（动力工程及工程热物理专业论文）富氧气氛下煤掺混生物质燃烧特性.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文首先利用热重分析仪对煤、生物质混合物在三种氧气浓度条件下进行热 重实验并对实验结果进行分析，总结得出氧气浓度、掺混比、粒径对混合物燃烧 特性影响。简要分析了生物质对煤燃烧促进( 抑制) 作用。同时对燃烧过程进行 动力学参数计算，从燃烧动力学角度简要分析氧气浓度、掺混比对燃烧过程影响。 接着在固定床燃烧系统中对煤掺混生物质在三种氧气浓度条件下进行定炉温燃烧 实验，对燃烧温度随氧气浓度、掺混比变化趋势进行分析，同时使用气相色谱仪 对烟气进行了测量，总结出氧气浓度、掺混比、加热终温对二氧化碳浓度时间曲 线和平均浓度的影响。通过上述实验，本文得出： ( 1 ) 氧气浓度对煤、生物质混合物燃烧影响较大。氧气浓度增加，失重曲线、 失重率曲线均往低温区移动，失重率峰值明显增加，燃烧更为猛烈，燃烬温度大 幅降低，综合燃烧指数明显增大。 ( 2 ) 掺混比增大，失重曲线向低温区平移，挥发分失重峰峰值增加，固定碳 燃烧失重峰峰值减小，未燃烬物质质量减小。随着煤粒径减小，固定碳燃烧段失 重率增大，未燃烬物质质量减小。当掺混比大于2 0 ，生物质对煤后期燃烧有抑 制作用。 ( 3 ) 氧气浓度升高，固定碳燃烧段表观活化能上升。表观活能随着掺混比增 加而减小。 ( 4 ) 在固定床燃烧试验中，氧气浓度对燃烧温度影响具有阶段性。初始段， 氧气浓度对温度曲线基本没有影响，物料基本以线性速率升温。物料着火后，不 同氧气浓度下温度曲线开始分离。随着时间推进，氧气浓度影响越来越大，温度 曲线分离趋势更加明显。当温度到达峰值后，温度以较快速率回落到环境温度。 在低氧浓度区间，燃烧峰值温度随氧气浓度升高而升高。在高氧浓度区间， 在小掺混比条件下燃烧峰值温度随氧气浓度升高而升高，在中等掺混比条件下燃 烧峰值温度基本不随氧气浓度变化，在高掺混比条件下燃烧峰值温度随氧气浓度 升高明显降低。燃烧时间均随氧气浓度增加而减少。掺混比增加，燃烧峰值温度 降低。 ( 5 ) 氧气浓度升高，二氧化碳排放平均浓度上升。加热终温升高可明显提高 二氧化碳平均浓度。 关键词：富氧燃烧，热重实验，燃烧特性，固定床，二氧化碳 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h e n l l o 鲫i i i l e t r i ca n a l y z e rw a su s e di nc o m b u s t i o ne ) 【p e r i m e n t sf o rm i ) 【t u r e so f c o ma i l db i o m a s si nt 1 1 r e eo x y g e nc o n c 删o n s i i l n u e n c e so fo x y g e nc o n c e 曲瞰i o n ， m i x i i l gr a t i o ，a i l dp a r t i c l es i z eo nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 、v e r eo b t a j n e d ab r i e f a i 谢y s i sw a sd o n et l l a tp r o m o t i o no ri i 出i b i t i o no fb i o m a s so n c o a lc o i i l _ b u s t i o n 飚i l e t i c p a r a m e t e r s o fc o m b u s t i o np r o c e s sw e r ec 甜c u l a t e d ，w h i c hw e r eu s e dt o a i l a l y z e i i l f l u e n c eo fo x y g e nc o n c e m r a t i o n ，a n dm i x i n gr a t i oo nc o m b u s t i o np r o c e s si nt e n n so f 也e 珊a li i y n 锄i c s t h e nm l d e rt ：h ec o i l d i t i o n so fm et l l r e et y p e so fo x y g e nc o n c e n 仃a t i o n ， i n 也ef - e db e dc o m b u s t i o ns y s t e m ，f o rm i x t u r e so fc o a la i l db i o m a s s ，e x p e r i i n e n t so f c o m b u s t i o nw e r ed o n ei nag i v e n 如m a c et e m p e r a ：t u r e a l s o ，i tw a sc o n c l u d e dt 1 1 a t i 1 u e n c eo fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，m