摘要
在中国能源消费总量中，煤炭占据的比重达到56.0％。煤炭最主要的利用方式为燃煤发电，煤炭经过燃烧过程，释放的烟气中包含大量污染物，主要为氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)、粉尘颗粒以及二氧化硫(SO2)。NOx排放会造成酸雨以及光化学烟雾，CO2是重要的温室气体，燃煤过程中排放的CO2是导致全球变暖最重要的原因之一，降低燃煤过程中的NOx以及CO2排放，对于控制大气污染和遏制全球变暖至关重要。 富氧燃烧技术可以有效富集烟气中的CO2，同时降低NOx排放。本文从实验和数值模拟两个方面出发，在预热燃烧实验系统上，结合富氧燃烧技术，对煤粉在循环流化床中的富氧预热特性进行了系统的研究，建立预热燃料在下行燃烧室中富氧燃烧的数值模型，对下行燃烧室炉膛内的气固流动以及反应特性进行深入研究，详细描述了炉膛内的流动特性、温度分布、焦炭表面反应和组分分布，以获得高效低NOx调控策略。添加H2O来模拟湿循环过程，为煤粉预热富氧燃烧的工程应用提供理论支撑。主要结论如下所示: (1)煤粉经过富氧预热过程转化为预热燃料，主要包括预热半焦以及高温煤气，其性质发生了较大的改变。高温煤气的成分主要包括CO、H2、CH4、HEO和CO2，预热半焦经过预热过程相较于原煤得以改性提质，其粒径减小，比表面积增大，碳反应活性增强。燃料中的N元素在预热过程中析出，大部分被还原为N2，少部分转化为NH3和HCN等中间产物。热重结果显示，预热半焦低挥发分以及高灰分的特点导致预热半焦的着火温度以及燃尽温度高于神木烟煤，综合燃烧特性指数低于神木烟煤。富氧燃烧动力学分析结果表明，在热重分析中，由于升温速率较慢，预热半焦以及神木烟煤燃烧受动力学控制，实验所得表观活化更加靠近化学反应本征活化能，预热半焦的表观活化能要高于神木烟煤; (2)建立预热燃料富氧燃烧数值模型并准确地预测实验结果。基于煤粉预热富氧燃烧实验结果，将预热燃料的改性变化提炼融合到煤粉富氧燃烧的模型中，考虑预热燃料燃烧过程中挥发分模型、湍流化学反应相互作用模型、焦炭多表面反应模型和NOx生成与还原模型与煤粉燃烧过程的区别，成功模拟了预热燃料在下行燃烧室中的富氧燃烧过程。为满足工业应用领域的需求，还对气相总包反应进行筛选改进，改进后的模型可以准确预测不同工况下行燃烧室还原区主要烟气成分的变化; (3)以实验结果为基准，通过数值模拟研究了不同操作参数对下行燃烧室温度分布、组分分布、着火特性和NOx排放特性的影响。对比了预热燃料和煤粉在下行燃烧室的富氧燃烧过程，相较于煤粉，预热半焦在下行燃烧室中不需要经历颗粒升温过程，可以迅速着火燃烧，并实现更高的燃烧效率。二次风使用中心喷口配风时，下行燃烧室尾部NO排放最低为54mg/MJ;二次风使用环形喷口配风时，着火距离最短，火焰温度最低同时温度分布更加均匀。此外，提高二次风O2浓度，降低二次风O2比例均有助于降低NO排放; (4)预热富氧燃烧系统中，H2O对于预热富氧燃烧特性具有重要影响，通过添加H2O来模拟煤粉预热富氧燃烧的湿循环过程。一次风中添加H2O的实验结果表明，H2O在促进H2的生成的同时抑制CO的生成，C-H2O气化反应得到增强。添加H2O降低预热温度，预热过程N元素的转化率降低，最终导致下行燃烧室尾部NOx排放升高。二次风中添加H2O的模拟结果表明，二次风O2浓度一定时，随着二次风H2O浓度的升高，下行燃烧室中火焰温度升高，促进燃料N在下行燃烧室释放并转化为NO，下行燃烧室中NO浓度峰值升高。同时二次风中添加H2O在强化C-H2O气化反应的同时抑制C-CO2气化反应，下行燃烧室还原区CO和H2浓度升高，但是整体的气化反应强度变化不大，下行燃烧室尾部NOx排放升高。
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