煤粉在oxy-steam燃燒過程中著火機理的實驗與理論研究

中文摘要

Oxy-steam燃燒方式是一種新型氧燃燒方式，本研究採用實驗與理論建模分析相結合的方法研究煤粉在oxy-steam燃燒過程中的著火機理進行研究，採用了TG/DTG、滴管爐和層流曳帶流反應器等台架對煤粉在O2/H2O氣氛下，對高濃度水蒸汽的物理化學性質在脫揮發分過程、揮發分燃燒、煤粉的成焦特性以及燃燒過程中的影響作用進行深入研究，揭示煤粉在O2/H2O氣氛下著火的機理。並對這些子過程建立其動力學模型或者反應簡化機理，從而構建煤粉在oxy-steam燃燒過程中的著火數學模型。通過模型的數字實驗，探尋水蒸汽的物理、化學性質分別對著火的影響機制。本研究屬於煤粉在oxy-steam燃燒的基礎研究，對於該燃燒方式的穩燃、污染物排放以及燃燒器設計等都有著非常重要的意義，也為氧燃燒方式的發展提供了有價值的探索。

結題摘要

作為CCS(Carbon Capture and Storage)技術之一的富氧燃燒(oxy-fuel)被認為是很有前景的控制燃煤電廠CO2排放的技術。目前典型的oxy-fuel燃燒是O2/CO2循環燃燒。oxy-steam燃燒相比O2/CO2循環燃燒有如下優點：（1）系統緊湊，機組的啟停程式簡單，節省投資；（2）主要設備和輔助設備的尺寸減小；（3）NOx和SOx排放量減少。因此，oxy-steam燃燒技術被認為是下一代oxy-fuel燃燒技術。本研究採用實驗和模擬的方法研究了煤粉在oxy-steam氣氛下的著火機理，主要包括：煤粉在O2/H2O氣氛揮發分燃燒特性及均相著火機理的研究、oxy-steam氣氛下非均相著火機理的研究、煤粉在oxy-steam燃燒過程中著火過程的數值模擬研究等內容。採用熱重分析儀研究了煤粉在O2/H2O氣氛下的燃燒特性與化學反應動力學，實驗結果表明煤粉在O2/H2O氣氛下的燃燒是一級反應。在可視滴管爐中使用高速攝像儀記錄了煤粉在oxy-steam和O2/N2氣氛下的著火行為，實驗結果表明煙煤在O2/H2O氣氛下的著火均為均相著火機理。煤粉在O2/H2O氣氛下相比對應的同氧氣濃度的O2/N2氣氛出現了著火提前的現象。根據煤粉著火機理的理論分析，構建了判斷著火機理的數學模型，採用自定義函式（UDF）進行了二次開發，完成了煤粉著火過程的數值模擬，為煤粉著火機理的研究引入了定量方法。據此模型分析了產生著火提前的根本原因：水蒸氣替換反應(CO+H2O→CO2+H2)是發生著火提前的主要原因，水蒸氣氣化反應(C+H2O→CO+H2)是次要原因。實驗與模擬研究發現貧煤在O2/H2O氣氛下為非均相著火或者聯合著火機理，同時也發現貧煤在O2/H2O氣氛中相比O2/N2氣氛存在著火提前的現象。替換反應和氣化反應在聯合著火機理中對於著火提前起著相同的作用；而在非均相著火機理中，氣化反應是主要原因，替換反應是次要原因。採用GRI3.0的機理研究了水蒸氣的化學性質對燃燒溫度的機理影響。當水蒸氣濃度為72.5%時，CH4-O2-H2O燃燒方式下的溫度場與空氣的溫度場近似。本項目研究oxy-steam氣氛下的NH3轉化為NO的機理特性：相對空氣燃燒，相似溫度場的oxy-steam燃燒方式的NH3轉化為NO轉化率顯著增加。

煤粉在oxy-steam燃燒過程中著火機理的實驗與理論研究

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