i x i n gr a t i oo nt l l ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e c a r b o n d i o x i d ec o n c e n t r a t i o ni nc o m b u s t i o nn u eg a s e sw a sm e a s u r e du s i n gg a sc h m m a t o g r 印h ， w h j c hh e l pc o n c l u d ei n n u e n c eo fo x y g e nc o n c e 劬r a t i o n ， m i x i n gr a t i o ，h e a t i n g t 黜n p e r a t u r eo nt i l n ec u r v ea n da v e r a g ec o n c e n 缸a t i o no fc a r b o nd i o x i d ec o n c e n 缸a t i o n ( 1 ) o x y g e nc o n c e n 订a t i o ni m p a 应so b v i o u s l yo nc o i i l _ b u s t i o no f c o a la i l db i o m a s s 1 1 1 i ) ( t i 鹏w o x y g e nc o n c e n 仃a t i o ni r l c r e a s i n g ，b o 1t h e 衄。伊a v i l i l e t r i c ( z 回c u r v e s a n dd i f f e r e n t i a lt h e m o 孕a v i m e t r i c ( d 7 1 g ) c u r v e sm o v et ol o w e rt e i n p e r a _ t u r ez o n e ，a n d p e a kv a l u eo nd z i gc u r v e si n c r e a s e ss i g i l i f i c a n t l y o x y g e nc o n c e n t 】嘶o ni n c r e a s i n g s i 嘶f i c a n t l yr e d u c e st l l et e m p e r a ：t u r eo fb 埘n g o u t b u ti n c r e a s e s 咖e t i ci i l d e x ( 2 ) w i mm i ) 【i n g 硎oi n c r e a s i n g ，兀；c u r v e sm o v et ol o w e rt e n l p e r a t u r ez o n ea n d p e a kv a l u eo nd 7 1 gc u r v e si nv 0 1 a t i l ec o m p o n e n t sr e l e a s i n gs e c t i o ni n c r e a u s e s a l s o ， p e a kv a l u ei nf i x e dc a r b o nc o m b l l s t i o ns e c t i o no nd z l gc u r v e sd e c r e a u s e sa n d 谢t 1 1i t r e m a i l l so f1 m b l l m e d c o a lp a m c l es i z ei i l c r e a s i n gh e l p sd 7 gv a l u e s 野o wi nf i x e d c a r b o nc o m b u s t i o ns e g m e n ta n di l l c r e a s eq u a l i 够o fu 1 1 b 啪e dm a t e r i a l s w h e nm i ) 【i 1 1 9 r a t i oi sl e s st l l a l l2 0 ，b i o m a s sp l a y sap o s i t i v er o l eo nl a t t e rp a r to fc o a jc o m b u s t i o n ( 3 ) a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yo f 行x e dc a r b o nc o m b u s t i o ns e 舯e n ti n c r e a s e sa s t h eo x y g e nc o n c 朗l 位越o ni n c r e a s 试g ，锄dd e c r e a s e sa st l l em i x i n gr a t i oi n c r e a s i i l g ( 4 ) r 0 1 eo fo x y g e nc o n c e n t r a t i o no nc o i i l _ b u s t i o nt e m p e r a t u r ed i v i d