煤粉热解调控及半焦富氧燃烧若干理论与试验研究

1、煤粉热解调控及半焦富氧燃烧若干理论与试验研究在未来很长一段时间内 , 煤炭依然是我国最重要的能源, 开展煤炭清洁高效利用技术的研究对我国能源安全与可持续发展有重要战略意义。煤炭分级利用并耦合富氧燃烧的多联产技术是一种新型的煤炭清洁利用技术, 一方面能够分级分质提取煤中高价值成分 , 同时又可对污染物、 CO2等排放进行综合控制。本文按照“煤粉固定床高温热解特性煤粉沉降炉高温热解特性热解半焦着火特性研究热解半焦转化过程形态及分子结构研究热解半焦富氧燃烧及燃烧模型开发含半焦在内的多种燃料加压富氧燃烧特性研究”的研究思路探索了煤粉热解气析出特性与组份调控方法、半焦不同转化方式下的着火、燃烧、气化特性

2、以及相关理论与模型。 采用高压管式炉系统研究了煤粉在高温、中速加热、高压条件下的煤粉固定床热解气生成特性; 热解温度升高会导致热解失重率增加,可从 900oC时的 33.6%升高至 1100o C 的 36.6%; 热解压力升高会导致热解失重率下降, 在 10atm 内降低幅度较大 , 高于 10atm热解失重率变化较小 ; 热解气组份以 H2和 CO为主 ,CH4和CO2次之 ,C3H8和 O2含量几乎接近于零 ;H2 、CO产率随热解温度升高而增大, 而 CO2、CH4、C3H8产率随热解温度升高而降低; 热解气中各组分产率随热解压力呈先增大后减小趋势, 在 5atm 左右达到最大值。基于

3、高温沉降炉系统研究了煤粉在高温、快速加热、连续给粉下的热解气生成规律以及多工况条件下热解气组份的定向调控特性, 并对不同热解温度半焦进行理化特性表征 , 之后采用热重对半焦反应动力学进行了深入探索; 较长的颗粒停留时间、高热解温度、 CO2气氛、低颗粒浓度以及沿程局部加氧等均可以提升热解气产量 , 但会改变热解气组成 ; 另外 , 热解温度越高 , 半焦膨胀越明显 , 颗粒内部孔隙更加丰富 , 颗粒比表面积、孔容、孔径均有显著提升, 但热解温度 1000oC以上时 , 颗粒孔隙分布差异较小 ; 进一步 , 采用 Friedman法和 AIC 法获得半焦转化过程瞬时活化能分布, 并从机理层面阐述

4、了瞬时活化能分布中第二阶段活化能可作为半焦本征活化能; 半焦等温转化过程速率分布曲线峰值现象是半焦的固有特性, 热重试验过程中气体切换操作和颗粒温度变化均会改变甚至掩盖真实峰值点位置, 并提出了合理的等温热重试验方法; 最后采用耦合随机孔模型的本征反应模型及本征动力学参数较为准确地预测了半焦等温转化过程（最大转化率偏差低于5%）。采用热重和 Hencken 平焰燃烧器分别对半焦在低加热速率、高加热速率下的半焦着火机理、着火温度等特性进行研究, 并开发了耦合气相反应的半焦单颗粒瞬态着火模型, 从理论层面探索了温度、气氛、压力等因素对半焦着火特性的影响; 半焦在低加热速率下发生非均相着火, 并且改

5、变加热速率及氧气浓度均不会影响半焦着火机理, 但会影响着火温度 ; 半焦射流（高加热速率着火）的着火模式为非均相着火, 着火延迟距离以及着火延迟时间受烟气温度、 气氛、氧气浓度、颗粒粒径的影响较大 ; 瞬态着火模型计算表明 ,半焦颗粒边界层不会出现气相火焰, 半焦发生非均相着火 , 并且部分工况（如小粒径、低氧气浓度或者富氧气氛）颗粒会不存在临界温度点, 说明颗粒不会发生爆燃而进入颗粒温度快速上升阶段, 计算得到的颗粒加热时间能够反应着火延迟现象 , 并且与射流着火延迟时间吻合。基于高压管式炉系统和多种表征技术, 研究了半焦在燃烧 / 气化过程动力学控制区的形貌、粒径、孔隙、分子结构等理化特性

