煤炭分级利用与富氧燃烧技术机理及应用研究

我国能源结构在未来较长的一段时期内仍将以煤炭为主。因此开发煤炭资源的高效清洁利用技术是关系我国能源安全与发展的关键课题之一。煤炭资源的分级利用结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,同时煤的富氧燃烧技术也是实现CO2减排的重要可能途径之一。 本文根据煤的分级利用结合富氧燃烧的多联产系统对煤粉的利用方式,按照“煤粉富氧燃烧热重实验—煤粉热解挥发分析出特性—半焦燃烧及综合应用—煤粉富氧燃烧水平管式炉试验—煤粉富氧燃烧沉降炉试验—热态卧式炉石油焦粉富氧燃烧器着火试验”的研究思路探究了煤粉的富氧燃烧特性,煤粉热解过程的挥发分析出特性以及煤部分热解后半焦的富氧燃烧特性和吸附性变化,最后在2MW实验台上以石油焦粉模拟半焦进行富氧燃烧器的着火特性试验,得到了石油焦粉不同氧气配比下的火焰温度分布。 在热重试验台上进行了煤粉的富氧燃烧特性及反应动力学研究,发现富氧燃烧气氛中的CO2对煤粉燃烧的抑制作用对煤阶低的煤种更为明显。在氧浓度低于60%的范围内,氧浓度对煤粉的燃烧特性参数的影响更为明显,氧浓度由21%提高至100%可以使无烟煤的最大燃烧速率提高至原速率的8.1倍,褐煤和烟煤也可提高5.5倍以上,从而大幅缩短煤粉富氧燃烧过程的反应时间,降低煤粉热重曲线的燃尽温度。通过不同的反应动力学参数计算方法发现高氧浓度的富氧燃烧过程多重扫描速率法计算过程的线性拟合度较差。通过改进单一扫描速率法提高了动力学参数的线性拟合度。计算结果发现,气氛中CO2以及氧浓度对动力学参数的影响主要体现在指前因子中。使用动力学补偿效应对改进的动力学参数计算方法的结果进行了验算,计算结果可靠。 使用快速裂解仪对煤种在超过5000℃/s可控升温速率下对煤粉的热裂解过程进行研究,发现H2在裂解温度高于800℃后产量明显增加；煤阶更高的煤种CH4的产量更大。此外,延长热裂解反应时间对CO2的产量影响较小。煤阶更高的烟煤相对于褐煤热裂解过程释放的大分子产物种类更多,产量也更大,但轻质挥发分如H2,CO和CO2等则小于煤阶较低的褐煤等煤种。 半焦的富氧燃烧试验发现提高氧浓度至40%时半焦的燃烧特性参数已经接近该煤种的空气燃烧工况,燃尽温度和最大失重速率等均优于煤粉空气燃烧工况。但氧浓度对着火温度的影响较小。对半焦吸附性的初步试验发现试验褐煤800℃半焦孔容积达到椰壳活性炭的76.3%,比表面积为椰壳活性炭的66.7%,与垃圾焚烧电站使用的吸附剂相比,吸附特性参数差异不大,鉴于褐煤与吸附剂价格之间的巨大价格差异,褐煤半焦作为吸附剂原料具有极其广阔的市场前景。 通过煤粉水平管式炉富氧燃烧发现氧浓度对于高阶煤种焦炭燃尽过程的影响更为明显,提高反应速率,缩短燃尽时间。而在900℃反应温度下,CO的产量随氧浓度的升高而下降,在5%～10%的氧浓度范围内CO产量下降最快,10%～60%的过程中下降趋势减缓,氧浓度达到60%以上时CO产量的下降速度进一步减缓。 在沉降炉上模拟了煤粉的富氧燃烧过程。在较低氧浓度下发现富氧气氛中的CO2加剧了无烟煤的难燃性,与O2在CO2中的扩散速率降低有关。过量氧气系数从1.05提高至1.3,无烟煤30%氧浓度富氧燃烧烟气中CO的浓度由3.63%下降至0.97%。将燃烧工况的氧浓度由21%提高至50%使试验无烟煤着火位置由距离喷口30mm处提前至10mm处,由于烟气量的下降,50%工况下尾部烟气CO2浓度降至70%左右。反应温度由900℃提高至1300℃的过程中,烟气CO的生成由于气化反应的影响由0.08%升高至0.81%。 最后在2MW卧式炉上使用低挥发分的石油焦粉模拟半焦进行了富氧燃烧器的着火试验,得到不同氧气配比工况下石油焦火焰的温度分布,燃烧组织最好的工况火焰核心高温区温度达到1474℃,而燃烧组织较差的工况火焰核心高温区温度为1320℃左右。根据试验结果对煤粉及半焦的燃烧器设计建议如下：在未进行氧气预热的情况下,大量低温氧气与燃料一同喷入炉膛虽然增加了燃料周围的氧浓度,但会降低燃料与气体混合物的温度,并不利于着火。其他氧气喷口应尽量平均布置于送粉气流周围,喷口流量过高虽然会提高反应区域氧浓度,但低温氧气流速的增加会导致燃料着火位置后移,不利于燃烧器的稳燃。