燃煤化學鏈燃燒過程中氮氧化物生成及演變機理研究.pdf

1、化石燃料燃燒是排放CO2的主要來源。在傳統(tǒng)的煤燃燒過程中，煤與空氣直接接觸，導致煙氣中CO2的濃度較低，煙氣中CO2的捕集成本較高?；谘h(huán)載氧體的煤化學鏈燃燒通過不同品位能的梯級利用，具有比傳統(tǒng)燃燒方式更高的能源利用效率，而且能夠在燃燒過程中實現CO2的高濃度富集，是一種尚處于起步階段、具有良好應用前景的變革性燃燒方式。它不再直接使用空氣中的氧分子，而是基于循環(huán)載氧體在兩個反應器（空氣反應器和燃料反應器）內實現氧的轉移，避免煤與空氣直

2、接接觸。煤在燃料反應器內燃燒生成CO2和H2O，只需經過低能耗的冷凝過程就能實現CO2的高濃度富集。氮氧化物是燃煤電站主要大氣污染物之一，目前有關煤化學鏈燃燒過程中氮氧化物的釋放特性的研究鮮有報道，且燃料氮在煤化學鏈燃燒過程中的遷移機理更是尚未可知。因此，本文圍繞燃煤化學鏈燃燒過程中氮氧化物生成及演變機理研究的目標，首次針對燃料氮在煤化學鏈燃燒過程中的遷移機理進行了系統(tǒng)研究。
　　首先基于化學熱力學分析，研究了不同載氧體對燃料氮遷

3、移機理的影響，研究表明，載氧體的化學組成顯著影響煤化學鏈燃燒過程中燃料氮的轉化特性?；阪嚮d氧體，在1kWth串行流化床反應器上，將煤化學鏈燃燒過程中的揮發(fā)分氮和焦氮釋放過程進行分隔，針對煤中的揮發(fā)分化學鏈燃燒階段燃料氮的遷移機理和釋放特性，以及煤焦與NiO載氧體的固-固反應過程中焦氮的釋放特性開展研究。研究表明，在燃料反應器內，燃料氮釋放的中間產物HCN被NiO載氧體中的晶格氧氧化，導致NO的生成，而中間產物NH3向著N2生成的方向

4、進行;在空氣反應器內，氮氧化物的構成主要是燃料型NO，其來源于隨循環(huán)載氧體進入空氣反應器內燃燒的燃料反應器內未轉化的焦炭;燃料反應器溫度越高，燃料反應器內焦炭轉化的份額越大，隨循環(huán)載氧體進入空氣反應器內燃燒的焦炭量越少，空氣反應器內焦炭燃燒排放的NO越低。
　　在1kWth串行流化床反應器上，以南菲赤鐵礦石和紐曼赤鐵礦石作為載氧體，分別開展了20h和40h的長時間煤化學鏈燃燒實驗研究，研究了不種煤基燃料（神華煙煤、淮北無煙煤、徐州

5、煙煤、煤焦）的化學鏈燃燒特性，考察了鐵礦石載氧體在串行流化床內交替氧化還原過程中的物化性能，以及燃料氮的釋放規(guī)律。研究表明，赤鐵礦石載氧體在長時間煤化學鏈燃燒過程中，再生性能優(yōu)良，與煤氣化產物具有較強的親和力，并未發(fā)生明顯的燒結，體現了良好的抗磨損性能;揭示了燃料反應器出口煙氣中未轉化的可燃性氣體主要來自于煤中的揮發(fā)分;煤中的揮發(fā)分含量越高，煤顆粒在燃料反應器內轉化的份額越大，CO2捕集效率越高;在燃料反應器溫度為880℃～970℃時，

6、燃料反應器出口煙氣未檢測到NO和NO2，僅有微量的N2存在，并且在燃料反應器內煤中燃料氮轉化為N2的比例隨碳捕集效率升高而增加。受煤熱解氣化產物與載氧體的氣-固反應動力學速率的影響以及化學熱力學的制約，燃料反應器出口煙氣含有少量的可燃還原性氣體，能夠在燃料反應器的稀相區(qū)將NO還原為N2;在燃料反應器內，煤顆粒和氣化介質進行強烈的氣化反應，形成的煤灰質地松軟，比重較輕，漂浮在燃料反應器床層上部，被氣流攜帶出燃料反應器，煤灰中未完全轉化的焦

7、炭，反應活性高，能將煙氣中的NO還原為N2。
　　為深入揭示煤化學鏈燃燒過程中燃料氮的遷移轉化行為，在小型單流化床反應器上，開展煤揮發(fā)分和焦炭的化學鏈燃燒研究，探討揮發(fā)分氮和焦氮在化學鏈燃燒過程中的轉化特性，首次提出了基于煤化學鏈燃燒過程中燃料反應器內燃料氮轉化的多相反應機理，即:在煤化學鏈燃燒過程中，揮發(fā)分以及焦炭氣化產物與載氧體顆粒接觸，燃料氮轉化的中間產物HCN和NH3吸附在載氧體顆粒表面，被載氧體晶格氧中的活性O*原子氧化

8、，實現燃料氮的非均相轉化。
　　化學鏈氧解耦燃燒是化學鏈燃燒的一種方式，利用具有釋氧功能的金屬氧化物作為載氧體，載氧體在燃料反應器內高溫分解，釋放的氧氣和煤進行燃燒反應。以鈣鋁水泥為惰性載體，采用機械混合-擠壓成型造粒法，制備了新型CuO載氧體，在小型單流化床反應器上，分別考察了煤在空氣燃燒和氧解耦燃燒過程中燃料氮的轉化特性，首次揭示了燃料氮在氧解耦燃燒過程中遷移轉化機理;和常規(guī)的煤流化床燃燒相比，發(fā)現了化學鏈氧解耦燃燒過程會導致