（工程热物理专业论文）o2co2气氛下煤粉加压燃烧特性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 0 2 c 0 2 燃烧技术作为一种新型环境友好的燃煤方式，不仅在回收利用温室气 体c 0 2 上有较大的技术优势，并且在控制燃煤污染物生成方面也有很好的表现。 但在应用0 2 c 0 2 燃烧技术时，空气分离以及最后的c 0 2 压缩都是在高压下进行 的，而中间的炉膛燃烧过程却是处在常压下的，整个过程压力的先增、后降、再 升使得能耗大幅增加。基于富氧燃烧原理提出的加压富氧燃烧技术既实现了煤粉 的富氧燃烧和烟气再循环，又保证了从压缩空气制氧到捕集c 0 2 的整个过程在高 压下完成，在保证煤粉高效充分燃烧的同时还大大简化了系统和缩小了部件尺寸。 但是，目前国内外对于加压富氧燃烧过程中煤燃烧反应机理的研究还很少，因此， 研究煤粉在高压下的燃烧机理，探究压力对煤粉燃烧特性的影响规律，将有助于 加压富氧燃烧技术的深入发展，本文主要采用实验研究和理论分析的方法对以下 几方面的问题进行重点研究： 首先利用加压热重分析仪进行了加压下烟煤与无烟煤的非等温热重实验。结 果表明：高压下煤粉富氧燃烧的着火机制发生了改变，在2 兆帕下由常压的非均 相着火转变为高压下均相着火。并且随着压力的增加，着火点、最大燃烧速率点、 燃尽点温度逐步下降。挥发分燃烧速率随着压力增大而加快，煤粉颗粒的热解程 度逐步加深。无烟煤由于挥发份含量较少，压力增加对其燃烧特性的影响较小， 但压力的增加能很好的改善无烟煤的燃烧过程。 其次通过煤粉着火机理理论分析，得出着火机制发生转变的根本原因是：高 压下，挥发分的析出速度被加快以及到达煤粉单位面积上氧气浓度被升高。并从 热平衡状态的稳定性角度分析了着火点、 体的密度增高，使得散热曲线斜率变大， 燃尽点前移的原因是由于高压下环境气 平衡点向低温移动。 为进一步研究高压下煤粉气流的燃烧特性，设计搭建了目标压力为8 兆帕的流 动管式沉降炉。在搭建过程中，充分考虑了装置在高压下的气密性及安全性，同 时根据要实现煤粉着火点测量的需求布置了精密的测温系统。实验系统还包括给 粉系统、反应器系统、烟气分析系统及辅助系统。试验台的搭建为今后工作打下 基础。 关键词：富氧燃烧；加压；煤粉：p t g 英文摘要 a bs t r a c t 0 2 o d 2l o o p i n gc o m b u s t i o ni san e wp r o m i n e n tc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi nc 0 2 r e c o v e r yp r o c e s s i n g ，w h i c hg r e a t l yr e d u c i n gt h ee m i s s i o n so fc 0 2a j l di m p r o v i n gt h e c o a lc o m b u s t i o ne m c i e n c ya tm es a m et i m e b u ti nt h ea p p l i c a t i o no f0 2 c 0 2l o o p i n g c o m b u s t i o n ，t h ea i rs e p a r a t i o na i l da d 2c o m p r e s s i o na r eu 1 1 d e rh i 曲p r e s s u r e ，w h i l et h e 如m a c ec o m b u s t i o np r o c e s si su i l d e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，t h ei n c o n s i s t e n tp r e s s u r eo f t h ew h o l ep r o c e s sl e a dt 0e n e r g yc o n s u l n p t i o n i n c r e a s i n gt h ec o a lc o m b u s t i o np r e s s u r e c a i lm n h e ri m p r o v et 1 1 e m a le m c i e n c ya j l dr e d u c ec o a lu s e da m o u n ta i l dm e e tm e p o w e rd e m a n d ，a l s oc a n 鼬e rr e d u c ec 0 2e m i s s i o n s h o w e v e lf e wr e s e a r c ha b o u t c o a lc o m b u s t i o nr e a c t i o nm e c h a n i s mi n p r e s s u d z e do x y g e n e 1 1 r i c h e dc o m b u s t i o n p r o c e s sa th o m ea n da b r o a d r e s e a r c h i n