超細(xì)煤粉物化特性及其對O2-CO2分級燃燒NOx排放的影響.pdf

1、能源、環(huán)境是當(dāng)今世界所面臨的兩大嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問題。中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，目前煤炭占中國能源需求總量的67％左右，這樣的能源構(gòu)成在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)不會改變。煤燃燒過程中所排放的主要大氣污染物對生態(tài)環(huán)境造成很大的危害，是最大的污染源之一。這種狀況已經(jīng)成為對社會和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約。因此如何高效利用煤炭并降低其對環(huán)境的污染就變得異常重要。對于能造成酸雨、光化學(xué)煙霧等直接危害的氮氧化物和硫氧化物等，國內(nèi)外眾多研究者已經(jīng)開展研

2、究并得到很多有益的成果。近年來，隨著CO2所造成的溫室效應(yīng)問題的凸顯，國際社會已開始對CO2減排給予了很大的重視，成為全球熱點(diǎn)問題。因此，開發(fā)一種污染物協(xié)同脫除的新興燃燒技術(shù)，在擁有良好燃燒性能的基礎(chǔ)上，不僅能實(shí)現(xiàn) CO2的分離收集，還同時具備低NOx排放以及高脫硫效率，必將擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　本文采用上海同步輻射光源、原子力顯微鏡、核磁共振、電子順磁共振、X射線光電子能譜儀、X射線衍射儀等先進(jìn)的分析儀器和設(shè)備對不同粒度煤粉

3、及煤焦的表面化學(xué)與精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究；并通過固定床實(shí)驗(yàn)臺和多路進(jìn)風(fēng)一維爐綜合燃燒實(shí)驗(yàn)臺對污染物排放特性進(jìn)行分析。在詳細(xì)深入的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上采用分形理論、機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)分析以及多樣化分析測量手段，互為支撐、相互應(yīng)證，揭示了煤粉表面化學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)特性對燃燒過程影響的機(jī)制與機(jī)理，研究基于煤粉表面化學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的脫硝分子機(jī)理，為完善超細(xì)煤粉O2/CO2分級燃燒技術(shù)思想提供理論基礎(chǔ)。
　　煤粉的物理特性是決定煤粉顆粒中質(zhì)量、熱量傳遞

4、速率與反應(yīng)表面積的重要因素，對燃燒、氣化、液化等過程產(chǎn)生巨大的影響。因此，深入研究超細(xì)煤粉的物理特性，對進(jìn)一步了解超細(xì)煤粉著火及燃燒特性有著極其重要的意義。本文采用原子力顯微鏡及上海同步輻射光源等先進(jìn)設(shè)備，結(jié)合分形幾何理論，從表面形貌、顆粒粒度、粉碎機(jī)理以及孔隙結(jié)構(gòu)等方面對超細(xì)煤粉的物理特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明隨著煤粉粒徑的增加，表面分形維數(shù)增大，表面粗糙度增加；隨著煤粉粒徑的減小，顆粒粒度分布分形維數(shù)增加，顆粒粉碎程度越高，顆

5、粒分布越集中。采用多段式分形維數(shù)對超細(xì)煤粉顆粒粒度分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明整個粒度范圍內(nèi)對應(yīng)三種不同的分形維數(shù)，分別對應(yīng)不同的粉碎理論及破碎機(jī)理。通過定義最佳煤粉細(xì)度，可以對煤粉粒徑與燃燒設(shè)備整體性能之間的關(guān)系進(jìn)行全面、正確的評估。通過對超細(xì)煤粉孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著煤粉粒徑的減小，孔表面分形維數(shù)隨之減小，表明孔表面更光滑，反應(yīng)氣體輸送阻力更??；孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)隨之增大，表明孔的空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，反應(yīng)表面更多，更利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

6、
　　煤粉超細(xì)粉碎過程中伴隨著機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，而煤粉的表面化學(xué)特性更是直接影響煤粉的燃燒及污染物排放特性。本文采用上海光源、X射線光電子能譜分析、核磁共振等先進(jìn)的分析儀器從化學(xué)元素組成、碳骨架結(jié)構(gòu)、自由基、表面官能團(tuán)以及物相結(jié)構(gòu)等多個方面對超細(xì)煤粉化學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析，為基于超細(xì)煤粉/煤焦的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型的建立以及污染物排放特性的分析打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。超細(xì)煤粉順磁共振結(jié)果表明隨著煤粉粒徑的減小，煤中自由基含量升高；酸洗過程

