煤/生物质流化床富氧燃烧过程氮迁移转化特性研究

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控制和减少传统燃煤电站的CO2排放是实现煤炭资源清洁高效利用的重点发展方向。加压富氧燃烧技术是现今最具前景的能够达到燃煤电站二氧化碳“零排放”目标的技术之一。富氧燃烧过程中二氧化碳气氛下煤和生物质的热解过程中燃料氮向热解产物(半焦、NOx的前驱物、焦油、N2等)的转化特性以及O2/CO2富氧气氛下氮氧化物的生成机理,有待进一步研究。本文针对一种典型的亚烟煤(甘肃华能平凉煤)和一种典型的生物质(麦秆)在加压固定床燃烧实验装置和小型流化床热解和燃烧实验装置上,进行了煤和生物质热解和富氧燃烧实验,结合热解实验分析富氧燃烧过程氮氧化物的生成机理,进一步为加压富氧燃烧过程氮氧化物的排放控制提供理论支撑和数据支持。首先,在小型流化床热解反应器装置上开展煤和生物质CO2气氛和Ar气氛750~850℃下的热解实验,实验选取掺混比为10%、30%、50%。实验结果表明:CO2气氛可以有效地抑制平凉煤和麦秆单独热解NH3的生成,在850℃时,CO2气氛下平凉煤、麦秆热解NH3氮转化率相比Ar气氛分别降低了84.49%和86.71%。对于HCN,平凉煤热解的HCN生成得到抑制,而麦秆热解HCN受到促进,CO2气氛对平凉煤热解HCN的抑制作用和对麦秆热解HCN的促进作用在850℃时分别达到了49.23%和50.09%。此外,CO2抑制混合热解NH3+HCN的总氮转化率,导致更多的燃料氮转化为焦油氮和N2氮。平凉煤和麦秆之间存在的混合热解协同效应影响对HCN和NH3的选择性,表现为促进混合热解HCN生成,但对从混合热解NH3的生成有相反影响。煤/生物质的协同作用提高CO2气氛下NH3+HCN的总氮转化率,相反,在Ar气氛下NH3+HCN的总氮转化率受到抑制。此外,协同作用抑制N2的生成,使更多的燃料氮保留在半焦中。在小型流化床燃烧反应器装置上开展煤和生物质O2/CO2富氧气氛、750~850℃下的富氧燃烧实验,选取的掺混比为10%、30%、50%。实验结果表明:NO是平凉煤和麦秆燃烧最主要的氮氧化物。平凉煤NO主要来源是焦炭氮燃烧阶段,麦秆NO的主要来源是挥发分氮析出阶段。挥发分氮的析出阶段和焦炭氮的燃烧阶段中NO的生成量均随温度升高而降低。O2/CO2气氛促进燃料氮向NO转化。在平凉煤和麦秆的挥发分氮析出阶段CO2气氛促进NO生成,在焦炭氮的燃烧阶段,CO2促进平凉煤向NO转化,对麦秆NO的生成起抑制作用。在混合燃烧实验中,随氧浓度从11%升高至31%,混合燃烧NO生成量呈现下降趋势,850℃时O2/Ar气氛和O2/CO2气氛下NO生成量分别减少了25.87%和24.97%。平凉煤和麦秆混合燃烧存在协同效应,协同效应抑制燃料氮向NO转化,随掺混比的提升,混合燃烧生成的NO量降低。在加压固定床上开展煤和生物质O2/CO2气氛、不同压力(0.1 MPa-3.1 MPa)、750~850℃下的富氧燃烧实验,选取的掺混比为10%、30%、50%。实验结果表明:在700℃-1100℃下,随着燃烧温度升高,富氧混合燃烧NO生成量下降了80.96%。氧浓度的上升,对富氧燃烧NO生成量有抑制作用。随着燃烧压力从常压上升至3.1 MPa,富氧燃烧NO生成量显著下降。平凉煤和麦秆掺混燃烧时存在着协同效应,协同效应抑制掺混燃烧过程中的NO生成量,并且随着麦秆掺混比的提升,掺混燃烧生成的NO量减少。
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