增压流化床煤的富氧燃烧及热解实验研究

论文总字数：30050字

摘 要

2等温室气体引起的全球气候变化被广泛关注。CO₂的捕集和减排成为目前研究的热点问题。增压富氧燃烧技术（POFC）是一个新型的CO₂捕集技术，它能够相对高效的实现CO₂的减排和减少气体污染物。目前为止，国内大多研究都停留在增压富氧的起步阶段，大多数研究集中于数值模拟以及经济性分析，实验的相关报道非常少。在一个增压富氧燃烧系统的热解和燃烧过程中，高压CO₂气氛必然会对燃料中N元素的转化产生某些影响，了解这些影响对加深增压富氧燃烧技术的理解是十分必要的。因此，本文在一台20kWth的流化床上进行了增压热解以及燃烧实验，目的是为了研究压力和环境在不同燃烧阶段对燃料N的影响。通过烟气分析仪对实验产生的烟气进行分析发现，实验所用的美国烟煤以及云南褐煤在CO₂气氛下热解的主要含N气体产物为HCN，而N₂环境下产物为HCN和NH₃。CO₂能够促进燃料N向HCN的转化。同时，在对比了不同压力下含N气体的排放特性，得出结论：增压也能够提高燃料N向HCN的转化。在增压富氧燃烧过程中，研究淮北无烟煤燃烧特性后发现，无烟煤燃烧产物中的氮氧化物主要是NO和N₂O，且NO含量居多。增压能够提高NO以及N₂O的产量，并且使N₂O所占的百分比增加。此外，提高压力能够减少CO的排放量。

关键词：富氧燃烧；流化床；增压；热解

Experimental Study on pressurized pyrolysis and oxy-fuel combustion in fluidized bed

03011010 Weihai Jiang

Supervised by Lunbo Duan

Consultant teather Yuanqiang Duan

Abstract：The greenhouse has caused the climate change, which is drawn attention all over the world. It is necessary to study the CO₂ capture and emision. Pressurized oxy-fuel combustion (POFC) is a potential technology for CO₂ capture with respect to the simultaneous reduction of gaseous pollutants with the relatively high efficiency. Present studies of POFC are mainly focus on economic analysis and numerical simulation, while only a small amount is about experimental work. In a POFC system, the high partial pressure of CO₂ will inevitably have certain impacts on fuel-N conversion during coal pyrolysis and combustion. Thus, the pressurized pyrolysis and combustion experiments were conducted to study the influences of pressure and atmosphere on fuel-N conversion at different stages of combustion in a 20kWth fluidized bed. Results show that HCN is the major nitrogen-containing gaseous product for coal pyrolysis under CO₂ atmosphere with the used coal. High pressure and the enrichment of CO₂ in atmosphere both can enhance the fuel-N conversion to HCN in pyrolysis process. For combustion experiments, Huaibei Anthracite is studied to know the influences of pressure on characters of coal combustion. The nitrogen oxide in anthracite coal combustion products are mainly the NO and N₂O, and NO in the majority. High pressure can increase the products of NO and N₂O,and it can increase the percentage of N₂O. Particularly, the increased pressure can reduce the CO emissions.