gc o a | c o m b u s t i o nr e a c t i o nm e c h a i l i s mi nh i g h p r e s s u r ea n de x p l o r i n gi t se 丘e c to nc o a lc o m b u s t i o nw i l lh e l p0 2 c 0 2l o o p i n g c o m b u s t i o ni n - d e p t hd e v e l o p m e n t e x p e r i m e n ta 1 1 dt h e o r e t i c a la 1 1 a l y s i sa r eu s e di nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y ， t h e p r e s s u r i z e d n o n i s o t h e 衄a l t h e r m o g r a v i m e t r ye x p e r i m e n t so f b i t u m i n o u sc o a la l l da n t h r a c i t ew e r ec o n d u c t e di nap r e s s u r i z e dt h e 咖0 2 r a v i m e t r i c a n a l y z e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a lo x y g e n e 耐c h e d c o m b u s t i o nm e c h a n i s m c h a l l g e d ， t h e n o n - h o m o g e n e o u si g n i t i o nt w n e di n t o h o m o g e n e o u si g n i t i o ni n2m p a a n dv v i t hi n c r e a s i n gp r e s s u r e ，t 1 1 ei 印i t i o np o i n ta n d m a x i m u mb u m i n gr a t ep o i n ta 1 1 db u r no u tp o i n tw e r eg r a d u a ld e c l i n e t h ev o l a t i l e b u n l i n gr a t ea c c e l e r a t e db yh i g hp r e s s u r ea n dt h ed e g r e eo fp y r 0 1 y s i so fp u l v e r i z e dc o a l g r a d u a u yd e e p e n e dw i t hi n c r e a s i n gp r e s s u r e d u et ol e s sc o n t e n t so fv o l a t i l e ，h i g h p r e s s u r ea 虢c tl e s st h ec o m b u s t i o np r o p e i t i e so fa i l 咖麓c i t e ，b u tt h ei n c r e a s i n gp r e s s l l r e c a ni m p r o v ea n t h r a c i t ec o m b u s t i o n s e c o n d l y ，t h r o u 曲t h e o r e t i c a la n a l y z e dc o a li g n i t i o nm e c h a n i s m ，f o u n do u tt h a t a c c e l e r a t i n g v o l a t i l e p r e c i p i t a t i o ns p e e dw a st l l em 匆o r f a c t o rl e a dt o i g l l i t i o n m e c h a u l i s mc h a n g e d a n dr e a c ht h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h ep u l v e r i z e dc o a lu i l i t a r e aw a si n c r e a s e d t h e nu s i n gt h eh e a tb a l 锄c ep d n c i p l ea i l a l y z e dt h ei g l l i t i o np o i n t a n db m no u tp o i mf o r v 阳r dr e a s o ni nt 1 1 ev i e wo fb a l a n c em o v e ，f o u n do u tt h a td u et o g a sd e n s i t yi n c r e a s ei nh i g hp