增压O_2/CO_2气氛下煤燃烧特性实验研究

增压O2/CO2燃烧是一种可高效分离回收CO2的新兴燃烧技术,其燃烧机理与常压空气、常压O2/CO2燃烧存在较大差异。在加压热重分析仪上研究了增压条件下总压、氧浓度、气氛及粒径等反应参数对美国烟煤和淮北无烟煤燃烧特性的影响,确定了煤的着火温度,并对其进行燃烧动力学分析。结果表明,增压O2/CO2气氛下,随着压力或氧浓度的增加,DTG曲线向低温区移动,煤样整体燃烧速率加快。压力提升、氧浓度增加及煤粉细化均可改善O2/CO2气氛下煤样的着火特性。常压O2/CO2气氛下煤粉燃烧基本属于一级反应;增压O2/CO2气氛下,低温区属于0.5级反应,而高温区属于1.5级反应。     

煤在不同O2/CO2气氛下燃烧硫析出特性研究

研究了煤在不同氧体积分数、混有CO2气氛下燃烧硫析出特性，结果表明，煤在低氧、混有CO2气氛下燃烧，SO2和H2S析出速率曲线均呈现双峰结构，H2S析出率明显增大，硫析出时间延长；在高氧气氛下，SO2和H2S析出速率曲线均呈现单峰结构，硫析出时间缩短。煤在低氧体积分数、混有CO2气氛下燃烧能够改善煤灰自固硫能力，降低硫的最终析出率；煤在高氧体积分数、混有少量CO2气氛下燃烧与空气气氛下燃烧相比，硫的最终析出率无明显变化。     

煤中矿物质对灰熔融和燃烧特性的影响

采用化学分步萃取、XRD和SEM-EDS、煤灰灰成分分析等测试方法对五彩湾煤中矿物质的赋存形态进行了研究,并对逐级萃取前后煤样的燃烧特性和灰熔融特性进行了分析和比较.结果表明,五彩湾煤中原始矿物质主要有方解石、硫酸钙、高岭石、石英、黄铁矿等;煤中钠含量很高,主要以水合离子的形态溶于煤的内水中;有机形态的钠、镁和钙提高了煤的燃烧特性;五彩湾煤的煤灰熔融性主要受铁钙物质的量比(F₂O₃/CaO)影响,灰熔融特性温度随铁钙物质的量比(F₂O₃/CaO)的增大而降低.     

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。     

煤中矿物质对燃煤污染物排放特性的影响

利用热分析和X射线光电子能谱（XPS）研究了煤中矿物质在燃烧过程中对煤中氮与硫的排放特性的影响。结果表明,铜川煤中的可溶性矿物质如硫酸盐、碳酸盐等对NO排放有促进作用,当将这类可溶性矿物质从煤体中除去后,煤的NO排放量下降;铜川煤中的矿物质对SO2的排放有抑制作用,当这类碱性成分被脱除后,单位质量可燃硫的SO2排放量升高。     

固定床煤贫氧燃烧有机气体排放特性的GC-MS研究

在设计的可移动式固定床上对神木煤在煤颗粒尺寸为3～5mm、烟气在炉膛内的停留时间为1.76s、过量空气系数为0.4和燃烧温度分别为1100、1400和1600 K条件下进行了燃烧实验。采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)测试分析了烟气中有机气体的排放特性。结果显示,随着炉膛温度的升高,烟气中饱和脂肪烃的含量减少了42.98%,芳香烃含量增加了50.84%。这是由于存在的氧或含氧基团与部分饱和脂肪烃反应生成了二氧化碳和水,而芳香烃由于其氧化能力较差,在氧量不足时不容易发生氧化反应所致。     

CO和O2气氛下煤中矿物质对NO—半焦还原反应的影响

在石英固定床反应器上采用程序升温法（TPR）分别考察了CO和O2气氛下煤中矿物质对NO－半焦还原反应的影响，研究了结果表明，CO和O2对于半焦还原NO的反应有显著的促进作用；煤中矿物的催化作用与其组成相关，矿物质中的碱金属Na对于NO－半焦反应具有较强的催化作用而对于CO－NO反应的催化作用较小；矿物质中的Fe对半焦还原NO的反应催化作用微弱，但在CO气氛下，Fe对于NO－CO反应的催化作用较强可有效地促进NO的还原以及O2－半焦反应形成的CO2在矿物质和半焦的催化下也参与还原NO；矿物质的惰质组分对Fe的催化作用以及NO－半焦反应均具有一定的阻抑作用。     

