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煤粉再燃还原NO_x的实验研究与机理分析

高正阳  
【摘要】: 燃煤过程产生的氮氧化物对环境的污染,是当前国际也是我国政府最为关心的环境保护问题之一。解决燃煤发电造成的污染问题,发展洁净煤发电技术已经成为当务之急。煤粉再燃技术是一种有效的低NOX燃烧技术,已经成为重要的研究方向之一。 本文对煤粉再燃过程中,挥发分及煤焦的基元反应途径和反应机理进行了详细分析;在携带炉实验台上进行了神华煤、邢台煤在1200℃与1300℃、四种煤粉细度、三种再燃燃料比和三种再燃区初始氧量,共144个实验工况下的再燃实验。根据实验结果分析了再燃燃料比、再燃区氧含量、煤粉细度和反应温度等因素对NO还原效率的影响规律;发现了煤粉再燃还原NO过程中,对煤粉细度敏感的过量空气系数区域;确定了具有较高NO还原效率的过量空气系数范围。 在携带炉实验过程中,采集了不同实验工况和不同反应时间的煤焦样,并进行了元素分析。研究了不同实验条件下,再燃过程中煤中各主要元素的释放规律。发现在反应时间小于0.2秒时,煤中各元素具有较高的消耗速率;在反应时间超过0.2秒后,各元素的消耗速率下降。根据实验结果,分析了各元素的释放特性对NO还原效率和煤颗粒燃尽的影响规律。 对采集的煤焦样进行了热重实验研究,测量了样品的着火温度、最大失重速率及最大失重速率对应温度。分析了各样品的着火性能与燃尽性能。根据实验数据及阿累尼乌斯定律,提出了表征样品综合燃烧特性的指数HF。利用HF对再燃过程中煤焦燃尽性能的变化规律进行了分析,发现在相同的反应时间内,煤粉越细小、再燃区的过量空气系数越大,煤焦中残留的可燃质份额就越少,而且残留的可燃质越容易燃尽。 建立了携带炉再燃过程的数学模型,对不同实验条件下携带炉再燃过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果基本一致,能够反映再燃燃料比、再燃区氧含量、煤粉细度和反应温度等主要影响因素对NO还原效率的影响规律。根据计算结果,分析了再燃过程中HCN、C2H4及焦碳氮等重要物质的反应途径,及这些物质对还原NO的贡献。 最后,研究了快速升温过程中煤粉颗粒非经典导热效应对煤颗粒温度及NO还原效率的影响规律。首次利用非经典导热理论的两个模型—CV模型和D-P-L模型对快速升温过程中的单颗粒煤粉的温度分布及历程进行了计算,探讨了非傅立叶导热效应对NO还原效率的影响规律,发现考虑快速升温过程中煤粉的非傅立叶导热效应后,计算结果更接近实验结果。


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