r e s s u r e ，c o o l i n gc u r v es l o p eb e c o m el a r g e r ，t h eb a l a i l c e p o i n tf 0 刑a r dt ot h el o wt e m p e r a t u r e f i n a l l y ，t of u r t h e rs t u d yt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp u l v e r i z e dc o a lu n d e rh i g h p r e s s u r e ，t h en o w t u b em m a c e 晰t hp r e s s u r eo f8m p aw a sd e s i g n e da n dc o n s t m c t e d i n t 1 1 e p r o c e s s ，t i g h t n e s s a 1 1 d s e c u r i t ) ru n d e rh i 曲p r e s s u r ew e r ef u l l yc o n s i d e r a t i o n a 础m g e m e n tt h ep r e c i s i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mt os a t i s 句m ed e m a n do f p u l v e r i z e dc o a li g n i t i o np o i n tm e a s u r e m e n t t h ee x p e r i m e n ts y s t e m sa l s oi n c l u d i n g p o w d e rf e e d i n gs y s t e m ，t h er e a c t o rs y s t e m ，n u eg a sa n a l y s i ss y s t e ma n da u x i l i a r y s y s t e m s ，w h i c hc a nl a yt h ef o u n d a t i o nf o r 如t u r ew o r k k e y w o l 之d s ：0 x y g e n - e i l r i c h e dc o m b u s i t i o n ；p r e s s u r i z e d ；p u l v e r i z e dc o a l ；p t g v l l 致谢 在论文即将收稿之际，首先要感谢导师何伯述教授在我论文写作过程中给予 的的悉心指导与大力支持。从论文的选题、文献的搜集、国内外研究现状的整理 到最终论文的定稿，从论文分析内容到格式，从论文各章节标题到标点，无不倾 注了导师的大量心血。没有导师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我硕士论文的顺 利完成。导师不仅授我以文，而且教我做人，严谨的治学态度、朴实无华的人格 魅力以及忘我的工作热情都深深地影响着我，使我终身受益。 研究生两年时间转眼而逝，期间，师兄裴晓辉、严林博，好友马乐乐、宋卫 宁、严丽敏以及师弟王超俊、姚放、李旭升，师妹闫娜等在我的论文写作以及生 活中给予了热情的帮助，在此向他们表达我深深的谢意。 感谢北京交通大学机械与电子控制工程学院各位老师在我攻读硕士学位期间 给予的帮助，感谢机电1 0 0 2 班的全体同学在班级学术文化建设方面给予我工作的 大力支持。 最后，感谢家人、朋友多年来对我的关心与支持，他们的理解与支持使我在 学校能够专心完成学业。 今后在掌握专业技能、搞好学术研究之余，希望做一个对社会有用的人，做 一个正直诚信的人。一路走来，有太多的人给予过我无私的帮助，我只能怀着感 恩的心去帮助更多的人，将爱心传递下去。也许我只是凡人中的一员，繁星中的 一颗，沧海中的一粟，但是我会尽全力做我能做的事，帮助我能够帮助到的人， 为社会贡献出我盼_ 份绵薄之力。 1 绪论 1 1 研究背景 l 绪论 能源是社会发展和进步的重要保障，由于煤炭的储量丰富，我国是世界上少 数几个以煤炭作为一次能源利用的国家，煤炭在我国的能源消费中一直占据着主 要位置。在同等的发热量下，煤炭是石油和天然气总和的十几倍。但煤炭在燃烧 过程中也产生大量的以c 0 2 、硫氧化物和氮氧化物为主的污染物。而近年来的研 究表明【1 j ，大气中温室气体浓度的增加是引起全球变暖和极端天气频繁发生的重要 原因。 c 0 2 的增加是造成全球温室效应的主要原因。因此，如何减少或是充分利用煤 炭燃烧过程中产生的c 0 2 逐渐成为了研究中的重点。 对于降低煤燃烧过程中产生的c 0 ：，其主要策略主要有控制c 0 2 的产生和对 c 0 2 进行回收处理。针对这两种策略，许多研究者已经开展了大量的工作( 2 j ，其中 最有代表性的措施主要为： 提高能量转换效率，增加能源利用率。发电机组效率的提高能够有效的减 少c 0 2 的产生，而能源利用率的提高也会降低能源使用量，从而又进一步减少c 0 2 的产生； 使用替代能源。