e si n t o s e 舯e n t s i ni n i t i a ls e g m e n to ff i x e db e dc o m b u s t i o ne x p e r i m e m ，o x y g e nc o n c e m r a t l o n h a sb a s i c a j l yn oi m p a c to nt e m p e r a t u r ec u r v e s ，a i l dm i ) 【t u r e sl l a v eb a s i c a l l yal i n e a rr a t e o fh e a t i n g a f t e ri g n j t i o no fm i x t u r e s ，t e m p e r a t u r ec u r v e su n d e rd i 任e r e n to x y g e n c o n c e n 仃a ：t i o n sb e g i nt os 印a r a t e a sm eg o e so n ，t e m p e r a t u r ec u r v e ss e p a r a t i o n 乜。e n d i i i sm o r eo b v i o u s a r e rt e i n p e r 狐鹏r e a c h e sp e a l 【v a l u e ，t e m p e r a n 脱o f1 1 1 i x t l l r er e d u c e s r a p i d l yt o 如m a c et e n l p e r a t u r e i n1 e r a l l g e o fl o w e ro x y g e nc o n c e n 仃a t i o n s ， c o n l b u s t i o np e a l (t e m p 咖e i n c r e a s e sw i t l lo x y g e nc o n c e n 仃a t i o ni n c r e a s i n g b u ti 1 1 啪g eo ft 1 1 e l l i g h e ro x y g e n c o n c e n n a t i o n ，、i t l lo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ，s m a l lm i x i n gr a t i oi n c r e a l s e sp e a l 【 t e m p e r a t u r e ，b u tm e d i u mm i x i i l gr a t i om a i l l t a i n si t ，a n d1 1 i g hm i x i n gr a t i od e c r e a s e si t s i 嘶f i c a l l t l y b 岫gt i m ei n c r e a s e s 谢t ht l l eo x y g e nc o n c e 曲眦i o n c o i i l b u s t i o np e a l 【 t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s 晡t l lm i x i n gr a t i o ( 5 ) a v e r a g ec o n c e n 饥吐i o no fc a r b o nd i o x i d ee i i l i s s i o n si n c r e a s e ss i 鲥f i c a n t l y 谢t ho x y g e nc o n c e n t r a t i o na i l d 如m a c e t e m p e r a t u r e k e y w o r d s ： o x y - 向e lc o m b u s t i o n ，n l e m o g r a v i m e t r i c e x p e r i m e n t ， c o m b u s t i o n c h a r l c t e r i s t i c s ，f i x e db e d ，c a r b o nd i o x i d e i i i 重壅奎堂堡主兰垡笙茎 一 符号表 一 ： 符号表 氧气浓度，m 掺混比， 失重量，d 弼 失重率，锄加 物料质量，孵 时间，m 加 燃烬温度，口 f 乃 s 共燃协同指数( ，)a 氧气分压力，尸口 表观活化能，枷锄d ， 相关系数 么 8 d v i 温度，口 着火温度， 综合燃烧特性指数，7 秒肌 转化率， 频率因子，聊加一7 升温速率，髟锄切 物料颗粒直径，朋 1 ， 冀 l 伊 亿 w t 乃 易 ， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 中国经济连续二十年保持高速增长，尤其是最近1 0 年问，p 每年增幅稳定 维持在9 左右。与经济高速增长相对应的是能源消费量快速增长。每年能源消费 量增长与经济增长比例基本一致。