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《南京师范大学》 2019年
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烟煤焦颗粒流化床富氧燃烧特性研究

王文康  
【摘要】:煤炭是我国主导能源,燃煤电站是煤炭消费的主体。实施燃煤电站CO2捕集有助于实现国家碳减排目标。流化床富氧燃烧充分发挥了流化床高效清洁燃烧和低成本捕集CO2的优势,是一种极具发展前景的CO2捕集技术,对其进行深入研究有助于该技术的发展和商业化进程的推进。本文采用实验研究和数值计算研究相结合的方法,从探究富氧气氛下烟煤焦反应特性,提取化学反应动力学参数和宏观燃烧特性,至建立燃烧模型来揭示富氧气氛下烟煤焦颗粒的燃烧机制,依次开展研究工作。全文主要研究内容如下:(1)在自制高精度热重实验装置上系统考察了 O2、CO2、H2O及其混合气氛下烟煤焦在900℃的反应特性。基于吸附和脱附原理的Langmuir-Hinshelwood(L-H)机理性模型分别计算了烟煤焦与O2、CO2和H2O反应的动力学参数。通过采用单独活性位点与竞争活性位点两种假设分析了 O2/CO2,O2/H2O和CO2/H2O气氛下烟煤焦-O2,烟煤焦-CO2和烟煤焦-H2O两两反应间的作用机制,揭示了 H20分子优先吸附于烟煤焦表面活性位点,O2分子次之,而CO2分子相对滞后的反应机理。O2/CO2/H2O气氛下烟煤焦-O2、烟煤焦-CO2、烟煤焦-H20反应表现出部分竞争反应活性位点,传统的单独活性位点与竞争活性位点假设均无法准确描述其反应速率特性。基于H2O分子优先,O2分子次优先吸附的原理,建立了 O2、CO2、H2O2合气氛下煤焦反应速率L-H动力学方程,方程计算结果与实验值良好吻合。(2)在小型流化床实验台上,深入考察了 O2/CO2取代O2/N2后烟煤焦燃烧特性,并建立煤焦燃烧简化模型,定量分析了 CO2取代N2对煤焦燃烧过程的影响机制。研究结果表明,O2/CO2气氛下,煤焦反应速率随床层温度的升高、O2浓度的升高和颗粒粒径的降低而增加;煤焦燃烧反应由O2扩散控制,气化反应由反应动力学控制;随床温的升高,气化反应对烟煤焦整体反应速率的影响增加,在高床温下(900℃以上),气化反应消耗碳占总碳消耗量的7%左右。(3)在小型流化床实验台上,深入探究O2/CO2/H2O气氛下我国典型煤颗粒的燃烧特性,同时建立了颗粒尺度燃烧模型,定量揭示了 O2/CO2/H2O气氛下烟煤焦颗粒的燃烧机制。实验和数值模拟分析表明,O2/CO2/H2O0气氛下Char-C02和Char-H2O反应的发生在提高反应速率的同时降低了燃烧温度;煤焦燃尽时间、峰值温度均随H2O和CO2浓度的升高而降低;且H2O对燃烧特性的影响较CO2更显著;Char-O2氧化反应仍是烟煤焦碳消耗量的主体,随着H2O浓度的提高,Char-H2O反应消耗碳占颗粒碳含量的比例上升,当H2O浓度达到40%时,Char-H20所消耗碳量达颗粒碳含量的18.9%,而Char-CO2反应所消耗碳量占比相对较小。
【学位授予单位】:南京师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:X773;TQ534

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