煤粉的增压富氧燃烧特性及煤灰矿物演变

为了更好地了解煤粉在增压富氧条件下的燃烧过程,利用加压热天平(PTGA)结合X射线衍射仪(XRD),研究了增压富氧燃烧条件下压力对煤粉燃烧特性及煤中矿物演变的影响。研究表明,随着压力的升高,煤粉常压时的非均相着火逐渐转变为均相着火,当压力升高到3 MPa开始向非均相着火过渡,并在5 MPa时完全转变成非均相着火。由于煤粉着火机理的转变,综合燃烧特性指数S随着压力的增加先升高后降低。不同的着火机理下,煤粉的燃烧温度也会有所差别。常压时非均相着火较高的燃烧温度使得反应生成了莫来石等矿物,而1 MPa时均相着火较低的燃烧温度则使得煤灰中出现了伊利石等矿物。压力继续升高,均相着火开始向非均相着火过渡,燃烧温度逐步升高,伊利石逐渐转变为莫来石。     

O2/CO2气氛下石灰石煅烧与硫化反应研究

富氧燃烧技术是一种能够综合控制燃煤污染物排放的新型洁净燃烧技术。本文对O2/CO2气氛下煤燃烧流化床条件下的石灰石煅烧分解特性进行了热力学分析，并与热重试验结果进行了对比，得出石灰石的起始分解温度随O2/CO2气氛中CO2分压比的增大而增加，但增幅减小。结合小型流化床试验装置上煅烧与硫化反应过程中的石灰石样品的孔结构特性和可视化SEM分析，得出空气气氛和O2/CO2＝20/80气氛在煅烧与硫化反应过程中的孔结构特性差异很大：反应温度为1 123 K时，空气气氛下石灰石迅速分解，比表面积、孔隙率增大，硫化反应发生后孔堵塞导致比表面积、孔隙率减小；1 123 K的煅烧温度还不足以使O2/CO2＝20/80气氛下的石灰石分解，硫化反应过程中还伴随着石灰石的煅烧分解。     

Mn-Fe_2O_3载氧体作用下CO化学链燃烧特性及动力学研究

采用共沉淀法制备不同物质的量比Mn掺杂的铁基载氧体(Mn-Fe2O3),并进行XRD、BET和TEM表征。开展不同温度下Mn-Fe2O3与CO的化学链燃烧实验,研究载氧体的反应特性,确定较优的掺杂量和反应温度。结果表明,适量的Mn掺杂有助于改善铁基载氧体的反应活性,Fe∶Mn物质的量为50∶1时燃烧反应转化率最高。多循环化学链燃烧实验证实了载氧体稳定性较好。不同升温速率(30、40、50℃/min)下反应动力学分析表明,Mn-Fe2O3与CO的化学链燃烧还原反应均属于随机成核和随后生长的Avrami-Erofeev方程模型,并依据模型分别计算出了该模型的活化能和频率因子。     

O2/CO2气氛下煤焦燃烧实验研究

在热重分析仪上进行了不同气氛下徐州烟煤及其煤焦的燃烧实验,分析了O₂浓度、CO₂浓度和颗粒粒径等参数对其燃烧特性的影响;并对其进行了燃烧动力学分析。结果表明,气氛对煤和煤焦开始脱挥发分的时间影响不明显,但对其燃烧速率和燃尽时间影响很大;高浓度CO₂使煤焦的燃尽时间延长。气氛没有改变煤焦的燃烧反应动力学机理。O₂浓度提高、CO₂浓度降低和煤粉细化均可改善燃料的燃烧特性,但对煤焦的改善程度比对烟煤的小。扫描电镜（SEM）结果显示,同等O₂浓度下O₂/CO₂气氛较空气气氛煤灰表面孔隙结构更丰富。     

贫煤O_2/CO_2气氛下燃烧时内在矿物质对SO_2和NO_x排放特性的影响

利用管式炉反应器在550-1 000℃对长治贫煤和脱矿物质煤分别在空气和O_2/CO_2气氛进行了燃烧实验。利用XRF、XRD等分析手段,对煤样的基本性能进行了分析表征,并采用热分析仪(TG-DTG)以及傅里叶红外气体分析仪(AntarisIGS)对贫煤燃烧过程中的燃烧特性和SO_2和NO_x释放规律进行了研究。结果表明,与原煤相比,脱矿物质煤的着火温度和燃烬温度有所降低;O_2/CO_2气氛下,原煤和脱矿物质煤的着火温度和燃烬温度都升高,说明当O_2浓度为20%时,空气气氛比O_2/CO_2气氛更易于着火和燃烬。此外,与长治原煤相比,脱矿物质煤在相同条件下燃烧时SO_2的释放量明显提高,而NO_x的释放量却有所降低。O_2/CO_2气氛下原煤燃烧时SO_2浓度比空气气氛下的要高,而脱矿物质煤燃烧时释放的SO_2浓度明显比空气气氛下的低;O_2/CO_2气氛下原煤和脱矿物质煤燃烧时释放的NOx浓度比空气气氛下燃烧时释放的NO_x浓度要低。     