据专家估计，在2 0 0 5 年2 0 3 0 年之间，如果经 济总量按年均6 5 计算，2 0 2 0 年能源需求量会达到4 3 0 8 亿吨标煤、2 0 3 0 年能源 需求量分别会达到6 6 7 5 亿吨标煤；如经济增长总量按年均8 5 计算，2 0 2 0 年能 源需求量将达5 3 6 5 亿吨标煤，2 0 3 0 年将达到9 6 2 3 亿吨标煤【1 1 。这就意味着，即 使g d p 按相对保守的6 5 计算，2 0 3 0 年能源消费总量也会是2 0 1 1 年( 3 4 8 亿吨 标煤) 的1 9 倍；如果g 卯按相对乐观的8 5 计算，能源需求将达到2 0 1 1 年的 2 7 倍。如此大的能源需求给地球的资源和环境造成巨大压力，也给能源生产从业 者提出严峻任务。 国家繁荣稳定需要经济持续增长、国民对高水平生活条件的追求也需要经济 持续增长。在产业结构短期难以改变条件下，经济持续增长必然会使能源需求大 幅增长。但目前我国对煤、石油、天然气的依赖度相当大，这些优质能源资源开 采量有限、开采时间也有限，如何解决能源供需矛盾成为目前全社会高度关注问 题。 我国能源消费主要以煤为主，在总能源消费量构成中，煤高达7 0 以上，高 于世界平均水平( 约为2 9 ) 四十多个百分点。总能源消费量构成中，石油为1 8 左右，水电、核电、风电等清洁能源只占到8 左右。由于能源需求增速不断升高， 煤炭开采量最近几年以较快速度增长，2 0 1 1 年煤炭行业新增产能9 5 0 0 万吨。主要 产煤省区煤炭产量大幅增加，内蒙古、山西、陕西全年煤炭产量分别为9 7 9 亿、 8 7 2 亿、4 亿吨，同比分别增长2 4 4 、1 7 7 、1 1 1 。与之成鲜明对比的是，2 0 1 1 年非化石能源在一次能源生产和消费总量所占比例均有所下降。 传统利用煤的方式会对生态和环境构成严重威胁。按单位热当量燃料燃烧后 排放的二氧化碳计算，煤炭二氧化碳排放量是石油的1 3 倍，是天然气的1 7 倍， 核电、水电和其他可再生能源可实现低排放或者零排放。调整能源消费结构，可 以明显降低二氧化碳排放水平。为了降低碳排放、实现低碳发展，调整能源消费 结构迫在眉睫。 近年来发生的“极端天气事件”层出不穷，如：2 0 0 8 年我国西南地区冰冻灾 害，2 0 1 0 西南五省干旱，2 0 1 1 年8 月，飓风“艾琳”横扫美国东海岸数个大城市， 2 0 1 2 年1 月欧亚多国强冷天气。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 极端天气事件的出现原因是多方面的，人类生产、生活活动是重要因素之一。 人类砍伐森林，把林地、湿地改造成为耕地，致使植物覆盖率下降，不但使土壤 蓄水能力降低，也使环境对二氧化碳吸收能力降低，从而改变地面与大气层水蒸 汽交换平衡和碳循环平衡。人类过度依赖汽车、飞机、火车等交通工具，不加节 制的碳排放使大气中的二氧化碳水平达到有气象记录以来的最高水平。 解决能源供需矛盾，调整能源消费结构，消除气候灾难，延缓全球变暖，需 要全人类共同做出努力，需要从技术、政策、法律、文化等多方面着手，多管齐 下共同解决这些困扰人类可持续发展的难题。在技术层面上，可以把生物质利用、 煤资源综合利用、富氧燃烧这几种技术手段联合起来，在煤中掺混接近零碳排放 的生物质进行混燃。这样可以实现四个目的：一是利用生物质资源，减少对化石 能源需求量；二是可以提高燃烧效率，节约化石能源；三是开发煤资源尤其是劣 质煤资源，提高煤资源利用效率；四是减小能源转换设备尺寸，节约初始投资； 五是提高烟气中二氧化碳浓度或污染物浓度，有利于二氧化碳捕集和烟气治理。 1 2 研究现状 燃烧是指燃料与氧气发生的伴随有发光、发热现象的剧烈化学反应【2 】。燃烧反 应能将燃料内储存的化学能转化为热能，提供给锅炉、内燃机、燃气轮机等能量 转换设备。 富氧燃烧，指采用比普通空气中氧浓度更高的气体来充当助燃剂的燃烧方式， 是近代燃烧方向重要的节能技术之一。富氧助燃技术能够降低燃料的燃点、加快 燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少烟气量、提高热量利用率和降低 过量空气系数，具有简单实用、效果显著、成本低廉等优点【3 】。富氧燃烧现普遍用 于玻璃熔窑和金属冶炼。随着富氧膜材料及其制备工艺的成熟，富氧燃烧技术近 2 0 年来逐渐得到推广，被广泛利用到金属冶炼、锅炉助燃、生物质利用、废弃物 焚烧、低热值可燃气利用等领域。 富氧燃烧最早由胁朋p 和舭砌6 甜馏在1 9 8 1 年提出l 4 j 。彳6 阳办册丑m 在1 9 8 2 年在实践中开始尝试，通过燃烧煤生产c d 2 以满足原油强化回收( 互汤办口拧c 耐d 玎 r e c d v p 删) 【5 】，之后富氧燃烧开始被推广运用到冶金、玻璃冶炼等领域。 按氧气浓度高低和燃烧组织形式来分，富氧燃烧可以分为：纯氧燃烧、微富 氧燃烧、氧气喷枪、空一氧燃烧四大类【6 j 。 富氧燃烧工程运用，主要集中在能源生产相关领域【7 】、【8 】、工业炉领域【9 】、【1 0 】、【1 、 动力设备领域【1 2 】。近几年针对富氧燃烧在能源生产领域和相关基础研究领域十分 活跃，研究主要集中在富氧燃烧技术在燃煤锅炉、循环流化床锅炉实际运行过程 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 中问题解决、热力学特性分析以及运行优化方面。