细粉半焦预热燃烧及NO_x生成特性实验研究

发布时间：2020-08-23 18:46

【摘要】：随着污染物排放法规的日益严格和煤炭燃烧带来的环境问题逐渐加重,国家对煤炭的高效清洁利用提出了更高的要求。煤炭的利用已经由简单的燃烧向煤基能源及化工系统过渡,以实现煤炭高效、环保及经济利用。主流的煤炭高效清洁利用技术是将煤炭转化为气体、液体燃料或者化工产品进行利用。由于技术限制,煤炭转化过程中会产生大量含碳量较高的细粉半焦,降低了煤炭资源的利用效率。此外,经过处理后形成的细粉半焦燃烧特性较差,难以通过常规燃烧对细粉半焦进行二次利用。本论文在前期预热燃烧研究的基础上,建立了适合细粉半焦的预热燃烧系统用于研究细粉半焦的预热燃烧过程及燃料氮转化过程,以实现细粉半焦的高效燃烧和低NOx排放。在改造后的实验系统中,用于预热的循环流化床采用无布风板结构,在无添加惰性床料条件下用于细粉半焦的预热。预热过程中,部分细粉半焦能够被旋风分离器分离形成返料半焦,返料半焦的循环维持了循环流化床内温度的稳定。因此部分细粉半焦形成的物料循环是循环流化床持续稳定运行的关键。预热过程中,返料半焦和细粉半焦的部分燃烧用于维持循环流化床的热量平衡,高温的返料半焦为返料半焦和细粉半焦的部分燃烧提供了着火热源。在细粉半焦和大同煤粉预热过程中,提高一次风当量比和预热温度均可促进燃料氮的转化,其中一次风当量比对于燃料氮的转化促进作用更显著,一次风当量比的提高促使更多的燃料在循环流化床中燃烧,因此更多的燃料氮得以释放,同时循环流化床中的还原性气氛保证了释放的氮元素不被氧化为NOx。因此,在一定范围内提高一次风当量比可以有效的提高预热过程中提前脱氮的效果。在细粉半焦与大同煤粉预热过程中,燃料氮的转化过程与燃料的比表面积、孔容积呈现不同的变化趋势。在大同煤粉预热过程中,燃料氮的转化分为明显的挥发分氮转化和焦炭氮转化两个过程,同时孔面积和孔容积曲线的峰值出现在挥发分析出之后,表明挥发分析出的过程可以有效的增加孔面积和孔容积；之后,提高一次风当量比,孔面积和孔容积分布曲线逐渐降低,表明提高一次风当量比造成了部分孔隙的坍塌,使焦炭氮的析出变得困难。在细粉半焦预热过程中,燃料氮的转化没有明显的挥发分氮与焦炭氮的区分,燃料氮的转化与固定碳和挥发分的转化基本呈现同步关系,提高一次风当量比,孔面积和孔体积曲线分布逐渐升高,表明提高一次风当量比促进了孔隙结构的扩大,为焦炭氮的转化提供了空间,方便焦炭氮的转化。通过对比大同煤粉、细粉半焦和清河污泥的预热过程,表明燃料氮在挥发分与固定碳中的分布决定了预热过程燃料氮的转化,除细粉半焦外,大同煤粉和清河污泥在预热过程中挥发分首先转化,由于清河污泥中燃料氮主要分布在挥发分中,因此燃料氮转化率明显高于大同煤粉中燃料氮的转化率。因此,高挥发分燃料预热过程中,燃料氮在挥发分与焦炭中的分配是影响预热过程燃料氮转化的最重要因素。在细粉半焦预热过程中,细粉半焦中含氮官能团的种类决定了燃料氮以NH3和N2的形式转化并释放。细粉半焦中的含H基团为NH3的形成提供了H。在燃烧过程中,下行燃烧室100 mm处出现NO浓度峰值的形成主要是燃气中的NH3的氧化,通过优化二次风喷口结构能有效抑制这部分NO生成,下行燃烧室900 mm处NO浓度峰值的形成与三次风通入后未燃尽的细粉半焦中燃料氮的直接氧化有关。在细粉半焦预热燃烧过程中,选择合适的一次风当量比和预热温度有助于促进预热过程燃料氮的转化并降低进入下行燃烧室的NH3浓度；在燃烧过程中,合理的二次风布置可以避免局部氧化区的形成,避免NH3与氧气接触直接生成NO,促进NH3与焦炭反应向还原成N2方向转化,可有效的降低NO的生成；在燃料氮释放后期,通过调整三次风配风可以进一步降低NO的生成。实验结果表明,通过参数优化可以实现NOx排放降低至60 mg/m3(@6%02),同时燃烧效率为97.74%,实现了细粉半焦的高效清洁燃烧。大同煤粉与气化细粉灰的预热燃烧及燃料氮转化实验结果表明,预热过程中,循环流化床内温度分布与燃料特性有关,挥发分的降低使循环流化床内温差减小,温度分布均匀,也使得返料器出现后燃现象；燃烧过程中,燃料的热值对下行燃烧室温度分布有重要影响,气化细粉灰在燃烧后期温度降低明显,较低的燃烧温度导致氮元素的析出困难,初始燃烧区域二次风喷口布置对最终NOx排放影响减弱；大同煤粉预热过程中产生的NH3浓度远高于其它两种燃料,较高的NH3浓度造成在初始燃烧区域较高的NO2或者NO浓度,为后期降低NOx排放增加困难,同时预热大同煤粉中氮元素在燃烧过程中逐渐释放,使得NOx控制更加复杂。因此,对于此类燃料需要明确氮元素在挥发分与焦炭中的分布,提高燃料氮在燃烧前的转化率,并且在全部燃烧区域内需要优化配风结构。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ520.1
【图文】：