7、使得煤中自由基含量上升。粒徑對含氧類自由基影響最大，隨著粒徑的減小，此類自由基含量大幅上升。超細(xì)煤粉 NMR碳譜研究表明隨著煤粉粒徑的減小，煤粉的芳碳率及芳?xì)渎示S之增大；脂碳率隨之減小，質(zhì)子化脂碳結(jié)構(gòu)明顯減少；煤中的氧接脂碳含量降低，相應(yīng)的氧接芳碳含量有所升高。超細(xì)煤粉XPS氮譜分析結(jié)果表明隨著粒徑的減小，吡啶型氮隨之減少，吡咯型氮有所增多。通過上海同步輻射光源小角散射線站對超細(xì)煤粉進(jìn)行研究，結(jié)果表明煤粉顆粒存在表面過渡層，推斷是由煤

8、中與母體相連的有機(jī)基團(tuán)所形成的。隨著煤粉粒徑的減小，表面過渡層厚度增加；隨著熱解溫度的升高，過渡層厚度降低；CO2氣氛下煤焦的過渡層厚度低于相應(yīng)的N2氣氛下的煤焦。
　　煤熱解時產(chǎn)生的揮發(fā)分及揮發(fā)分的燃燒對整個煤的燃燒過程有著重要的影響，有時甚至是決定性的影響。本文采用固定床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了煤種、加熱條件、氣氛、粒徑等對超細(xì)煤粉熱解特性以及煤焦性質(zhì)的影響，結(jié)果表明甲烷析出過程主要分三個階段，各階段甲烷的生成類型與煤結(jié)構(gòu)核磁共振分析

9、有良好的對應(yīng)關(guān)系。煤粉熱解時，隨著煤粉粒徑的減小，CO的析出量有增大趨勢，但存在最佳析出粒徑。CO2氣氛下由于氣化作用CO的析出量遠(yuǎn)高于N2氣氛。煤粉的氣化過程與煤中孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，隨著煤粉粒徑的減小，孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，氣化作用增強(qiáng)。CO的析出可分為四個階段，各階段CO的生成類型與原煤中各類型含碳官能團(tuán)密切相關(guān)。NH3的形成與煤中自由基含量密切相關(guān)，需要外部含氫自由基的活化作用才可生成。煤粉越細(xì)，越利于燃料氮向揮發(fā)分氮的轉(zhuǎn)化。研究成果對

10、深入掌握超細(xì)煤粉燃燒及污染物排放特性等方面具有一定指導(dǎo)意義。
　　為了解超細(xì)煤粉在O2/CO2氣氛中分級燃燒的特點(diǎn)和污染物的析出特性，本文在多路進(jìn)風(fēng)一維沉降爐系統(tǒng)上進(jìn)行了全面、深入的煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明超細(xì)煤粉O2/CO2燃燒時，貧燃料燃燒條件下，隨著煤粉顆粒粒徑的減小，揮發(fā)分NOx增大，總的氮轉(zhuǎn)化率升高，總NOx生成量增加；富燃料燃燒條件下，顆粒粒徑越小，越有利于揮發(fā)分NOx減少，煤焦還原NOx能力也越強(qiáng)，因而更有利于NOx減

11、排。采用O2/CO2分級燃燒方式時，NOx排放與常規(guī)O2/CO2燃燒相比有所降低，而且此方式下超細(xì)煤粉可更為有效地降低 NOx排放。超細(xì)煤粉O2/CO2燃燒NOx沿程排放基本呈“M”型分布。溫度越高，均相還原作用越明顯，但溫度增加不利于異相還原反應(yīng)的進(jìn)行。
　　超細(xì)煤粉 O2/CO2分級燃燒技術(shù)既可以解決常規(guī)空氣分級或常規(guī)富氧燃燒技術(shù)中固有的燃燒性能低、燃燒損失大以及結(jié)渣等缺點(diǎn)，又可實(shí)現(xiàn)多種污染物一體化協(xié)同脫除，使得NOx等污染物