也有不少研究者从燃烧产体气 物角度研究富氧燃烧过程中氧气浓度等相关参数对气体产物排放浓度、排放总量 影响。在实验室中借助热重分析仪，不少研究者研究在精确可控物理条件下，生 物质与煤的燃烧行为特征和污染物排放特征。 1 2 1 富氧对燃烧特性影响 富氧燃烧可提高循环热效率 米翠丽等【1 3 根据么肌纪尸兀4 2 d 嬲( 锅炉性能实验规程) 中的流程和公式对 3 删煤粉炉进行了对比计算。得出：空气条件下排烟损失、热效率为7 1 8 、 9 1 5 7 ，富氧条件下( 妒= 3 0 ) 分别为3 1 4 、9 6 5 4 。保持主蒸汽参数不变，富 氧条件下燃煤量、排烟烟气量可分别减少3 8 、6 2 8 9 。辐射吸热量可增加 1 1 2 ，但对流吸热量整体降低4 6 ，总吸热量增加4 ，对流吸热面积明显降 低。 王春波等【1 4 】对6 0 0 脚矿煤粉炉在微富氧( 够= 3 0 ) 、纯氧、空气助燃条件下炉 内热力学参数进行了理论计算。在微氧条件下，炉膛烟气量小于纯氧和空气助燃。 在蒸汽负荷一定条件下，燃煤量纯氧时最低，空气时最高。微富氧模式下，辐射 换热量比空气助燃时增加2 8 8 ，比纯氧燃烧增加2 2 9 6 ；对流传热量比空气时 减少4 8 1 5 ，比纯氧减少3 1 9 2 。与空气助燃相比，微氧模式下水冷壁、屏式 过热器面积有较大程度降低，下低温过热器、省煤器面积明显减少，高温过热器、 高温再热器面积也有一定程度减少，低温再热器面积有小幅增加。 富氧燃烧可提高燃烧温度 s z 三”d i l 5 j 同时对松木屑进行旋风炉燃烧实验。旋风炉燃烧实验中，在普通空气 助燃条件下，燃烧最高温度为1 2 3 0 ；在富氧条件下，最高温度上升很快，氧气 浓度为4 0 时最高温度达1 6 4 1 ，之后最高温度几乎不随浓度变化而改变。 编m 幻厶矽d “肠s 【l6 j 对直燃式煤粉炉进行了三维数值模拟。模拟结果与实际情 况和其他文献符合得较好。氧气浓度升高可以提高燃烧器周围温度，提高总输出 能量和辐射能量。 富氧燃烧可提高产量 觑z 耽如妇压驴缸矿砌f 等i l7 】在推式炼钢炉数值模型进行了计算。在推式炼钢炉 中，氧气浓度从2 1 从变化到4 5 ，火焰上升、钢产量上升趋势最为明显，从成 本上分析，使用这一段浓度的富氧空气也较为合算。 富氧可提高燃烬率 f 勋s f 勋厶妒d “z d s 等【l6 j 对直燃式煤粉炉进行了三维数值模拟。氧气浓度升高 可以提高碳的燃烬率。 富氧可使着火位置提前 重庆大学硕士学位论文1 绪论 徐迎超等【l 剐在沉降炉上对富氧条件下神木煤和多伦褐煤的着火特性进行了研 究。煤粉着火温度随氧气浓度升高而降低，随着氧气浓度的增大，煤粉浓度对着火 温度影响逐渐变小。着火前期c 凰、c 0 随氧气浓度的升高峰值位置向上移动。由 于富氧条件下煤粉易烧结，所以当氧气浓度大于6 0 时着火点会向下移动。富氧 条件下高挥发分烟煤可以替代油用于锅炉点火启动。 r 鲫砌如，2 0 1 ，配等【1 9 】在滴管炉中对俄罗斯煤在( d 2 ，2 ) 、( q ，c 仍) 气 氛下着火位置随妒变化规律在凡己坦丁中分别进行三维数值模拟并进行了实验验 证。使用兕删中煤标准同质燃烧模型与实验对比，在妒较低、再循环烟气温 度较低时两种结果符合得较好。自定义燃烧模型( 异质燃烧) 恰恰相反，在矽较 低、再循环烟气温度较低时两种结果差异较大，其余情况符合得较好。在随着够 的升高，着火点与燃烧器出口距离减小。 富氧条下件锅炉燃烧工况或锅炉结构需要调整 肌懈b d 彪a 等【2 0 j 在循环流化床中，相关重要参数如：燃料种类、外加换热板、 烟气循环比、循环固体温度等在富氧条件下均可以改变燃烧状态。有两种方法可 以适应富氧燃烧条件：第一种是调整锅炉结构以适应氧气浓度变化；第二种是调 整燃烧工况以适应锅炉。如果设定纵燃烧配比、循环固体量为主要变量，则有三 种调整方式：第一种是如果燃料不变，则改变锅炉结构；第二种是如果锅炉结构 不变就改变燃料输入量；第三种如果燃烧配比、结构均不变动就改变循环固体温 度。 妒升高对锅炉结构产生较大影响。在燃料输入等条件不变的情况下，妒提高 会缩小锅炉尺寸，当妒增大到4 0 和6 0 时，锅炉尺寸会分别缩减到原来的5 5 、 3 5 。这会提高烟气密度、减少过流断面面积，进而提升烟气密度和固体循环率。 因此在水冷壁中要设置更多的强化冷却装置。 当锅炉几何尺寸和p 不变时，可以考虑燃烧配比来维持温度分布不变。如当 负荷由6 0 上升到8 0 0m 砌时，只要把二次风率由2 0 上升到4 3 即可。 当够上升到3 0 以上时，降低烟气循环比或者加设外置换热器的作用突显。 富氧会对火焰特性产生影响 最近几年，国外研究者目前偏重于研究富氧条件下的火焰结构、燃烧机理、 生成产物等方向。 几乎所有的能源动力设备都涉及燃烧，在燃烧中火焰对燃烧效率以及燃烧器 结构、布置影响相当显著。因此，研究富氧条件下的火焰特性显得尤为重要。彳 等【2 l 】把甲烷、水蒸汽、仍、2 混合气进行预混，然后进行燃烧实验并同时 进行理论计算，用以研究水蒸汽在氧气浓度变化的情况下对火焰的影响。实验和 理论计算均证明：在高浓度氧气条件下，甲烷火焰燃烧速率与水蒸汽摩尔浓度的 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 增加呈线性递减关系。