开发利用诸如水能、风能、核能、太阳能等新型能源； 对烟气进行回收处理。目前对烟气中的硫氧化物和氮氧化物已有成熟的处 理技术，但目前对于c 0 2 的处理还未开发出有效的方法； 脱除c 0 2 的气体放电技术。除了在物理或化学上吸收处理c 0 2 以外，还有 研究者提出了脱除c 0 2 的气体放电技术，即利用气体放电的方法分离c 0 2 ； 回收转化大气中的c 0 2 ； c 0 2 固定技术。主要包括物理固定、化学固定和生物固定等。 通过比较上述六种措施的优缺点可以看到，第一种措施综合效果最好，在提 高能源利用率的同时有效的降低了排放，第二种方法中提到的能源都属于可再生 能源，其使用过程对环境的影响最小，但在目前的技术条件下，这些新能源的开 发利用都普遍一定的困难，还不能大范围的推广使用。第四、五种措施目前仍处 于试验研究阶段，离工业化应用还有一定距离。c 0 2 固定技术成本较大，投入产出 比不能达到满意的效果。 在这六种方法中，从现有的能源结构、技术条件以及技术的成熟度来看，c 0 2 的烟气回收处理方法是最佳且最有潜力的方案。0 2 c 0 2 循环燃烧技术是烟气回收 1 北京交通大学硕士学位论文 处理c 0 2 技术中最为突出的一种新型燃烧技术。图1 1 给出的是0 2 c 0 2 循环燃烧 示意图。0 2 c 0 2 循环燃烧技术以纯氧代替空气，同时采用烟气再循环，以煤粉在 纯氧中燃烧产生的c 0 2 代替空气中的氮气，如此循环，大大降低了c 0 2 向大气的 排放。另一方面，燃烧装置的排烟量由于烟气的循环利用得到有效降低，使得燃 烧效率显著提耐3 1 。此外，还有研究表明通过0 2 c 0 2 循环燃烧技术还能有效的脱 硫和脱销【4 】。 c 0 2 回收 图1 10 2 c 0 2 循环燃烧不意图 f i g1 - 10 2 c 0 2c i r c u l a t i o nb 啪i n gs c h e m e 但在0 2 c 0 2 循环燃烧系统中，整个燃烧与换热过程均在常压下进行，而空气 分离制氧和高浓度的c 0 2 烟气压缩过程却是在高压下进行。这样势必会造成电力 的浪费，使得c 0 2 的回收成本偏高，经济性差，富氧燃烧在c 0 2 回收利用上的优 越性难以体现出来。 另一方面，随着对煤燃烧过程的深入研究，学者们发现通过加压燃烧能够进 一步提高热效率5 1 ，同时由于压力的增加缩小了煤粉颗粒尺寸，在满足动力需求的 同时能够降低煤炭使用量，从而进一步降低c 0 2 的排放。 基于富氧燃烧原理提出的增压流化床燃烧既实现了煤粉的富氧燃烧和烟气再 循环，又保证了从压缩空气制氧到捕集c 0 2 的整个过程在高压下完成，在保证煤 粉高效充分燃烧的同时还大大简化了系统和缩小了部件尺寸，是迄今为止可高效 捕集c 0 2 并维持较高经济性的较理想的燃煤火力发电技术。 美国n 黜e n c r g y 公司提出了采用加压富氧燃煤的整体化发电系统的概念设 计方案如图1 2 所示 图1 2 加压富氧燃煤的整体化发电系统示意图 f i g1 2p r e s s 删z e do x y g e n - e n r i c h e di n t e 刚i o ng e n e r a t i n gs y s t e ms c h e m a t i cd i a 伊锄 1 绪论 总的来说，与常压富氧燃烧相比，加压富氧燃烧不仅大幅提高了烟气中水蒸 气的凝结温度，增加了排烟回收的热量，同时降低了对烟气压缩液化的能耗，整 体的发电效率得到提耐6 1 。 目前国内外对于加压富氧燃烧过程中煤炭燃烧反应机理的研究还很少，因此， 对于0 2 c 0 2 气氛下煤粉加压燃烧特性研究将有助于我国煤燃烧技术的深入发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 10 2 c 0 2 循环燃烧技术的国内外研究现状 由于c 0 2 巨大的商业利用价值，美国的加9 0 i l i l e 国家实验室于1 9 8 2 年在加利 福尼亚建立了一个2 9 4m w 规模的系统【7 j 。对煤粉烟气再循环燃烧技术进行研究， 该技术主要由空气分离、0 2 c 0 2 燃烧和电力产生和烟气压缩脱水三个基本步骤组 成【8 j 。研究结果表明要想采用该技术，需对常规锅炉进行相应的改造。 国际能源署自1 9 9 4 年开始资助加拿大的能源技术研究中心开展富氧燃烧技术 的研究工作【9 ，1 0 】。，用于研究的试验炉最大功率达到了o 2 9 m w ，可在各种工况下运 行，主要研究0 2 c 0 2 气氛下煤粉燃烧中的火焰以及污染物的形成。 日本也在1 9 9 0 年开始对富氧燃烧的可行性进行了研究，并在接下来的研究中 考察了煤粉富氧燃烧下的点火特性、火焰传播特性和燃烧特性等。m 啪【1 1 】通 过研究0 2 c 0 2 气氛下煤粉的燃烧发现了影响火焰不稳定性的因素，同时发现飞灰 中存在着含量很高的可燃物。他提出可通过提高混合气中氧气的浓度来改善煤粉 的燃烧性能。此外，n o z i k a 【1 2 1 等人开发出了一种氧气喷管，利用这种装置有效的 提高了煤粉的燃烧性能。 