高浓度煤粉着火低NO_x排放特性的机理及试验研究

【摘要】：煤粉的高效、低污染燃烧一直都是国际社会共同关注的焦点问题，高浓度煤粉燃烧技术虽具有强化稳燃和低NO_x排放二大特性，但却缺乏工程推广应用的理论指导。基于这样的工程背景，本文以热力工况与实际煤粉锅炉相似的一维沉降炉试验台为依托，选取从无烟煤→烟煤→褐煤的电厂典型用煤，借助热天平、多组分烟气分析仪、气相色谱仪、N_2吸附仪、SEM电镜扫描仪与XRD衍射仪等测试手段，通过宏观测试与微观分析相结合的方法，对高浓度煤粉(0.248～2.136kgc／kga)燃烧过程中C、H、N元素的迁徙特性、中间含氮化合物HCN与NH_3的析出特性、NO_x的沿程与动态释放特性等方面进行了详细的机理分析及大量的试验研究。在大量试验数据的基础上，通过数理统计、概率论、灰色模糊数学及运筹学理论，对影响高浓度煤粉着火特性指标的不同影响因子进行了深入的剖析，并建立了高浓度煤粉燃烧条件下的预测模型与最优数学模型。本文的主要研究工作及成果包括： (1) 通过热重-差热分析方法，在热天平上对高浓度煤粉的着火特性、热解特性及动力学参数进行了研究。煤粉浓度提高，挥发分的析出温度和燃尽温度降低，燃烧反应速度加快，燃尽时间提前，燃烧过程最大反应速率增大，着火温度降低，活化能减少，煤粉着火提前，改善了煤粉的着火与燃烧特性，每个煤种均存在一个最佳煤粉浓度，最有利于煤粉的着火与燃烧。 (2) 系统分析了六种典型煤，在不同煤粉浓度、煤粉粒径、炉温、二次风温和氧量条件下的烟温分布特性、炉温动态变化特性及燃尽特性。煤种挥发分越高，烟温增幅越大，最佳煤粉浓度下降。煤粉粒径减小，烟温升高，烟温峰值提前。氧量越高，烟温增幅越大，但波动越强。煤粉浓度递增，飞灰含碳量呈上升趋势，高浓度煤粉燃烧有强化着火与稳燃的效果。 (3) 全面讨论了高浓度煤粉燃烧过程中C、H、N元素的迁徙特性，系统分析了其迁徙特性的影响因素及与NO转化率、燃尽率之间的关系。在C、H、N元素的迁徙过程中，H元素的释放率最大，而C、N元素释放率跟煤种有关。低浓度细煤粉有利于C、H元素的迁徙，而高浓度细煤粉有利于N元素的迁徙。在挥发分中，C、H、N元素的释放率几乎不受煤粉浓度的影响。在低浓度区，煤粉浓度对挥发分与煤焦的质量损失影响较大，而在高浓度区，挥发分与煤焦的质量损失基本不受煤粉浓度的影响。高浓度下NO的异相催化还原主要来源于含H基团的贡献，煤粉的燃尽率主要与燃烧过程中C元素的迁徙特性有关。 (4) 详细探讨了高浓度煤粉燃烧过程中NO_x前驱体HCN、NH_3的析出特性。在燃烧过程中，含氮化合物主要以HCN的形式析出，煤粉浓度越高，HCN、NH_3的析出浓度越趋于稳定。低挥分煤中HCN与NH_3的析出对煤粉浓度不太敏感，而高挥发分煤中，NH_3的