理论模型计算值在低蒸汽浓度条件下的火焰燃烧速率计算 值略低于实测值。蒸汽浓度对湿甲烷一氧气火焰有强烈的影响作用，这种影响作用 在氧气浓度升高时急剧降低。掺混蒸汽相当于在燃气中添加内部稀释剂，可以在 烟气c 仍捕集中使用。 火焰扩散率( 胁切d 沁枷疗d 疗r 口把) 是表征气体火焰燃烧强度的重要参数。 在给定燃料种类和绝热火焰温度的条件下，火焰扩散率会随着9 的变化剧烈变化。 与空气助燃相比，富氧条件下火焰扩散率会有数十倍的增长，火焰强度有极大的 提高，说明富氧和燃料稀释两种方法联用能显著提高火焰强度。当火焰扩散率达 到最大值时，熄火温度达到最小值，此时燃配比在o 5 到0 6 5 之间。此时，最高 温度区即是燃烧产物生成最多的区域。由此可见，通过改变燃料配比的方式可以 改变峰值温度产生位置、产物生成峰区域位置，就能优化火焰熄灭条件【2 2 1 。 火焰区域可以四个反应区域。第一个是热解区，该区域在小当量比下为吸热， 在较大当量下微微放热。第二个是高热强度区，在该区域燃料被氧化；第三个中 等热强度区，大部分水和c 仍在此区域生成；第四个是低热强度区。在高氧浓度 条件下，该区会向富含氧气区域扩张延伸。在高当量比条件下，由于火焰中最高 温度区相对于分子氧耗尽区在移动，所以在最高温度区会发现一定数量的分子氧 存在口3 1 。 富氧会加速燃烧反应速率，因此富氧燃烧存在潜在爆炸危险。么砌p ，砌如d f b p 咒p 沈加【2 4 】等对一个5 三圆柱形容器进行了不同氧气浓度下的爆炸实验。燃烧气体 为甲烷，助燃气体为( 仍，2 ) ，9 从o 2 1 上升到1 。从“压力一时间图中可以 发现随着够上升，火焰燃烧压力平均值增高、压力振荡加剧。压力发生振荡的原 因是，在火焰传播中水会发生交替蒸发、凝结。容器壁温对燃烧诱发快速相变有 重要作用。 k 彳咒比飓y d 刀【2 5 】在一个1 0 0 咖的燃烧测试装置中对富氧条件下褐煤和丙炳燃 烧特性进行研究，并将实验结果运用到烟气辐射建模。实验得出：对丙烷而言， 与空气条件下相比较，富氧条件会使火焰温度略低于空气条件，但辐射强度大辐 提升。建模结果显示这是由于烟尘辐射水平增加形成的。对褐煤而言，由于烟尘 强烈的辐射作用，两种气氛条件下( 空气和2 5 富氧条件，干式循环) 火焰温度几 乎相同，火焰辐射强度水平几乎也一样。 1 2 2 富氧对燃烧产物影响 总体来说富氧燃烧能提高q 、蚍排放浓度，下面简要介绍研究者得出的相 关研究成果。 杨浩林等【2 6 】以为c 仍稀释剂，以对向流扩散火焰为研究对象，利用基元反应 动力学模型研究了富氧浓度对火焰特性和人，q 生成的影响。得出：使用c d 2 稀释 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可以在较小温降代价条件下大幅度的降低d 排放指数( 单位燃料消耗时所生成的 们) ，是一种有效的抑制q 生成的方法。 辛胜伟掣2 7 】对煤和生活污泥混合物在循环流化床焚烧炉中( 直径10 0 聊聊) 进 行了研究，得出了烟气中产物随氧气浓度、床层温度的变化情况。实验结果表明： 含氧量增逐渐升高，炉膛温度升高、风量减少、c o 减少、s 仍、崛体积分数增 加。 郭风等【2 8 j 对卧式煤粉炉在富氧燃烧条件下的温度变化和烟气成分变化进行研 究。氧浓度增加能有效提高煤粉喷嘴附近温度，减小煤粉着火距离，利于直接点 火。氧浓度的提高使炉内c d 含量减小，飞灰含碳量降低。仍浓度对仇排放是 两方面影响：一方面，氧浓度增大，使炉内温度升高，使热力型q 生成量增大； 另一方面，富氧使一次风量减小，从而使2 含量减小，会使热力型q 生成量减 小。两方面相互影响，最终结果是：随着氧浓度的增加，q 的含量先增加后减小。 鼢的含量随氧浓度的增大而增大 杜莹等【2 9 】利用傅立叶红外光谱仪对水平管式炉中煤在富氧和空气条件下的气 体产物进行了研究。主要结果有：煤自身含硫、含氮量对燃烧气体中溉、0 浓 度影响很大，高硫煤和高氮煤析出的鼢和们较多。溉以单峰形式析出，加 大多以双峰形式析出：第一峰为小分子挥发分氮，第二峰为焦炭氮遇热燃烧形成。 粒径减少，鼢析出提前，最大析出峰也提前。在温度为8 0 0 跺件下，与空 气气氛相比，( 仍，c d 2 ) 气氛下蚍排放明显增加，随着仍浓度提高，溉析出 提前，溉排放有小幅度增加。第一个d 析出峰( 仍，c 仍) 气氛比空气气氛值要 高，缈( d 2 ) 从3 0 升到4 0 ，在焦炭燃烧后期，d 释放浓度变化较小，但比空气 气氛时高。 不同温度下鼢均只有一个峰值，在8 5 0 删峰值最大，释放总量最多。排放 浓度随着温度的升高而增多。8 5 0 蹦析出峰值最大，释放量最多。 郭风等【2 8 】在对卧式炉进行实验的同时，也使用数值模拟手段对温度分布、气体 产物进行了模拟，模拟与实验结果基本一致。主要结论有：氧浓度增加能有效提 高煤粉喷嘴附近温度。氧浓度的提高使炉内c d 含量减小，飞灰含碳量降低。在两 方面相互制约的因素作用下，q 排放量随着氧浓度的增加先增加后减小。舳2 的 含量随氧浓度的增大而增大。 李萍等 3 0 】对梭式窑进行了富氧条件下燃烧数值计算。氧浓度升高会使升高炉内 最高温度、平均温度。