半焦孔隙结构和加压燃烧特性的试验研究

摘要

不断发展的第二代增压流化床燃烧联合循环(PFBC-CC)发电技术是洁净煤技术(CCT)在理念上的更新和完善，是洁净煤技术发展的新阶段。实施煤热解、气化、燃烧的分级转化和综合利用，就是根据煤不同形态的特点，采用优化和集成的概念，达到既能使用常规的技术脱除煤利用过程中的污染物，又能实现其高效转化和清洁利用的目的。半焦加压燃烧是第二代PFBC-CC技术的重要组成部分。因此本课题直接选用了常压工业流化床和中试规模增压喷动流化床气化炉半焦，对原煤和半焦进行了孔隙结构和表面形态的测定和分析，对半焦的加压燃烧特性进行了系统地试验研究，并在中试规模热输入1MWt增压流化床燃烧室内进行了半焦燃烧的验证试验。 用氮气等温吸附(77K)法测量了原煤和加压、常压部分气化后半焦的BET比表面积，并通过BJH法计算了孔比表面积、比孔容、孔径和孔分布。结果表明，原煤在转化为半焦的过程中，孔隙结构变得发达，比表面积、孔比表面积和孔容积明显增大。实验发现半焦的孔比表面积和孔容积分布曲线存在两个明显的峰值，第一个尖峰对应的孔径稍小于2nm，表明微孔的比表面积大大增加；第二个尖峰对应的孔径在3.8nm左右，说明中孔的比表面积增加很快以至于出现了中孔的扩展。加压气化后的半焦孔隙结构更加发达，加压气化比常压气化更能促进半焦孔隙的生成和发展。 从气化条件、半焦颗粒粒径、半焦工业分析成分三方面定性分析了影响半焦孔隙结构的因素。常压喷动流化床气化中，挥发分析出和热解反应对半焦孔隙的发展和生成起到主导作用；加压气化过程中，碳的气化反应对半焦孔隙的生成和发展有明显的促进作用。在一定的气化工况下，煤焦可能存在一个合适的颗粒尺寸范围，使得挥发分的析出比较彻底，煤焦气化反应进行得比较充分，半焦颗粒的比表面积、孔比表面积和孔容积都能得到充分的发展。本实验中，对常压气化该合适的粒径范围是1mm～1.5mm，对加压气化为0.5mm～1mm。利用扫描电镜，得到了不同粒径原煤和半焦样品的表观结构图像，进一步证实了加压半焦比常压半焦有更为发达的孔隙结构。 在小型加压试验台上，分别对原煤和两种半焦进行了系统的燃烧特性试验研究；在大型增压流化床燃烧试验台上，进行了半焦加压燃烧的验证试验。研究结果表明：系统压力对煤和半焦的燃烧有不同的影响。随系统压力的增加，炉膛温度逐渐升高，燃烧效率也相应增大；在压力接近于0.5MPa左右时，压力增加，煤的燃烧效率增加减缓，但半焦的燃烧效率仍然增加显著。这一结果对第二代PFBC燃烧室内半焦的燃烧有指导意义。在较低的系统压力下，过量空气系数对半焦燃烧效率有较大的影响；在较高的系统压力下，压力对燃烧的影响占主导因素，过量空气系数的合适范围以不超过1.5为宜。压力下，初始静止床层高度对半焦的燃烧效率有较大影响。对喷动流化床，随静止床高的增加，燃烧效率呈先增大后减小的趋势，对一定的试验装置，存在一个合适的静止床层高度的范围。本文实验条件下，静止床层高度在280～320mm之间比较合适。床层温度受燃料给料量、过量空气系数、炉膛压力、静止床层高度、空气预热温度等工况参数的综合影响，进而影响半焦的燃烧效率。床层温度提高时，燃烧反应速度加快，颗粒燃烧较完全，有利于提高燃烧效率。在小型试验台上，当系统压力为0.5MPa时，半焦的燃烧效率达到94.73％，在大型试验台上，半焦的燃烧效率达到99.20％，充分证明了半焦加压燃烧的优越性。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1课题研究背景

§1.2半焦孔隙结构的研究

§1.2.1孔隙结构的测量方法及原煤的孔隙结构

§1.2.2煤焦的孔隙结构与化学成分之间的关系

§1.2.3气化及热解过程中煤焦的孔隙结构变化

§1.2.4燃烧过程中煤焦的孔隙结构变化

§1.3半焦加压燃烧特性的研究

§1.3.1半焦燃烧特性的研究方法

§1.3.2半焦的加压燃烧特性

§1.3.3半焦形态对燃烧的影响

§1.3.4半焦的燃烧动力学研究

§1.3.5半焦燃烧的数学模型

§1.4本课题的研究内容与方法

§1.4.1研究内容

§1.4.2研究方法

§1.5本章小结

第二章试验装置及实验方法

§2.1孔隙结构测试与分析

§2.1.1实验测试装置

§2.1.2操作方法

§2.2半焦燃烧实验装置

§2.2.1试验装置

§2.2.2试验操作方法

§2.2.3热输入1MWtPFBC试验装置简介

§2.3本章小结

第三章半焦的孔隙结构和影响因素

§3.1孔隙结构实验分析的理论基础

§3.1.1 BET吸附理论

§3.1.2孔分布的计算方法

§3.2半焦实验样品

§3.3半焦的孔隙结构特性

§3.3.1吸附/脱附等温线

§3.3.2比表面积与孔比表面积

§3.3.3孔径、孔容及其分布

§3.4半焦孔隙结构的影响因素

§3.4.1半焦孔隙结构与气化工况

§3.4.2半焦孔隙结构与半焦粒径

§3.4.3半焦孔隙结构与半焦工业分析

§3.5半焦的表观形态及化学组分

§3.5.1半焦表观结构的扫描电镜分析

§3.5.2 X射线能谱分析(EDX)

§3.6本章小结

第四章半焦加压燃烧特性试验研究

§4.1增压流化床流动与燃烧特性

§4.1.1增压流化床气固两相流动特性

§4.1.2增压流化床燃烧

§4.1.3增压喷动流化床两相混合与扩散

§4.2试验准备及调整

§4.2.1半焦的工业分析与元素分析

§4.2.2半焦的平均粒径

§4.2.3燃料给料量的标定

§4.2.4布风板阻力特性

§4.2.5床层阻力特性

§4.2.6点火启动

§4.3半焦加压燃烧特性试验

§4.3.1燃料量对炉膛温度的影响

§4.3.2压力对炉膛温度的影响

§4.3.3静止床层高度对炉膛温度的影响

§4.3.4半焦加压燃烧的燃烧效率

§4.3.5压力对燃烧效率的影响

§4.3.6过量空气系数对燃烧效率的影响

§4.3.7预热空气温度对燃烧效率的影响

§4.3.8床层温度对燃烧效率的影响

§4.3.9静止床层高度对燃烧效率的影响

§4.4半焦在热输入1MWtPFBC实验台上的燃烧试验

§4.5本章小结

第五章全文总结及展望

§5.1半焦孔隙结构特性研究总结

§5.2半焦加压燃烧特性研究总结

§5.3半焦孔隙结构特性的研究展望

§5.4半焦燃烧特性的研究展望

致谢

参考文献

作者在硕士研究生期间发表的论文