大颗粒煤燃料氮迁移特性的实验研究与层燃NO_x数值模拟

发布时间：2020-09-16 19:50

　　我国能源结构以煤为主,煤炭直接燃烧是主要的利用方式。燃煤工业锅炉是仅次于燃煤电厂的第二大耗煤大户,量大面广的燃煤链条炉排锅炉氮氧化物的排放不可忽视。链条炉排锅炉大颗粒煤层燃的过程与煤粉悬浮燃烧有很大差异,大颗粒煤在热解、焦炭氧化、焦炭异相还原NO等反应过程中燃料氮的迁移转化十分复杂,但并未得到足够的重视,亦缺乏深入的研究。燃煤链条炉排锅炉现有的脱硝技术大多直接借鉴电站锅炉,脱硝成本高,经济性不佳,适合燃煤链条炉排锅炉清洁高效燃烧的运行方案十分缺乏。本文针对大颗粒煤热解过程中氮官能团的迁移转化规律和含氮小分子气体HCN和NH_3的析出规律进行实验研究,采用水平管式炉实验台,结合XPS、FTIR等测试方法,研究了不同煤种、不同热解温度、不同粒径等因素的影响。热解时煤中不同氮官能团会发生相互转化并分解为含氮小分子气体HCN和NH_3。随着热解温度升高,煤中氮官能团总量下降,原煤热解析出的HCN和NH_3增加。煤粉在堆积方式热解时,HCN与焦炭发生二次反应生成更多的NH_3。大颗粒煤与煤粉堆积方式相比,颗粒内部煤焦结构更加致密,热解气在焦炭孔隙内停留时间更长,HCN与焦炭发生二次反应更剧烈,NH_3生成量更大。在研究燃煤链条炉排锅炉层燃NO_x模型时不能直接套用煤粉热解数据,需要采用大颗粒煤热解实验获得含氮小分子气体分布的相关参数。本文针对大颗粒煤焦氧化过程中焦炭氮的迁移转化规律进行了实验研究,采用水平管式炉实验台,结合XPS、testo烟气分析仪,研究了不同氧化温度、不同煤种、不同氧浓度、不同颗粒粒径等因素的影响。随着温度升高,焦炭氮氧化生成NO的转化率先增大后减小。在低温下,焦炭氧化生成大量含氧官能团促进了焦炭异相还原NO。在高温下,焦炭颗粒表面气化反应增强存在CO氛围,焦炭表面CO与煤焦表面C(N)作用生成C(NCO)促进NO的还原。随着煤阶的升高,焦炭反应性降低,焦炭孔隙内部还原NO的活性位减少,焦炭氮氧化生成NO增多。大颗粒焦炭氧化生成的NO主要被颗粒内部自身焦炭还原。大颗粒焦炭因内部孔隙结构致密,增大了气体扩散阻力,在颗粒内部形成低氧环境,有利于生成含氧官能团促进焦炭异相还原NO;同时,内部焦炭氮氧化生成的NO在向外扩散过程中在焦炭内部停留时间更长,增加了被焦炭异相还原的比例。根据实验数据,分别考虑了焦炭氧化速率、温度和粒径的影响,建立了大颗粒煤焦炭氮氧化生成NO的数学模型。本文针对大颗粒煤焦异相还原NO规律进行了实验研究,采用固定床实验台,结合XPS、XRD、testo烟气分析仪,研究了不同温度、不同煤种、不同颗粒粒径、炭层厚度等因素的影响。热解温度升高后,焦炭晶体结构更加有序,异相反应的活性位减少,焦炭还原NO速率变慢,同时,焦炭中氧官能团总量下降,进一步减弱了焦炭氧官能团对焦炭异相还原NO的促进作用。与煤粉焦相比,大颗粒煤焦的反应表面积减小,还原NO速率减慢。大颗粒煤焦炭层厚度增大后,参与反应的焦炭活性位增多,同时增加了NO在炭层中停留时间,有利于焦炭还原NO。根据实验数据建立了大颗粒煤焦还原NO的数学模型。为揭示燃煤链条炉排锅炉层燃过程中NO生成规律,本文采用单元体炉进行了实验研究,研究了不同煤层厚度、不同配风方式、不同颗粒粒径以及粒径分层燃烧方式等因素的影响。床层表面NO生成为典型双峰结构,第一个峰值主要为挥发分中含氮小分子气体HCN和NH_3氧化形成,第二个峰值为床层燃尽阶段焦炭氮氧化形成,双峰之间的谷值是由于焦炭层对NO的还原而形成。煤层厚度减小,焦炭层还原NO的程度减弱,生成更多的NO。采用推迟配风方式,床层的中前部氧量少,氧化生成NO少,同时焦炭层还原NO的程度加强,有利于抑制NO的生成。煤焦粒径增大后,焦炭层还原NO速率减小,床层生成NO增多。粒径分层燃烧时,床层上部焦炭粒径较小,有利于焦炭层还原NO。通过对两台链条炉排锅炉进行了配风调试,采用推迟配风和煤层厚度增大的运行方式,均增强了焦炭层对床层NO_x的还原,降低了锅炉尾部NO_x排放浓度,试验取得了低NO_x调控的预期效果。本文在团队燃煤链条炉排锅炉燃烧模型的基础上建立了层燃NO_x模型,并应用单元体炉的层燃实验对模型准确性进行了验证。应用本文所提出的层燃NO_x模型,以一台在用的链条炉排锅炉为例,通过对床层过量空气系数、炉拱形状和空气分级燃烧的数值分析发现:降低床层过量空气系数,增加焦炭还原层厚度,有利于减少床层NO的生成;并利用人字形后拱将尾部焦炭氧化生成的NO导流到前拱下方与热解产生的NH_3反应,实现炉内还原NO的效果,最后得到链条炉排锅炉拱风组合低NO_x燃烧运行原理,为实际锅炉低NO_x燃烧改造提供技术支撑。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ534;X701
【部分图文】：