O2/CO2循环燃烧方式下矿物元素蒸发特性的热力学研究

运用热力学平衡计算方法（F*A*C*T）对O2/CO2循环燃烧方式下矿物元素的蒸发特性进行了研究，并采用高温热天平进行了实验验证。结果表明，各矿物元素蒸发的主要形态分别是Na(K)Cl(g), FeO(g)和SiO(g)，反应气氛和温度对矿物元素蒸发形态和蒸发率有明显影响。O2/CO2循环燃烧方式下矿物元素的蒸发率均小于常规空气燃烧，尤其是还原性气氛中，当温度为2400 K时，常规空气燃烧矿物总蒸发率为9.65％，而O2/CO2循环燃烧方式矿物元素总蒸发率仅为4.46％。实验值比计算值略高，但主要趋势相同。     

O2/CO2煤粉燃烧时含铁矿物质转化行为的实验研究

通过乌兰木伦煤和哈拉沟煤在沉降炉中的燃烧实验,采用57Fe M(o)ssbauer谱仪,对煤中含铁矿物质及其在O2/N2和O2/CO2燃烧条件下生成的灰中含铁成分进行分析和比较,研究了O2/CO2煤粉燃烧时含铁矿物质的转化行为.结果表明,与O2/N2燃烧相比,O2/CO2燃烧对灰中生成的主要含铁矿物相种类没有影响,但显著地改变了灰中含铁矿物相的相对含量;O2/CO2燃烧更有利于内在黄铁矿和菱铁矿生成硅酸盐玻璃体而不是氧化成铁氧化物.灰中含铁矿物相的相对含量变化表明O2/CO2燃烧影响煤的结渣趋势,对于含内在含铁矿物较多的煤,O2/CO2燃烧会增加其结渣的趋势.     

低阶煤半焦利用热重在O2/CO2、O2/N2和O2/Ar气氛下燃烧特性研究

利用热重研究了两种中国西北典型低阶煤半焦的燃烧特性。探究了不同气氛（O₂/CO₂、O₂/N₂和O₂/Ar）和不同氧气浓度对其燃烧特性的影响。实验结果表明,无论是反应气氛还是氧气浓度都会对低阶煤半焦的燃烧产生影响。相比于N₂和Ar,CO₂明显有利于燃烧反应进行：当反应气氛由O₂/CO₂变为O₂/Ar时,两种不同低阶煤半焦的燃尽温度分别升高了63.7和68.8℃;而当反应气氛由O₂/CO₂变为O₂/N₂时,两种不同低阶煤半焦的燃尽温度分别升高了135.9和129.6℃。在研究范围内,氧气浓度的提高也能明显提高半焦的燃烧性能。与此同时,半焦燃烧特性的动力学分析表明,随着氧气浓度提高,两种半焦燃烧反应的表观活化能E和指前因子A均呈增大趋势。通过对E和A两者关系的分析结果表明,半焦富氧燃烧的活化能和指前因子存在动力学补偿效应。     

O2/CO2气氛下CO2和H2O气化反应对煤及煤焦燃烧特性的影响

利用热天平对比研究了大同煤及煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧行为,探讨CO₂和H₂O气化反应对其富氧燃烧特性的影响。结果表明,在5%氧气浓度下,煤粉在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧速率按顺序依次降低。氧气浓度降低到2%,由于CO₂和H₂O气化反应的作用,煤粉在高温区的整体反应速率按顺序依次增大。当氧气浓度为5%时,煤焦在O₂/CO₂中的燃烧速率要低于O₂/N₂中的燃烧速率,但燃烧反应推迟后气化反应的参与使得煤焦在O₂/H₂O/CO₂中的整体反应速率显著升高。当氧气浓度降低到2%后,随着温度的升高,在CO₂气化反应的作用下,煤焦在O₂/CO₂中的整体反应速率逐渐高于O₂/N₂中的燃烧速率。在O₂/H₂O/CO₂中,由于H₂O在共气化中起主要作用,煤焦在O₂/H₂O/CO₂高温区的整体反应速率进一步升高。动力学分析表明,在5%氧浓度时,煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的表观活化能依次升高。随着氧气浓度的降低,在不同反应气氛中的表观活化能均有所下降。     

