煤/生物质Oxy-CO2和Oxy-H2O燃烧及氮转化特性与掺混类型辨识研究

摘要

CO2等温室气体的大量排放造成了严重的全球变暖现象。先进燃烧技术的应用和可再生能源的利用是有效降低CO2排放的重要手段。Oxy-CO2燃烧技术被认为是一种经济可行性的燃煤电厂CCS技术。Oxy-H2O燃烧技术是利用H2O取代CO2用于中和燃料燃烧过程中产生的高温烟气，克服了Oxy-CO2燃烧技术中的很多缺点，被认为是极具发展潜力的新一代CCS技术。目前，关于Oxy-CO2和Oxy-H2O燃烧的研究还不完善。为了模拟Oxy-CO2和Oxy-H2O燃烧气氛，本研究搭建了一套可控气氛管式炉实验系统，同时，该实验系统能够实现燃烧图像、颗粒质量和烟气组分的同步在线测量。利用该实验系统探究了单颗粒煤和生物质在Oxy-CO2和Oxy-H2O燃烧条件下的着火和燃烧特性，并考察了其燃烧过程中脱挥发分阶段和焦炭燃烧阶段的NO和N2O排放特性。同时，研究了煤和生物质掺烧过程中的NO排放特性。为优化掺烧锅炉的运行状态，基于SVM算法结合火焰光谱特征对煤和生物质掺混类型在线辨识进行研究。以下为主要研究内容： 首先，在管式炉实验台上，对单颗粒煤和生物质在O2/N2、O2/CO2和O2/H2O气氛中的着火和燃烧特性进行研究。通过燃烧图像直接获取颗粒着火模式、着火延迟时间、挥发分燃烧时间和焦炭燃尽时间等参数。利用燃烧图像结合双色法计算获取颗粒的挥发分燃烧温度和焦炭燃烧温度。考察了O2浓度、温度和燃料类型等因素对单颗粒着火和燃烧特性的影响。揭示了O2/N2、O2/CO2和O2/H2O气氛中单颗粒煤和生物质的着火和燃烧机理。 其次，在管式炉实验台上，对单颗粒煤和生物质在Air和O2/CO2气氛中脱挥发分阶段和焦炭燃烧阶段的NO和N2O排放特性进行研究。为了获取单颗粒两个阶段的氮转化特性，利用恒温TGA结合燃料特性划分单颗粒燃烧过程中的脱挥发分阶段和焦炭燃烧阶段。考察了温度、CO2浓度、气氛和O2浓度、H2O浓度和燃料类型等因素对单颗粒两个阶段NO和N2O排放的影响，并探究了Air和O2/CO2气氛中单颗粒volatile-N和char-N向NO和N2O的转化机理。 再次，在管式炉实验台上，对单颗粒煤和生物质在O2/N2和O2/H2O气氛中脱挥发分阶段和焦炭燃烧阶段的NO和N2O排放特性进行研究。类似地，采用恒温TGA结合燃烧特性划分单颗粒燃烧过程中的两个阶段。考察了温度、O2浓度和燃料类型等因素对单颗粒两个阶段NO和N2O排放的影响，并探究了O2/N2和O2/H2O气氛中单颗粒volatile-N和char-N向NO和N2O的转化机理。 然后，在管式炉实验台上，对O2/N2、O2/CO2和O2/H2O气氛中煤和生物质粉掺烧过程中的NO排放特性进行研究。考察了掺混比例、掺混煤种、掺烧生物质种类和O2浓度等因素对NO排放的影响，并探究了O2/N2、O2/CO2和O2/H2O气氛中煤和生物质掺烧过程中fuel-N向NO的转化机理。 最后，在0.3MW一维炉上，利用火焰光谱监测系统测量煤和生物质粉掺烧过程中的火焰光谱特性，并基于SVM算法对掺混类型在线辨识进行研究。从火焰光谱数据中提取22组火焰特征量，利用“ReliefF+SVM”算法获取最优特征量组合，并得到最优采样数量。在最优特征量组合和最优采样数量下，5种掺混物的平均辨识率为99.67%。

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