日本的o k a w a f l 3 】和o k a z a l ( i f l 4 】、k 0 k a z a k i 【1 5 】、l i 【16 1 、加拿大的c r o i s e t 【1 7 】和d u a i l 等人【1 8 】利用试验炉和热重分析法分别对0 2 c 0 2 气氛下煤粉的燃烧进行了研究，发 现富氧状态下煤粉燃烧过程中氮氧化物和硫化物的生成量大大减少。 瑞典的瓦滕法尔能源集团开展了煤粉富氧燃烧商业化应用的研究【1 9 1 。他们于 2 0 0 5 年在德国建造了全世界第一座基于0 2 c 0 2 燃烧技术的德国黑泵电厂，该电厂 采用的是阿尔斯通富氧燃烧技术。同年，澳大利亚也建立了基于0 2 c 0 2 燃烧技术 的电厂【2 们。 国内对于富氧燃烧技术实质性的研究开展较晚，近几年主要是在华中科技大 学、东南大学、清华大学、华北电力大学等学校中展开。 华中科技大学的王宏】利用卧式管电炉，对7 0 0 1 0 0 0 下0 2 c 0 2 气氛和空 气气氛中煤粉的燃烧过程进行了实验研究，并分析了氮氧化物和硫化物的排放特 北京交通大学硕士学位论文 性。研究结果表明，煤粉中的氮含量是影响氮氧化物生成的主要因素，在较大的 c 0 2 气氛下，氮氧化物的排放能够得到有效的降低。同时，c 0 2 的存在还大大提高 了喷钙脱硫的效率。 浙江大学的骆仲映陋】等人进行了不同氧含量的0 2 c 0 2 气氛和0 2 n 2 气氛下的 热重试验，结果显示，随着混合气氛中氧气体积百分比的增大，煤焦着火点提前， 燃烧时间缩短，c 0 2 的存在没有构成对煤焦反应动力学的影响。 华北电力大学的刘彦丰【2 3 】等人通过对二维轴对称、旋流、垂直筒式炉内煤粉 燃烧火焰特性进行了数值模拟，仿真结果表明，在0 2 c 0 2 气氛中，烟气的辐射吸 收系数比在空气中提高3 0 巧0 ；当0 2 c 0 2 的体积比达到2 9 吲7 1 时，其温 度水平接近于空气中的燃烧温度。 浙江大学的刘靖昀【2 4 1 等人利用热天平实验，对不同煤种的燃烧进行了研究。 通过研究发现随着氧气浓度的增多，不同煤种的最大燃烧速度对应的燃烧温度逐 渐降低，t g 曲线逐渐左移，且t g 曲线变得越来越陡峭。研究结果表明氧浓度的 增加使得燃烧提前，增加了煤粉燃烧速度，与一般氧浓度条件相比，富氧状态下 煤粉的综合燃烧性能得到了提高。另外，研究还表明，当氧浓度大于4 0 时，氧 浓度的增加对燃烧性能的改善逐渐减弱。 华中科技大学万吨级别碳捕获试验基地2 0 1 1 年1 2 月18 日在武汉建成并投入 运行。该平台是目前国内首套富氧燃烧碳捕获全流程试验系统，每年二氧化碳捕 获量级别为万吨级，目前可实现二氧化碳年捕获量7 0 0 0 吨。标志着中国在碳减排 技术自主研发方面取得重要进展，同时也证明了煤粉富氧燃烧技术的切实可行性 以及在碳捕获技术中的优势。 1 2 2 煤粉加压国内外研究现状 目前已有研究者对流化床条件下压力对毫米级微粒燃烧率的影响进行了研 究。一般认为燃烧率不受压力影响，但是越来越多研究表明，燃烧比率随着压力 的变化而变化。另外，研究者们还对不同压力下煤粉微粒的变化情况进行了研究。 m o n s o n 等人【2 5 j 通过实验研究了不同极细小的煤粉微粒，通过实验发现，当总 体压力恒定时，氧气的分压力的提高会相应增加煤粉微粒的温度。但是当氧气分 压力一定时，提高炉内整体压力会使煤粉微粒的温度大幅降低。 m u l l l e n 和s c h u l t e 同时实验先后证明了当煤粉微粒尺寸较大( 3 1 5 5 0 0 岬) 时， 在环境温度达到1 1 4 3k ，压力达到o 1 1 5 御a 时，含有沥青的易挥发的煤的燃烧 率受压力的影响较为明显。 同时，学者们还研究了压力对固体燃料着火温度的影响。s h u l t e f 2 6 】等人通过实 4 1 绪论 验发现异类的固体燃料的着火温度随着压力的升高而降低。还多次验证了高加热 率下压力对煤粉微粒的影响。他认为在不活泼的( 惰性的) 气体环境中，加热速 率的降低或者是压力的增加都会减少易挥发燃料的挥发量。和大多数的燃料变化 不同，在曳带流反应炉中，压力增加提高了泥煤粉的高温分解率。 r - e u m e r 和j e n k i n s 【2 6 1 讨论了在快速高温分解下二氧化碳的作用。r - e l 汕e r 和 j e 凼n s 测量了两种压力下氮气、氦气和二氧化碳混合物的液化程度。研究发现由 于二氧化碳的存在，在高温分解期早期的重量损失增加了。 另外，通过研究发现，二氧化碳气化率要小于氧气的燃烧率。s o t i r c h o s 等人【2 6 】 认为燃烧和气化反应是同时进行的，他还仔细分析了单一煤焦微粒燃烧模型。 m i t c h e l l 和m a d s e n ，m a k i i l o 和k l w ，m a k i n o ，s h a 血m 和m a d s e n ，还有w 撕g 等人通过研究都发现燃烧和气化是同时发生的。m i t c h e n 和m a d s e n 【2 6 1 在燃烧实验 中采用两种二氧化碳浓度：2 1 和8 ( 体积分数) ，结果显示当氧气含量达3 和 6 ，气体温度在1 3 4 4k ，1 5 0 7k 之间变化时，整个煤焦微粒( n 5 i l m ) 的燃烧速率 不受二氧化碳浓度的影响。 