2.3.3基于TG-DTA分析的煤粉燃烧过程

2.3.4不同气氛下煤粉燃烧过程的TG-DTG曲线

2.3.5 O2/CO2气氛下不同粒度煤粉燃烧的TG—DTG曲线

2.3.6升温速率对煤粉燃烧的TG-DTG曲线的影响

2.3.7不同气氛下煤粉的着火与燃尽特性分析

2.3.8基于特性指数分析的煤粉燃烧评价

2.3.9 O2/CO2气氛下煤粉燃烧的动力学分析

2.4 O2/CO2气氛下燃煤气态产物析出的FTIR分析

2.5本章小结

参考文献

第三章基于DTF分析的煤焦燃烧及其物理结构特性

3.1引言

3.2实验设备及方法

3.2.1沉降炉实验系统

3.2.2煤焦物理特性分析仪器

3.3基于沉降炉分析O2/CO2气氛下煤粉的燃烧特性

3.3.1不同气氛下煤粉的燃尽特性

3.3.2不同气氛下煤粉的燃烧速率的差异

3.3.3燃烧温度对两种气氛下煤粉燃尽特性的影响

3.4 O2/CO2气氛下燃煤半焦孔隙结构的经典分析方法

3.4.1燃煤半焦的低温吸附等温线分析

3.4.2燃烧气氛对煤焦的孔隙结构的影响

3.4.3燃烧温度对煤焦孔隙结构的影响

3.4.4停留时间对煤焦的孔隙结构的影响

3.4.5煤焦的孔结构参数随燃尽率的变化情况

3.5本章小结

参考文献

第四章O2/CO2气氛下煤焦孔隙结构的非线性特征

4.1引言

4.2分形理论简介及其应用

4.2.1分形理论简介

4.2.2分形孔结构的形态

4.2.3多孔介质中气体的扩散反应特性

4.3煤焦颗粒的分形特征及其测定方法

4.3.1煤焦颗粒的分形特征

4.3.2煤焦颗粒的分形维数的测定方法

4.4基于吸附法表征的煤焦颗粒孔隙结构的分形特性

4.4.1分形维数的确定

4.4.2煤焦孔隙结构分形维数的实验研究

4.5煤焦颗粒表面形态的SEM分析

4.5.1 O2/CO2气氛下煤焦SEM图像的定性描述

4.5.2煤焦表面SEM图像的经典统计分析

4.6本章小结

参考文献

第五章基于FTIR和XRD分析的煤焦表面微结构特征

5.1 引言

5.2基于FITR分析的煤焦表面化学结构

5.2.1.FTIR实验仪器及方法

5.2.2煤焦表面FTIR的测试结果及其定性分析

5.2.3红外谱峰的归属及解叠

5.2.4煤焦表面的红外光谱参数计算-芳氢与脂氢比(Har/Hal)及芳香度(fa)

5.3基于XRD分析的煤焦微晶结构特征

5.3.1 XRD实验仪器及测试方法

5.3.2 X射线衍射原始谱图的处理

5.3.3 O2/CO2气氛煤焦XRD谱图的定性分析

5.3.4 O2/CO2气氛煤焦X射线衍射峰的归属与解叠

5.3.5 O2/CO2气氛煤焦XRD实验结果的定量分析

5.4本章小结

参考文献

第六章O2/CO2气氛下煤粉燃烧特性的灰色关联分析

6.1前言

6.2灰色系统及灰色关联分析简介

6.2.1灰色系统的概念及其特点

6.2.2灰色关联分析概述及其意义

6.2.3灰色关联分析的方法与步骤

6.3 O2/CO2气氛下煤焦结构与其反应性的关联分析

6.3.1原始数据的处理

6.3.2灰色关联系数的计算

6.3.3灰色关联度的求取及讨论

6.4本章小结

参考文献

第七章O2/CO2气氛燃煤SO2及NO的排放特性

7.1引言

7.2煤中S、N的存在形式及其迁移机理分析

7.2.1煤中S的存在形式及其迁移特性

7.2.2煤中N的存在形式及其迁移特性

7.3实验设备及方法

7.3.1实验装置及样品

7.3.2烟气分析及数据采集系统

7.4基于沉降炉分析的污染物排放特性

7.4.1不同气氛下燃煤烟气的组成

7.4.2 O2/CO2气氛下燃煤SO2排放研究

7.4.3 O2/CO2气氛下燃煤NO排放研究

7.5本章小结

参考文献

第八章O2/CO2气氛煤粉燃烧的数值模拟

8.1引言

8.2气固两相流动及煤粉燃烧模型

8.2.1气相湍流流动模型

8.2.2颗粒相的处理

8.2.3煤粉颗粒的挥发分析出模型

8.2.4焦炭燃烧模型

8.2.5辐射换热模型

8.2.6气相湍流燃烧模型

8.2.7 NOx的生成模型

8.3模拟对象网格划分及边界条件

8.4模拟结果与讨论

8.4.1典型工况下温度场的比较

8.4.2不同工况下CO、CO2浓度场

8.4.3不同工况下NO浓度场

8.5本章小结

参考文献

第九章全文总结与展望

9.1全文总结

9.2建议

攻读博士学位期间发表的学术论文

作者简介

致谢