浓度为2 5 时出口d 最少。在高温区域，o 浓度场与速 度场存在对应关系，速度越小，们浓度越高。为了减少加的生成，应减小气 流在高温区域停滞时间。 燃煤锅炉对是对环境造成污染的元凶之一，因此研究煤粉在富氧条件下q 、 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 蚍的生成规律以及焦炭燃烧规律具相当重要的意义。协d 三胁等川分别在空气、 ( 仍，仍) 、( 0 2 ，c 0 2 ) 气氛下在一台下燃式燃烧器中对煤粉燃烧进行了详细实 验研究，用以分析氧气浓度以及气氛对燃烧器温度分布、a 协、s 伪、c 0 生成量的 变化。由于c 仍具有较高的比热容( 约为0 7 7 8 k 碾魃) ，与空气气氛相比( 2 比热容约为0 8 8 6 比纨k ) ，相同氧浓度下( d 2 ，c 仍) 气氛时，燃烧温度和燃烬率 均降低。( 0 2 ，c 仍) 气氛中氧气浓度到达到3 0 以上时，才能达到空气气氛下相 同的温度分布。焦炭燃烬情况与温度分布紧密相关；( d 2 ，c ) 气氛中3 0 氧气 浓度时焦炭燃烬情况比空气气氛时好。( 仍，c 仍) 气氛中，煤中转化成伉的 量随仍的升高而增多，但比空气气氛下要小。空气、富氧气体分级输入燃烧方式 不管在空气气氛条件下，还是在( q ，c d 2 ) 气氛条件下，均能显著降低排放的氮 氧化物的总量。贶生成量基本与气氛无关。c d 产生量与温度分布关系紧密； 够= 3 0 产生的c o 最少。 sd 口d d d 等【3 2 j 在一个2 0 k 形的下燃式分级式燃烧实验台上研究了氧气浓度 对燃烧生成气体产物的影响。与空气助燃相比，富氧时缈( d 2 ，2 】= 3 0 时，加排 放量下降了2 0 ，缈( q ，2 ) = 3 5 时，d 的排放量下降了约3 5 。随着缈( d 2 ，2 ) 升高，炭燃烬率也有明显提高，烟气中二氧化碳浓度逐渐上升。 乃朋。而帕删d 3 3 j 分别利用燃烧器实验台和数值计算方法对燃烧气体产物 变化规律进行了研究。发现( 仍，c 仍) 下在煤或者焦炭燃烧早期，火焰中的晚 转化为脚c 和协；( d 2 ，c 仍) 下生成q 量也比空气气氛中要少。 刘皓等【3 4 j 在管状燃烧实验台中，燃料型d 生成率随c 仍浓度的升高而降低。 加还原成还原率随d 浓度升高而升高。在模拟烟气再循环条件下，可发现燃 料转化率会降低。富氧条件虽然会使 忉排放浓度升高，但d 排放总量会大 幅度降低，约为空气助燃时的1 7 。干式循环降低幅度大于湿式循环。 王春波【3 5 】在小型循环流化床中，随着氧气浓度的升高，烟气中的仇浓度升 高，富氧条件下，q 随温度的变化比空气气氛时更为敏感。建立的流化床伉 生成模型与得出理论值与实验基本一致。 f 勋s f 勋 印d “ 【3 6 j 对煤粉炉进行了三维值模拟，发现随着氧气浓度的增加， 仉生成量逐渐减少。 伉排放随吹扫风量变化呈现规律性。煤采用俄罗斯煤，生成质采用非洲酪酯 树和棉花秆。当下吹式燃烧器实验台在吹扫风量( 6 b p ，步p 彳护) 为2 2 时，增加 二次风氧气浓度最初会增加仇排放水平，但在氧气浓度较大时会降低伉排放 水平，使之低于二次风为空气时。在吹扫风量为3 1 时，在所有富氧气浓度下q 排放量均有普遍降低。造成这种差异的有两个因素，第一个因素是靠近燃烧器位 置的化学当量比的增加，第二个是火焰动力学和燃烧强度。二次风由空气变化到 重庆大学硕士学位论文1 绪论 富氧，会使涡旋强度变低，从而使火焰动力学和燃烧强度发生改变。 掺混比m 升高，混合物燃烧生成c 0 、c 仍、q 量降低。c 矗口d “舫g 办p 瑚护】 运用计算流体力学方法对加拿大高硫烟煤与小麦秸杆混合物在炉膛燃烧进行了数 值模拟。模拟结果显示，混合物降低了0 和c 0 2 排放量，m 越大，炉膛出口一 氧化氮和二氧化碳浓度越低。 w 朋7 砌等【3 8 j 在垂直式燃烧装置中对煤进行富氧燃烧实验( 烟气再循环方 式) ，实验发现：如果回流烟气中蚍不加以处置，那么排气中鼢浓度会越积 越高，实际运用中应考虑腐蚀问题。对伉的测量结果表明，q 比常规空气助 燃浓度提高约2 倍。 1 2 3 富氧燃烧热重实验研究 氧气浓度影响 李文华【3 9 j 对煤富动1 2 、富动2 3 、神混8 号、优混4 种煤而言，氧气浓度升 高，弼曲线向低温区移动，着火温度、最大失重率对应温度、燃烬温度均降低。 煤种不同，对氧浓度变化敏感性不同。 韩亚芬【4 0 】对褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等随氧气浓度的升高粥、d 弼曲线均 向低温区移动。着火温度、最大失重率对应温度、燃烬温度均降低，但燃烬温度 降低幅度最大。氧气浓度在3 0 一4 0 之间降低效果最为明显。 樊越胜【4 l j 对神木煤和蒲白煤在不同氧气浓度条件下进行了热重实验，发现随 氧浓度的增加，着火提前且燃烧时间缩短，当氧浓度超过4 0 时，这种趋势变缓。 罗思义【4 2 j 对豆秸、稻草、玉米秸、麦秸、松木刨花微米材料四种生物质进行 了热重实验，研究氧浓度的不同对生物质粉体的挥发份初析出温度、着火温度、 燃烧速率的影响。