l 沁巧l k 0 和e s s e n l l i 曲在实验中发现了在1 0s 1 0 0s 这段时间内，微粒温度波 动的情况。这些波动被认为是由不断变化的特定区域和c 0 氧化为c 0 2 的剧烈的 相似氧化作用所引起的。但是，也有部分的学者认为是因为内部具有吸热性的二 氧化碳气化生成一氧化碳的结果。目前，研究者们还对压力和二氧化碳浓度的相 互联系对燃烧率和微粒温度的影响进行了理论分析和研究。 1 3 研究意义及内容 1 3 1 研究意义 0 2 c 0 2 循环燃烧技术是烟气回收处理c 0 2 技术中最为突出的一种新型燃烧技 术，在0 2 c 0 2 循环燃烧中，煤粉在富氧条件下燃烧，燃烧过程中产生的c 0 2 通过 烟气再循环代替氮气参与燃烧反应过程，极大的降低了c 0 2 向大气的排放，同时 显著的提高了煤粉的燃烧效率。通过重新审视富氧燃烧系统发现，该系统的空气 分离制氧与最后压缩高浓度c 0 2 烟气的过程均是在高压下进行，但在整个燃烧与 换热过程中又沿用了常压下的常规煤粉燃烧方式，因此，两次大规模的空气压缩 制氧与c 0 2 压缩液化过程均消耗了大量的电力，使在富氧条件下回收c 0 2 的技术 也存在成本高、经济性差的问题，难以体现富氧燃烧在捕集c 0 2 方面的优越性。 基于富氧燃烧技术提出的加压煤粉富氧技术，仍然采用富氧燃烧与烟气再循 环方式，但是，从a s u 制氧、煤燃烧与锅炉换热，直到烟气压缩捕集c 0 2 的全过 北京交通大学硕士学位论文 程均维持在高压下完成。其优势主要在于： ( 1 ) 如果整体系统压力升高到6 8m p a ，则锅炉排烟中的水分凝结温度会大幅 度提高到1 6 7 2 2 2 ，因此，可以采用锅炉排烟冷凝器，将原本无法利用的水分 低温凝结热量变成了有利用价值的较高温度的凝结热量。 ( 2 ) c 0 2 的液化工艺大大简化，因为，对应于6m p a 的烟气压力，其对应的 c 0 2 凝结温度只有2 0 2 5 ，只需要采用电厂的冷却水将烟气进一步冷却到2 0 以下，就可以得到液态的c 0 2 。 ( 3 ) 再循环回到炉膛的烟气也被脱去了水分，烟气中的大部分灰分也会随水分 被除去，s 0 2 与s 0 3 也会被同时除去，不必设置烟气脱湿净化设各，大大简化了富 氧燃烧设备与系统。 ( 4 ) 燃烧与换热过程均在高压下运行，与在常压下运行比较，锅炉所有部件的 尺寸均会大大减小。 因此研究者们提出了基于富氧燃烧原理提出的加压燃烧技术。但是，目前国 内外对于增压富氧燃烧过程中煤炭燃烧反应机理的研究还很少，因此，研究煤粉 在高压下的燃烧机理，探究压力对煤粉燃烧特性的影响规律，将有助于0 2 c 0 2 循环燃烧技术的深入发展。 1 3 2 研究内容 本文针对不同压力对富氧燃烧特性的影响分析进行了实验与理论的研究。论 文具体从以下3 个方面进行了研究： ( 1 ) 煤粉燃烧机理的理论分析 针对煤粉燃烧的燃烧机制，分析挥发分、温度、压力等条件对燃烧机制的影 响。并详细描述了煤粉着火、挥发分燃烧、固定碳燃尽的过程，及其影响因素。 ( 2 ) 利用加压t g 分析压力、煤种等因素对富氧燃烧特性的影响 求出不同工况下的煤粉的着火点、最大燃烧速率点、燃尽点等燃烧特性参数。 并对压力、煤种对燃烧特性的影响进行了分析，发现了着火机制的转变。最后利 用热平衡稳定性方法证明了着火点、燃尽点在高压下前移原因。 ( 3 ) 搭建加压沉降炉 构建加压连续沉降炉实验台，描述实验台的设计目的和设计思路，以及拟在 实验中采取的实验方法及相关理论，为进一步研究打下基础。 2 煤燃烧理论及实验装置介绍 2 煤燃烧理论及实验装置介绍 2 1 煤燃烧过程概述及影响燃烧因素分析 2 1 1 煤粉的燃烧过程 以煤炭颗粒为主体来描述煤粉燃烧的过程：首先，外加热源将煤样加热使之 干燥，水分在温度达到1 0 0o c 1 5 0o c 时逐渐完全蒸发。此后，挥发物随着温度的 升高逐渐析出，析出的挥发物与氧气混合，在氧气浓度达到临界值并且达到着火 条件时，混合气开始着火燃烧，形成明亮的火焰，使煤粒进一步被加热，焦炭由 于挥发物的引燃作用逐渐燃尽。在煤的总燃烧时间中，挥发分析出并燃尽的时间 占总时间的1 0 ，焦炭燃尽的时间占9 0 【2 7 1 。关于挥发分与焦炭着火先后的问题， 一直存在许多的分歧。由于煤种的不同以及加热方式等环境因素的差异，上述几 个阶段的发生顺序各不相同。 总的来看，可将煤的燃烧过程划分成两个阶段：首先是活化分子在燃料与氧 化剂的氧化作用下缓慢积累，同时可燃物温度逐渐提高，接着由于反应的进一步 发生，反应速度迅速上升，放出大量而强烈的光和热。有关煤着火的定义一直没 有一个合适的结论，一般来说可描述为燃料与氧化剂达到一个连续快速的化学反 应过程，实验时用火焰的产生来鉴别。由于煤有时在温度较低时也能缓慢反应， 难以观察到火焰，故煤的着火也可定义为当反应释放的热量大于热损失的能量时 就能着火。根据目前的理论【2 8 1 ，燃烧发生于碳粒吸附表面上，氧气首先依靠气流 运动在灰层和煤粒微孔内部扩散，期间化学吸附和氧化反应发生于煤碳表面，产 物再经微孔扩散于煤的外表面和灰层，最后在气流运动作用下扩散出去。因此， 整个燃烧过程由化学反应过程和扩散过程组成，煤本身的特性决定了化学反应的 时间，气流运动的强弱以及灰层厚度决定了扩散的快慢。 