燃煤在O_2/CO_2方式下NO_X生成特性的研究

O2 CO2 方式是一种能有效控制CO2 、SO2 与NOX 排放的新型高效清洁的煤燃烧技术 ,在自行设计的实验装置上研究了三种不同煤质特性的燃煤在这种方式下NOX 的生成与排放特征。主要研究结果表明当温度为 70 0℃及 90 0℃时 ,O2 CO2 方式下NOX 的排放量较空气气氛下大为降低。研究结果还表明O2 CO2 方式下温度、煤质特性、钙基吸收剂的加入对NOX 的生成特性有着重要影响     

O2/CO2燃烧气氛对混煤灰中矿物质间反应影响研究

对蒙煤与平七煤两种单煤及其按照不同比例组成的混煤,分别在O₂/CO₂和O₂/N₂气氛下,采用管式炉燃烧制取灰样;对灰样进行灰熔点、XRD及同步热分析（TG/DSC）测试,并进行相关热力学计算,分析了O₂/CO₂燃烧方式对混煤灰中矿物质间反应的影响。结果表明,常规灰熔点测试方法测得的两种气氛下的混煤灰熔点没有明显差别。O₂/CO₂气氛促进了煤灰/混煤灰中钙的碳酸化,且明显抑制了高温下CaCO₃的分解。气氛的改变影响了含钙矿物的转化,进而影响了混煤中钙与莫来石反应生成低温共熔物;O₂/CO₂气氛下钙更易于与莫来石发生反应生成低温共熔物,从而会增加结渣倾向。当混煤中蒙煤比例达到或大于75%时,随着蒙煤比例的逐渐增加,莫来石含量减少,O₂/CO₂气氛对钙与莫来石之间的反应影响减弱,但对含铁矿物的影响更加明显,使其更易于生成含铁玻璃体,从而也会增加结渣倾向。     

流化床O2/CO2气氛下添加石灰石对燃煤PM2.5的控制

采用小型流化床研究了在O₂/CO₂气氛下添加石灰石对PM_2.5(空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物)的控制.实验采用荷电低压撞击器(ELPI)采集和分析燃烧后的PM_2.5.结果表明,添加石灰石是燃烧过程中影响PM_2.5生成的重要因素.添加石灰石后,生成PM_1.0的数量浓度均降低,而PM_1.0~2.5的数量浓度均略有增加;PM_2.5质量粒径分布均呈双峰分布,峰值分别出现在0.2和2.0 μm左右.随着Ca/S物质的量比的增加,PM_2.5中Si、Na、K、S和Cu的含量呈减少的趋势;随着颗粒粒径的减小,S、Cu、K和Na的含量有增大的趋势,而Si的含量有减少的趋势.     

木醋调质石灰石用于O2/CO2燃煤同时脱硫脱硝性能

采用管式炉和沉降炉分别研究了O₂/CO₂气氛下燃煤预混和烟气喷入木醋调质石灰石的同时脱硫脱硝性能。结果表明,在温度1 173~1 323 K、钙硫比为2.0的条件下,木醋调质石灰石混煤燃烧脱硫效率91.0%~94.9%、脱硝效率23.5%~30.8%。随着钙硫比的增加,木醋调质石灰石混煤燃烧脱硫脱硝效率增大,适宜的钙硫比为1.5~2.0。相同的燃烧温度和钙硫比,含硫量高的煤预混木醋调质石灰石燃烧获得较高的脱硫、脱硝效率。木醋调质石灰石用于O₂/CO₂燃煤脱硫脱硝性能优于醋酸钙。O₂/CO₂燃煤烟气中喷入木醋调质石灰石、钙硫比为2.0、停留时间为0.8 s、在1 223和1 323 K时获得最大脱硫效率和最大脱硝效率为75.8%和86.6%。在上述条件下将氨气喷入反应区,氨氮比为0.75、温度为1 223和1 323 K时,脱硫效率分别为73.2%和63.9%,脱硝效率分别为93.2%和94.8%。     