煤阶,析出特性,成煤植物,热迁移

图 1-1 不同类型 NO 生成量随温度变化图[13]Fig. 1-1 Diagram of NO emission versus combustion temperature[13]解氮官能团热迁移机理及前驱物析出特性的研究一种含有大量 C、O、H 和少量 S、N 等有机物和部分无机物成煤地质条件和沉积时间的差异，这些物质的结构和差异很大在 0.3%~3.5%之间，其来源主要是成煤植物中的生物碱、蛋白组分。如图 1-2 所示，Thomas[14]对一系列煤样数据分析后发量随着煤阶增大而增大，在碳含量约为 85%时达到最大，随后的增大氮含量减少。Lepp lahti[15]研究过程中也发现了类似规50001000 1200 1400 1600 1800 2000NTemperature in ℃

示意图,煤焦,官能团,示意图

第一章绪论，由于这些方法可能会对原料分子结构产来对样品无破坏的光谱分析法得到大量lectron spectroscope)可以通过分析样品的电的赋存形态及化合价等属性，是探究煤及煤XPS 测试结果表明，煤及煤焦中氮的赋存季氮(N-Q)和氧化性氮(N-X)[16-19]。吡啶 (啶与含氧官能团结合形成的吡啶酮，季氮构内部的氮原子，氧化性氮(N-X)为吡啶氮 Thomas[14]文献综述可知：煤中含氮官能啶氮，0-20%为季氮。随着煤阶的增大，吡会小幅增加，季氮则会相应减少，如图 1规律。许多研究者[22-27]也认为煤中含量最多

示意图,煤阶,官能团,煤焦

0-20%为季氮。随着煤阶的增大，吡咯含量会小幅增加，季氮则会相应减少，如图 1-4 所类似规律。许多研究者[22-27]也认为煤中含量最多的图 1-3 煤焦中氮官能团示意图[20]3 Schematic representation of the nitrogen functionalities in a

【参考文献】