煤灰及各种矿物质对SO2排放特性的影响

利用TG-DTG采用低加热速率实验研究了煤阶、脱灰及煤中主要矿物质成分对煤燃烧过程中SO2排放特性的影响,并对矿物质成分的影响机理进行了讨论。结果表明,煤中硫质量分数的高低对烟气中SO2的排放有明显影响,排放水平与硫质量分数不成比例;煤中硫向SO2转化率与煤阶之间没有明显的关联;脱灰能较小程度地促进SO2的生成,抚顺煤主要矿物质成分中Na、K、Mg以及Ca等碱金属与碱土金属明显抑制SO2的排放,同时纳米级的TiO2也减少烟气中SO2体积分数,这些成分对SO2抑制作用的顺序为MgNa≈K>Ca>Mg>Ti的次序加速焦炭的氧化;Si和Al属于惰性成分,对煤中硫的迁徙以及煤的燃烧特性没有显著影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

CO_2气氛对煤热解过程中硫逸出的影响

采用热解-质谱(Py-MS)与热解-气相色谱(Py-GC)相结合的方法对平朔(PS)和义马(YM)原煤、脱灰煤及其脱黄铁矿煤进行了热解实验,考察了CO_2气氛对煤热解过程中硫逸出行为的影响。并采用质谱在线分析H_2S、COS和SO_2的逸出曲线,利用气相色谱分析H_2S、COS和SO_2在气相中的逸出量。结果表明,CO_2气氛有利于H_2S、COS和SO_2进入气相,且逸出量增加,而COS增加幅度更大。同时,CO_2气氛有利于H_2S和SO_2最大逸出峰温提前。另外,CO_2气氛对原煤的H_2S、COS和SO_2逸出温度影响较大,但对脱灰煤的影响较小。在较高的温度下,CO_2有利于煤中稳定有机硫的分解。这进一步验证了在较高温度下COS形成与CO相关,而在较低温度下与CO无关。     

煤质特性对CeO2催化煤粉燃烧的影响

利用酸洗法和燃烧法分别得到煤中的有机物（脱灰煤粉）和煤灰,研究了煤变质程度、显微组分、煤灰含量等煤质特性对CeO₂催化煤粉燃烧的影响。研究发现,变质程度对CeO₂催化煤粉燃烧具有明显的影响,变质程度越高的脱灰煤粉燃点降低越多,燃速提高越快。其催化燃烧顺序为褐煤<烟煤<无烟煤。同时研究发现,CeO₂对神华烟煤两种主要显微组分的燃烧没有明显的催化作用。煤灰对脱灰煤粉燃烧也有催化作用,对人工煤而言,当煤灰含量低于18%时,煤灰与CeO₂具有协同作用。煤灰的质量分数为6%时,煤灰与CeO₂的协同作用最强,之后随着煤灰增加协同作用逐渐变弱;当煤灰的质量分数超过18%时,协同作用消失,CeO₂的催化作用消失。说明煤灰含量超过18%时,CeO₂的催化作用被抑制。     

Thermodynamic equilibrium study of mineral elements evaporation in O2/CO2 recycle combustion

The facility for the analysis of chemical thermodynamics method (F*A*C*T) based on the Gibbs energy minimization principle, was used to characterize the evaporation of mineral elements of coal in O₂/CO₂ recycle combustion. The effects of atmosphere and temperature on the speciation of mineral species were discussed. The results show that Na(K)Cl(g), FeO(g), and SiO(g) are the dominant gaseous species of the mineral elements. The dominant species of mineral elements in flue gases depend on both the combustion conditions (reducing or oxidizing) and the atmosphere. In O₂/CO₂ mixture combustion, the evaporation rate of mineral elements is much lower than that in air combustion, especially under reducing atmosphere. The total evaporation of mineral elements in O₂/CO₂ atmosphere and air combustion under reducing conditions is 4.46% and 9.65% respectively, up to the temperature of 2400 K. The calculation values are consistent with the experiment values. The decrease in the mineral element evaporation is helpful to suppress the tendency to form fine particle matter and the tendency of initial ash deposition.     

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%。     

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。