O2/CO2气氛下污泥/煤混燃中半挥发性重金属的释放特性

在固定床焚烧实验装置上,采用正交实验法研究了焚烧温度(t_c)、污泥掺混比(X_s)、O_2体积分数(φ_(O2))、初始含水率(φ_(H2O))、焚烧时间(τ)和含氯量(φ_(Cl))六个因素对O_2/CO_2气氛下污泥/煤混燃中半挥发性重金属(Zn、Pb、Cd、Cu、Ni和Cr)释放特性的影响。结果表明,六种因素对重金属释放率影响程度排序为t_cX_sφ_(H2O)φ_(O2)≈τφ_(Cl)。相同焚烧工况下,Zn释放率最大,Pb和Cd次之,Cu、Ni和Cr较小。提高温度会促进重金属释放,且高温(1000-1100℃)对重金属释放的影响显著强于低温(700-900℃)。随着温度由700℃升高至1100℃,Zn和Pb释放率分别由36.1%和12.2%上升至70.9%和63.5%,Cd在900℃下达到40.0%的最大释放率,而Cu、Ni和Cr释放率大都维持在20.0%以下,温度对重金属释放率影响程度排序为PbZnCdCuCrNi。重金属释放率随着污泥掺混比增加逐渐下降,却随着初始含水率增加呈现波浪式变化趋势,且在30%O_2体积分数下重金属释放率取得最小值。焚烧时间和含氯量对Pb释放的影响程度显著强于其他五种重金属。O_2/CO_2气氛下污泥/煤混燃的最佳工况为:焚烧温度为900-1000℃、污泥掺混比为25%左右、O_2体积分数为30%、初始含水率小于10%,并尽可能的缩短焚烧时间。     

O2/CO2气氛下木醋调质石灰石再燃/先进再燃脱硝性能研究

在O₂/CO₂气氛下利用沉降炉脱硝实验台,对木醋调质石灰石和醋酸钙的再燃/先进再燃脱硝特性以及氨气的选择性非催化还原脱硝特性进行了研究。结果表明,木醋调质石灰石和醋酸钙的再燃脱硝效率随温度的升高先提高后降低,1 323 K时获得最高脱硝效率分别为82.70%和78.52%;再燃脱硝氧浓度不宜过高,合适的再燃比为14%~17%,停留时间为0.8 s。氨气选择性非催化还原脱硝在1 173 K时获得最高脱硝效率为95.41%,温度窗口为1 142~1 335 K;随着氧浓度的增大,脱硝效率不断降低,反应适宜的氨氮比为1.5,停留时间为1.2 s。按氨氮比0.75向再燃区喷入氨气可显著提高木醋调质石灰石和醋酸钙的再燃脱硝效率,同时脱硝反应适宜的温度区间也得到显著拓宽,1 323 K时两者获得的先进再燃脱硝效率分别为93.49%和92.79%。     

O2/CO2气氛下O2浓度对燃煤PM2.5形成的影响

采用管式炉和荷电低压撞击器(electrical low pressure-impactor,ELPI)研究了徐州烟煤在O₂/CO₂条件下燃烧后生成的PM_2.5排放特性。结果表明,在O₂/CO₂气氛下,煤粉在不同O₂浓度燃烧所产生的PM_2.5质量浓度均呈双峰分布,峰值分别在0.1和2.0 mm左右;随着氧含量的增加,PM_2.5的质量浓度增加;S、K和Na在亚微米颗粒上明显富集,而Si和Ca未在亚微米颗粒上富集;通过对颗粒物的粒径分布、元素分析和形貌观察,认为亚微米颗粒主要是矿物质蒸发鄄凝结机制形成的,而超微米颗粒主要是煤焦与外部矿物质的破碎以及内在矿物质聚合形成的。     

O_2/CO_2气氛添加高岭石对燃煤PM_(2.5)排放的影响

采用管式炉研究了在O2/CO2气氛下添加高岭石对PM2.5(空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物)排放特性的影响。实验采用荷电低压撞击器(ELPI)采集和分析燃烧后的PM2.5。结果表明,添加高岭石是燃烧过程中影响PM2.5生成的重要因素。添加高岭石后,生成PM1的数量和质量浓度均降低,而PM1-2.5的数量和质量浓度均略有增加,PM2.5粒径分布均呈双峰分布,峰值点分别出现在0.2μm和2.0μm左右。随着高岭石添加质量比的增加,PM2.5中的S、Pb、Cu、Na和K五种元素的浓度呈下降趋势。粒径小于0.317μm的亚微米颗粒通过气化-凝结机理形成,而超微米颗粒则是通过亚微米颗粒凝聚、聚结和矿物质熔融、破碎、聚结形成。