历年,火电,装机容量,发电量

]我国历年火电装机容量及发电量变化[[3]

装机容量,火电厂,煤电

逑力工业在２０１０年后继续强劲发展。据中电联的统计Ｗ，到２０１４年底为止，全国逡逑范围内３００邋ＭＷ及Ｗ上煤电机姐占全部发电机组的７７．７％邋（见图１．３），比２０１３逡逑年提高近１．４个百分点；煤电机组向氋参数、大容量、高效环保型发展；截止２０１５逡逑年９月底全国６００邋ＭＷ及Ｗ上电厂装机１３．８５亿千瓦，同比增长９．４％；邋９月底全逡逑国６００邋ＭＷ及Ｗ上煤电机组装机９．４７亿千瓦（其中煤电８．５５亿千瓦），同比增长逡逑６．８％，表明煤电机组仍处于较快的发展速度。逡逑ｍＩ邋ＩＩＩ邋Ｉ逡逑５０％邋ｊｊｊｊｊｊｊｊ邋＾＾＾＾—邋■０．６－不足邋１０邋乃干冗逡逑４０邋於邋＾＾—邋－１０－不巧邋２０；＾千巧逡逑—■逦１逦Ｈ——Ｈ－邋Ｈ——Ｉ—邋■邋２０－不足邋３０７５邋千冗逡逑２０９６邋Ｈ－—Ｈ—Ｈ邋Ｈ邋Ｈ—Ｈ￣￣逦■邋３日巧拓及邋Ｗ上逡逑ｚｒｍ邋，邋Ｉ，邋Ｉ邋ＩｔＩｚＩ：逡逑／／／‘／／次心逡逑声逡逑、公逡逑图１．３邋１９９５－２０１４年火电厂装机容量变化Ｗ逡逑煤电机组的快速发展满足了日益增加的用电需求，但是近年来连续出现的严逡逑重雾桯天气也表明煤电机组对中国的环境产生了严重的影响，这也使得煤电机组逡逑一直处于重点整治范围。据统计由于煤炭的过度使用造成大气中超过７０％的ＮＯｘ逡逑来源于煤炭燃烧Ｗ。为了控制燃煤过程中的污染物排放，１９９１年我国颁布了《燃逡逑煤电厂大气污染物排放标准》（ＧＢ１３２２３－１９９１）

旋流燃烧器,高温烟气,卷吸,双蜗壳

卷吸高温烟气，稳定着火。旋流燃烧是指依靠旋流式燃烧器使燃料气流逡逑产生旋转流动，从而在预燃室中私形成回流区，卷吸高温烟气，达到稳定预燃室逡逑火焰和燃料着火的目的。旋流燃烧相对直流燃烧有Ｗ下特点：燃料射流中瓜有一逡逑个反向回流区，因此旋流的扩展角比直流大，因此燃料射流可从回流区和外边逡逑界卷吸大量的高温烟气对加强燃料与空气的混合、加速燃料点火、提高燃烧稳定逡逑性和燃烧效率有好处；由于燃料射流不仅具有轴向速度，而且具有较大的切向速逡逑度，因此射流出口的端动度较大，初期混合强烈。逡逑在工程应用领域，根据烟气回流原理开发出的燃烧器有双蜗壳旋流燃烧器、逡逑单蜗壳旋流燃烧器、轴向叶片旋流燃烧器和切向叶片旋流燃烧器等，下面分别对逡逑其进行介绍。逡逑双蜗壳旋流燃烧器结构Ｗ见图１．４，其主要特点是前期燃料与空气混合强烈，逡逑燃烧器结构简单。由于舌型挡板调节性能欠佳，对燃料的适应性较差。一次风阻逡逑较大不适合搭配直吹制粉系统使用，燃烧器出口气流速度和燃料浓度分布都很不逡逑均匀，因此稳燃效果欠佳。逡逑

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