流化床富氧燃烧方式下燃料氮转变与NO_x生成的机理研究
发布时间：2020-03-17 13:21
【摘要】：煤炭是我国SO2、NOx、CO2等污染物的主要生成源,火力发电厂中煤炭的大量使用造成了严重的环境污染和温室效应。CFB富氧燃烧技术结合了CFB燃烧技术和富氧燃烧技术二者的优点,是一种可同时实现碳捕集和有效控制NOx排放的洁净煤燃烧技术。国内外已有部分研究者对CFB富氧燃烧技术中NOx的生成规律展开了研究,但多局限于操作参数对NOx生成的影响,CFB富氧燃烧中燃料氮的迁徙规律和NOx生成机理尚未完全得到揭示。本文基于燃烧过程中燃料氮的迁徙和转变路径,从热解过程中燃料氮的转变、燃烧阶段中挥发分氮的氧化、焦炭氮的氧化以及NO的还原这四个方面系统的考察CFB富氧燃烧方式下高浓度CO2的影响,并揭示低NOx排放的内在机理。首先,在流化床上开展了N2和CO2气氛下的快速热解实验,研究了HCN、NH3等NO、前驱产物的生成规律以及CO2气氛的影响,并结合煤热解/气化过程中含H官能团和焦结构的演变来帮助揭示CO2的影响机制。结果表明,氰基和季氮分别是HCN和NH3的重要中间产物；热解温度升高,HCN和NH3生成增多。CO2会在热解和气化两个阶段分别对HCN和NH3生成造成多重影响。在热解阶段,CO2与半焦的气化反应将有助于H的释放和含氮官能团的断裂,促进HCN的生成；但若热解温度过高(1000℃)或过低(700℃),CO2反而会抑制HCN的生成。与此同时,CO2会在热解发生时抑制半焦中缩聚反应的发生,阻碍芳香核长大,更多的氢以脂肪支链的形式保留在半焦当中。在随后的气化阶段,半焦中残留的丰富氢源通过CO2的剥离作用释放大量的H,并且CO2也会促使含氮官能团的断裂加剧,这些将联合促进NH3的生成。然而,若半焦的反应活性很差,CO2可能会阻碍H与含氮官能团的接触,抑制NH3的生成。然后,为了深入研究NO-CO/CaO催化还原和NO-煤焦的反应特性和内在机理,又对NO异相还原展开了系统研究,并且探析了CO、O2和CO2等重要气氛对NO还原的影响。通过对NO-CO/CaO催化还原的动力学分析发现,该反应的活化能随着温度的升高而降低,CO反应级数随着CO浓度的升高、催化剂使用量的加大以及反应温度的降低而减小。CO2强烈抑制了CaO对NO-CO还原的催化作用。NO-煤焦还原实验表明,在低温区,煤焦表面的C(O)官能团对NO还原具有促进作用,C(O)可通过C(O)+NO+Cf→CO2+C(N)+*反应路径较大程度的提升煤焦对NO的还原能力,此时NO-煤焦反应的主要含碳产物为CO2；但随着温度的升高,C(O)脱附加剧,C(O)的促进作用将逐渐减弱,CO将成为主要的含碳产物。在较低温度下,CO和O2都能够促进煤焦对NO的还原,但随着温度的升高促进作用逐渐减弱,这可能与C(O)官能团的形成有关。CO2会抑制煤焦对NO的还原,且随着气化的加剧抑制作用增强。随后,又针对多种煤焦开展了焦炭氮的氧化实验,考察了温度、焦颗粒浓度以及煤阶等重要因素的影响,并揭示了NOx.N20等含氮产物的生成机理。结果证实,煤焦比表面积越小、反应性越弱、灰分越多、焦颗粒浓度越小,NO生成率越高。此外,文中还考察了煤阶、给料量、温度以及粒径对燃煤NOx生成的影响。为了进一步探讨CO2对挥发分氮和焦炭氮氧化过程的影响,分别对NH3和煤焦进行了O2/CO2氧化实验。研究表明,在氧化性气氛下,CO2会抑制NH3向NO的转变。CO2对焦炭氮向NO的转变具有双重影响：(1)抑制NO的还原：(2)通过焦与CO2的气化使得焦炭氮向N2的转变具有高选择性。若氧气供应充足,CO2对NO还原的抑制作用占据主导,促进NO生成；若氧气供应不足,煤焦-CO2气化反应占据主导,进而抑制NO生成。最后,在多功能流化床实验台上开展了O2/CO2燃烧实验,考察了氧气浓度、空气分级、氧气分级等操作参数对NOx排放的影响,并对NOx减排机理进行探讨。富氧燃烧中NO排放低的可能并非由CO浓度升高所致,而是因为高浓度的CO2抑制了挥发分氮向NO转变,同时,在缺氧条件下煤焦与CO2的气化反应强烈,使得大量的焦炭氮向氮气转变。
【图文】：
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本文编号：2587538
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