6、的演变过程, 探讨了压力、气氛等因素半焦理化特性演变的影响; 对于单个半焦颗粒转化过程, 颗粒表面及内孔壁面会随着转化进行逐渐被消耗, 光滑外表面变得粗燥 , 颗粒整体变得疏松 , 并可看到内孔孔隙壁面以及细小碎片, 但颗粒骨架基本存在 , 粒径变化较小 , 不会出现外表面灰分堆积现象 , 并且压力和气氛对颗粒表观形貌没有较大的影响; 不过 ,随着半焦转化率升高 , 碎片增多 , 会使半焦颗粒粒径分布朝着粒径减小的方向移动 , 并且压力升高后 , 碎片增多 , 进一步导致粒径分布减小 ; 气氛和压力对半焦孔隙变化有一定影响 , 半焦气化时的中孔比表面积及孔容会显著低于氧化过程中的相应值 , 并

7、且气化过程平均孔径低于氧化过程的平均孔径 , 另外 , 压力对不同气氛半焦转化时的孔隙分布有不同的影响 ; 气氛和压力对半焦分子结构变化有一定影响 ,CO2气氛会延缓半焦转化过程的石墨化进程 , 增加半焦反应活性 ,高压也会弱化半焦的石墨化进程, 但影响较小。随后 , 基于半焦富氧燃烧特点, 开发了耦合本征反应机理、内孔扩散、热失活、灰层抑制、多化学反应等在内的本征煤焦反应模型 , 并采用该模型模拟单颗粒转化过程以及炉内燃烧过程; 之后进一步发展了半焦多反应协同作用下的粒径直接计算模型（ DCCD）以及灰层抑制模型 , 并成功应用于单颗粒燃烧及炉内颗粒群燃烧过程的预测; 基于考虑多种化学反应（

8、氧化和气化）的本征煤焦反应模型分析了富氧燃烧中CO2气化作用 , 发现由于气化反应导致的燃尽率增加最高可达 3.4%, 并且会降低单颗粒反应过程中的颗粒温度 , 但颗粒群燃烧时气化作用则会增加颗粒整体温度 ; 基于DCCD模型 , 定量计算了富氧燃烧中气化反应对颗粒粒径以及表观密度的降低程度 , 并发现气化反应本身（碳的消耗以及对表观密度降低）导致的燃尽率增幅强于颗粒温度降低导致的燃尽率下降程度 ; 另外 , 采用本征煤焦反应模型预测的沉降炉内煤粉空气燃烧及富氧燃烧燃尽率偏差普遍低于3%,炉内部分测点温度偏差低于 50 K。最后 , 对目前较为先进的加压富氧燃烧进行了CFD计算 , 发展了适用加压富氧气氛的半焦本征反应模型、 辐射计算 WSGG模型 , 并探讨了压力、烟气循环型式、燃料对加压富氧燃烧特性的影响; 结果表明 : 压力不会改变炉内的速度分布和温度分布 , 但高压下炉内整体温度有所升高, 另外 , 更高压力颗粒各转化阶段持续时间缩短 , 焦炭非均相反应速率升高, 焦炭气化消耗占比增大 ; 干、湿烟气循环方式的变化不会改变速度以及温度的空间分布, 但湿烟气循环由于含有较多的水蒸气而导致炉内温度升高 , 并且湿烟气循环会降低颗粒各转化阶段的持续时间, 同时也会提升焦炭气化消耗占比; 不同燃料加压富氧燃烧时（干煤粉、水煤浆、干焦粉、