2 1 2 煤的着火 着火被描述为燃料与氧化剂达到一个连续反应的过程，经常用可见火焰来鉴 别着火，但是有时候反应也能在低温下很慢地进行，没有可见火焰，当一个可燃 物容积中热产生的速率超过热损失的速率时，着火便发生。 ( 1 ) 煤的着火机制 着火机制是人们关于煤粉燃烧长期争论的焦点问题之一。f a r a d a y 和l y e l l 印1 北京交通大学硕士学位论文 的报告中提出了均相着火的机制，即认为煤的着火总是在气相中发生，煤粒受热 后先释放出挥发分，挥发分与氧混合后在一定的条件下着火，然后迅速燃烧，产 生的热量使煤焦加热、着火、燃烧直至固定碳燃尽。这一理论成功的解释了固定 床的燃烧，因而流行了一个世纪。 1 9 1 2 年，w h e e l e 产7 】在研究中发现，在缓慢燃烧时，煤是按均相着火，而在急 速燃烧时，则可能从表面燃烧开始，因此提出了多相着火( 非均相着火) 的概念。 目前两种着火机制己普遍被人们所接受，但在特定的燃烧情况下，着火方式究竟 是哪种，取决于具体的燃烧条件。图2 1 给出了典型烟煤的着火方式图谱，该图描 述了着火方式与颗粒加热速度、颗粒粒度的关系。从图上可以看出颗粒大，加热 速度低时为均相着火；颗粒小，加热速率高时为多相着火；其余大部分情况下都 是均相多相联合着火的方式。实际中，影响着火方式的不只是粒度和加热速率， 还有煤种，煤质特性，加热条件，氧浓度等都影响着火方式。 j p 憋 翻 纂 翔 褴 影弘翔温囊 图2 1 煤粉着火方式图谱( i 多相着火，l i 均相着火，i i i 联合着火) f i g2 1m a p p i n go f p u l v e r i z e dc o a li g n i t i o nm o d e ( 2 ) 煤粉颗粒群的着火及数学模型 研究煤粉的着火时，每个颗粒都受到浓度效应的影响，即颗粒所受影响除了 自身因素外，主要取决于它周围的颗粒数以及与这些颗粒直接的距离，即取决于 整个煤粉气流中的煤粉浓度。 为了研究煤粉的颗粒群的着火特性，文献口9 ，3 伽研究了一个单一直径d p 的煤粉 颗粒群均匀弥散在空气中所形成的直接为d c 的球星颗粒群的着火模型。颗粒群为 静止的，并处在温度为t b 的辐射加热和温度为t c 的气体对流加热中。加热使颗 粒群升温、着火并燃烧。模型假设如下： 蘩臻 聋 2 煤燃烧理论及实验装置介绍 颗粒群内物性参数均匀分布； 只考虑煤粉对辐射的吸收和发射，不考虑散射，煤粉按照灰体处理，气体 按透明体处理； 煤粉颗粒视为热量、质量的点源； 煤粉仅由挥发分和固定碳组成。挥发分析出是等粒径过程， 氧化反应是等密度过程。热解按两竞争反应进行： 煤与k + ( 1 一q ) 煤焦 煤与+ ( 1 一) 煤焦 式中，仅i 刊：嘶i - 2 煤粒表面多相氧化反应按下式进行： 而颗粒表面的 ( 2 1 ) ( 2 2 ) c + d ，j c q( 2 3 ) 因为着火前后颗粒温度不高，认为c 0 2 是主要产物。 挥发分的气相燃烧分别采用两种加设： a 挥发分析出后即与0 2 反应，即挥发分燃烧速率无限大，热解速率控制着 挥发分的燃烧和反应释热； b 挥发分以有限速率燃烧，挥发分燃烧按一步总包反应进行，取高温下挥发 分v i ( c h 4 ) ，低温下挥发分v i i ( c 6 h 6 ) ： c ( k ) + 2 d 2 专c q + 2 h 2 d ( 2 。4 ) c 6 鼠( k 。) + 7 5 q 专6 c q + 3 马d ( 2 5 ) 颗粒与气相不等温，两者以对流换热的形式进行热交换，n u = 2 ： 挥发分气相反应放热气体，而颗粒表面氧化放热则加热颗粒。相对地， 热解吸收很少，可忽略不计。 在上述假定下，可以写出煤粉颗粒的能量方程和气相的能量方程，联立颗粒 直径方程、氧量变化、挥发分质量方程等辅助方程，求解这些方程即可确定颗粒 群的着火温度和着火时间。该模型中的颗粒群，不考虑颗粒散热，所以当t b 大于 一定值时肯定可以着火，且属于非临界着火。对其定义为： d 2 r 矿2 0 ( 2 6 ) 由此可求的着火时间和着火温度。对于颗粒群，着火可能是多相着火，即始 于颗粒表面；也可能是均相着火，即着火首先发生在气相中。可按照公式( 2 6 ) 分 别分别计算固相和气相的着火时间，若气相的着火时间较短，则着火为均相着火； q 北京交通大学硕士学位论文 反之为多相着火。 文献【2 9 3 0 】采用模型研究了受辐射加热的颗粒群着火机制、着火时间、着火温度 与煤粉浓度的关系，挥发分含量、煤粉颗粒、辐射源温度对着火时间的影响；受 对流加热颗粒群除了研究了着火与煤粉浓度的关系外，还研究了颗粒群本事的特 性影响因素( 包括挥发分含量、粒径、颗粒群尺寸、氧浓度、颗粒群初温) 、加 热条件对着火时间的影响。其主要结论如下： 煤粉颗粒群的着火随着煤粉浓度由浓到稀的变化，出现由均相向多相的转 变； 在条件一致时，多相着火的时间要大于均相着火，均相着火主要发生于高 浓度下； 煤粉着火还受颗粒群本身特性的影响。着火时间在挥发分较高、粒径较小、 氧浓度较大时较短； 外加温度是影响着火时间的最主要因素，温度越高着火时间越短。 ( 3 ) 着火的影响因素分析 理论分析表明，影响煤粒着火的主要因素包括煤种( 挥发份含量、灰分、水 分、岩相结构等) 、煤的粒径大小、传热条件( 煤粉着火所需热量主要通过对流 传热，辐射传热所提供着火能量只占1 0 3 0 左右) 、加热速率、氧化剂浓度、 燃烧初始温度、环境压力等。从物理化学过程来讲，着火过程主要受气体和热颗 粒对煤的加热速率、煤的热解速率、气体燃料和氧化剂组分的扩散速率以及热解 产物与氧的气相反应速率等的影响。 一挥发份的影响 挥发份是煤中的芳香烃和直链状脂肪族结构物质在一定温度下热解会发出的 物质，在煤的整个燃烧过程中都有挥发份的析出，严重影响着煤的燃烧过程。根 据均相着火思想，在煤燃烧的初期就有挥发份析出，挥发份先于焦炭着火，其燃 烧产生的热量引燃焦炭使之着火。另外，挥发份析出过程中产生的孔隙使煤样变 得疏松，形成的孔隙使得化学反应表面积增加，便于氧气在煤粒间的扩散，从而 促进煤样的燃烧。加热速率、温度、颗粒大小以及压力等都会对挥发份的析出产 生重要影响， 一灰分的影响 灰分由于影响着挥发份的析出以及氧气在煤粒内部的扩散，从而对煤的着火 有影响。灰分主要分为内在灰质和外在灰质两种，内在灰质是成煤过程中形成的 均布于可燃质中的灰质，不易清除；外在灰质主要影响煤粒的燃尽。 l o 2 煤燃烧理论及实验装置介绍 _ 熔融膨胀对着火的影响 熔融膨胀主要是由于影响挥发份的析出而对煤的着火有影响。若煤的焦结膨胀性 大，则会堵塞挥发份析出时产生的孔隙，阻碍了挥发份的析出；若煤的漏气性强， 则挥发份析出后扩散太迅速，影响了氧气的扩散，进而对煤的燃烧产生不利影响。 2 1 3 煤的热解及挥发分燃烧 煤粉被加热到足够温度时，开始发生热解反应，释放出挥发分及煤焦油。在 1 0 5 0 c 以前主要析出的是水分和气体。在2 0 0 3 0 0o c 时析出的煤粉内部水分称为 热解水，此时同时开始释放气态产物，如c o 和c 0 2 ，以及微量焦油。随着温度的 上升，在3 0 0 5 0 0o c 时，开始析出大量的焦油和气体，主要成分为c h 4 以及其同 系物、不饱和烃、c o 、c 0 2 等初次挥发物、少量的酚等。初次挥发物在向外扩散 通过煤粒空隙和燃料层时，有可能再次分析或热解成为二次挥发物。在5 0 0 7 0 0 。c 时，半焦开始产生热解，大量析出含氢元素较多的气体。在7 0 0 1 0 0 0o c 时，半焦 持续热解，变成高温的焦炭。 煤是高分子化合物组成的极其复杂的混合体【2 7 1 ，由结构上类似但又不完全相 同的单体结构单元聚合而成的大分子组成，其结构非常的复杂且极不稳定，所以 热解过程中的分解方式、热解产物和数量，以及性质等极易受到外界的因素影响。 这些因素主要是：加热速率、加热终温、时间、周围气体压力、气体成分以及反 应器的形式、煤粒的尺寸和流体动力条件等。研究表明，对于每一个具体的加热 速率，挥发分的总析出量以及挥发物中气态和液态碳氢化合物的比例随着加热温 度的升高而增加。如果热解终温保持在较低温度不变，随着加热速率的增加挥发 分的总析出量将增加，但挥发物中气态和液态的碳氢化合物的比例将减小。当热 解的终温很高时，在高的加热速率下，挥发分的总析出量及其气液碳氢化合物的 比例均增高。此外，加热温度越高。停留时间越长，煤热解析出的挥发分就越多。 煤的热解过程主要可总结为：分解反应和缩合缔合反应，它包括有机质的裂 解、裂解产物中轻质部分的挥发以及残留部分的缔合，热分解的趋势是使煤中的 热不稳定部分不断地热解、会发出去，残留的部分不断地缔合增碳，形成热稳定 产物。 根据升温速率的不同，一般将热解过程分为快速、中速和慢速分解三种类型。 当升温速率大于1 0 4o c s 时发生的热解成为快速热解。一般当煤颗粒尺寸小于1 0 0 岬时，较容易出现快速热解。而升温速率小于2o c s 时发生的热解，成为慢速热 解。属于两种速度中间的，称为中速热解。对于本文第三章要运用的热重试验台 架就属于慢速热解的范畴。慢速热解动力学一般分为两个阶段 3 l 】：一次热解过程， 北京交通大学硕士学位论文 其主要析出的产物是高分子成分以及煤焦油。第二阶段则相当缓慢，可能持续若 干小时才可以结束。而本文第五章搭建的高压管式沉降炉，就属于快速热解的范 畴。煤颗粒自由沉降进入炉膛，收壁面加热的热辐射以及气体的对流影响，在很 短的速度内被加热。达到很快的加热速率，这样减少了挥发分长期与焦炭接触的 反应带来的二次变化。这种沉降的方法，也与电厂燃煤锅炉实际工况最为接近。 总之，快速热解下的极限失重率是远远大于慢速热解条件下的极限失重率的，并 且通过实验也会发现其挥发出来的焦油量也是大于慢速热解状态下的。但是由于 快速热解的加热时间很短，那么也就要求了更高的温度，这样才能达到和慢速热 解同样数量的热解产物。 挥发分的燃烧在长期以来的研究中，都没有得到足够的重视。其原因主要是 由于：一是挥发分的燃烧在煤粉总的燃烧过程中只占大约1 0 的时间，剩余9 0 的时间都是焦炭的燃烧，所以一些研究者认为挥发分的燃烧不是主要的研究内容， 就不对其深入研究。第二点也是最重要的原因是由于热解的自身反应产物复杂且 多变，而大多数的组分处于非均相湍流区域内，燃烧自身涉及的机理也非常的复 杂，所以严格的对挥发分的燃烧进行研究是非常困难的。虽然挥发分在整体煤粉 的燃烬等方面不是起到主要作用的因素，但它对焦炭的着火以及控制氧化氮、燃 烧的稳定燃烧的作用是不可忽视的。并