随着助燃空气中氧浓度的增加，生物质粉体的挥发份初析出温 度不断降低，着火温度和燃烬温度均呈下降趋势，燃烬温度的下降幅度较着火温 度更大，说明富氧可使生物质粉体的燃烧在较低的温度区完成；最大和平均失重 速率都随氧浓度的增加而增大；综合燃烧特性指数s 随空气中氧浓度的增加而增 大。 g “d 胁l f 三f 甜【4 3 】对市政垃圾进了富氧气氛下的热重实验，发现市政垃圾的失重 曲线同样会随氧气浓度的升高而向低温区偏移，但整体形状基本不变；氧气浓度 对最大析出峰值以及对应的温度影响不大。 国甜珊蛔馏c 矗朋【删把球藻在热重分析仪中从室温加热到8 0 0 ，同时改变氧气 浓度( 2 0 8 0 ) ，可发现着火温度、燃烬温度、灰分质量均降低，最大失重率 增高。 刘国伟等【4 5 】对贫煤、烟煤、无烟煤、褐煤四种煤分别进行富氧燃烧试验，结 果表明：随着氧气浓度升高，四种煤样的最大失重率几乎以线性速率上升；着火 重庆大学硕士学位论文1 绪论 温度、燃烬温度在4 0 氧气浓度以下降较快，超过4 0 后下降缓慢。 陆泓羽【4 6 】等对无烟煤在富氧条件下进行热重试验，发现随着氧气浓度提高， 无烟煤着火温度和燃烬温度降低，综合燃烧指数s 增大，表观活化能也增大。 d 粥曲线形态 微藻作为一种优异的吸收c 仍的生物最近几年在国内开始引起学者关注。 “珊砌馏劬p 珂【4 4 j 把球藻放入热重分析仪中从室温加热到8 0 0 秒，可以发现d 粥 曲线上可以明显分成三段：水分蒸发段、挥发份析出段、固定碳燃烧段。球藻的 第二阶段温度区间在1 7 0 队6 5 7 3 ，失重主要发生在此段。d 粥曲线上看到二 个主要的失重峰( 第三个失重峰不明显) ，第一个失重峰失重率最大。 升温速度影响 觚x 妇馏c 向p 玎m j 把球藻在热重分析仪中从室温加热到8 0 0 ，在同一氧气浓 度下，随着升温速率提高( 1 0 、2 0 、4 0 黝痢挖) ，着火温度、失重率峰值升高，灰 分质量增大。 梁爱云等【4 7 】对玉米芯等几种农作物生物质进行热重试验，改变升温速率以研究 升温率速率对燃烧特征参数影响，发现：随着升温速率升高，着火温度升高，但 着火开始时间缩短；燃烬温度升高，但达到燃烬点时间缩短。 颗粒粒径影响 煤粉的细化、超细化( 2 0 微米以下) 可降低着火温度，可使其着火提前，还 可使燃尽温度降低，使燃烧特性得到大幅度改善，可以提高燃烧释放热量并使释 热时间提前，可明显改善难燃煤种的燃烧特性，解决燃烧劣质煤的燃烧效率问题 【4 8 】 o 气氛类型影响 煤在不同气氛下具有不同的反应类型【4 9 j 。在2 气氛下主要是发生热解反应， 3 5 0 喇挥发份开始析出，7 0 0 附热解基本结束。在c d 2 气氛下主要是发生热解 和气化反应，6 5 0 劭气化开始点，在此温度以前失重率曲线基本与飓时重合。气 化反应速率随温度升高而升高，温度达到10 0 0 反应仍在继续。仍气氛下主要是 发生燃烧反应，挥发份析出后会发生燃烧，其后是固定碳燃烧，两阶段失重较大。 在6 0 0 蹦燃烧基本结束。如果2 、c q 、仍中的几种混合在一起，失重率曲线 上则会同时具有气氛对应的反应类型具有的特点。 生物质种类影响燃烧模式 固体燃料燃烧模式可分为三种：第一种：挥发份首先析出，其后挥发份、固定 碳燃烧。第二种：挥发份、固定碳同时多相燃烧。第三种：介于第一和第二种之 间。通过热重实验中微分失重曲线形态可以辨别燃料的燃烧方式。小麦秸秆为第 二种燃烧方式，玉米芯为第三种燃烧方式【5 0 】。 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 煤中掺混生物质会使着火提前 煤与生物质具有互补性。程树仁【5 1 】在煤中掺混花生壳和瓜子壳，随着m 的增 高，燃烧综合特性指数增大，着火提前。掺混比m 减少，反应向高温区移动。 煤中掺混生物质可以提高火焰亮度和温度，使着火距离缩短，使火焰振荡频率 升高，并在瞅2 0 时，火焰稳定性基本不受影响【5 2 】。 m v a r o l 【5 3 j 等对土耳其的三种劣质烟煤以及三种生物质以不同比例进行混合之 后进行了热重实验研究，发现了随着m 的提高，着火温度降低，最大失重率对应 温度提高出现，证实了在煤中加入木屑等生物质的方法能提高劣质煤的燃烧性能。 混煤燃烧特性由单煤之问的特性差异决定。韩亚芬等【4 0 】对混煤也进行了燃烧 实验。对于差异性较小的烟煤与无烟煤等量混合，阳、d 粥曲线不发生明显改变。 差异性较大的烟煤等量混合，弼、d 弼曲线出现分段现象。混煤的着火温度位于 两种单煤之问。随着氧气浓度的提高，混煤的着火温度、燃烬温度比单煤下降得 更快，最大失重率也随氧气浓度的提高而增大，但均低于在相同氧气浓度下的单 煤。当氧气浓度达到3 0 以后，燃烬温度数值低于单煤。在高氧浓度下大差异混 煤( 褐煤+ 无烟煤) 的d 粥曲线在低温区和高温区会形成平台，表明褐煤燃烧完 后无烟煤才开始燃烧。 最佳氧气浓度 劬甜珊砌馏国p 刀】把球藻在热重分析仪中从室温加热到8 0 0 口，综合考虑制氧 成本和氧气浓度对燃烧改善程度随浓度变化情况，最优的氧气浓度在2 5 3 5 。 樊越胜【4 l 】考虑到富氧助燃后的效果以及当时( 2 0 0 6 年) 制氧成本，氧气浓度 应控制在3 0 4 0 之间。 灰分影响 通常生物质的燃烧比煤提前，此时生物质灰对煤挥发份析出具有促进和阻碍 双重影响【5 4 1