Key words: oxy-fuel combustion; fluidized bed;pressurization;pyrolysis

目 录

1、 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 富氧燃烧技术 2

1.2.1 富氧燃烧技术概况 2

1.2.2 增压富氧燃烧技术 3

1.3 现阶段研究成果 3

1.3.1 常压富氧条件下的研究 3

1.3.2 循环流化床富氧燃烧技术 4

1.3.3 增压富氧燃烧研究现状 5

1.3.4 煤粉热解特性研究 7

1.4 课题研究目的和内容 8

2、 实验装置系统及测试仪器 9

2.1 引言 9

2.2 实验系统 9

2.2.1 增压流化床O_2/CO₂燃烧实验系统 9

2.3 测试仪器 10

2.3.1 烟气分析仪 10

2.3.2 FTIR气体分析仪 11

2.3.3 CO₂分析仪 12

2.3.4 元素分析仪 13

2.3.5 振动筛 13

3.4本章小结 13

3、 增压流化床煤热解特性研究 14

3.1 引言 14

3.2 实验方法 14

3.3 实验结果分析 14

3.4 本章小结 17

4、 增压流化床煤热解特性研究 18

4.1 引言 18

4.2 实验方法 18

4.3 实验结果分析 18

4.4 本章小结 20

5、全文总结及展望 21

5.1全文总结 21

5.2 今后工作的展望 21

致 谢 22

参考文献： 23

1. 绪论

1.1 课题研究背景

“温室气体”，顾名思义就是在地球大气层中的一些气体，它们能够给地球建造了一个类似的巨大温室。2007年初，政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了一篇关于全球第四次气候变化的评估报告，报告中指出全球的气候变暖已经是“无可非议”的事实^[1]。全球变暖问题牵扯范围很广，很难去解决。据全球地表温度观测资料显示，近五十年以来平均线性增暖速率为0.13°C/10年。全球变暖是有危害的，主要包括：（1）南极、北极冰川融化，从而导致海平面上升；（2）土地沙漠化；（3）气候干旱；（4）疾病的滋生蔓延。全球变暖主要是人类大量排放温室气体造成的，温室气体主要包括：CO₂、N₂O、CH₄、H₂O等。温室气体产生温室效应的原理：它们在太阳短波辐射段极少具有强辐射的吸收带，而在长波段却悄悄相反，会吸收大量长波辐射。结果就是导致了太阳短波辐射能够透过大气层到达地面，使地球表面的温度增加，而地球表面向宇宙发射出去的长波辐射却被大气吸收了，然后大气的温度就会增加，而大气由于向地面辐射了能量因此保持了地面温度。人类在社会生产活动中产生的温室气体排放原因是使用了大量能源，我国一次能源消费中化石燃料占2.5%，其中煤炭占69.5%。从工业化到现在的250余年间人类排放了约1.16万亿吨的CO₂，在这期间全球大气CO₂浓度由280ppm升高到379ppm，两者之间必然存在着因果关系。大气中高浓度的CO₂带来了更强的温室效应，导致全球地表平均气温升高了0.44~0.8°C^[2,3]。人类排放的CO₂主要是通过使用化石燃料导致的，而在化石燃料中， 煤炭在全世界的能源结构中都占有重要的地位，煤炭的优点：价格低廉、储量丰富、分布广泛。 在我国煤炭也是主要的消费能源。因此控制和削减煤炭中温室气体CO₂的排放刻不容缓，这对保护人类赖以生存的地球环境，以及对国民经济的良好发展都有重要意义。

在众多控制CO₂排放的措施中，对烟气中CO₂的捕集、封存是一个极为有效的方式。然而CO₂捕集技术在现代工业中的实施也有一些困难，主要是高昂的费用影响了该技术的发发挥，因此找到合适的CO₂捕集技术是解决控制温室气体排放的关键。目前为止，燃煤电站CO₂捕集主要有：

1. 吸收分离法^[4]；

主要包括物理吸收法和化学吸收法。吸收分离法一般只适用于气源中CO₂浓度低于20%的情况。其优点在于CO₂纯度高，分离效果好，缺点是设备投资过大，运行费用高昂。但因其技术简单，方便操作，国内目前较多采用这种技术。

1. 吸附分离法；

在吸附分离法中用到的吸附剂包括分子筛、沸石、活性炭、氧化铝凝胶等等。由于其吸附剂的吸附能力限制以及吸附剂对 CO₂选择性较差，在火电厂排放烟气使用用吸附法会导致能源消耗巨大，而且成本太高。

1. 化学链燃烧法^[5]；

化学链燃烧技术是让燃料与空气不直接接触而产生反应来释放能量的一种新型技术。该燃烧技术是通过载氧剂（金属氧化物或盐类）中的氧原子来完成燃烧过程，它包括两个反应过程：一方面金属氧化物与燃料在燃料反应器中发生还原反应，只生成CO₂、水蒸气以及被还原的金属；另一方面金属颗粒进入空气反应器与空气中中的氧反应变成金属氧化物，同时释放大量热量，随后金属氧化物又被送入燃料反应器中与燃料反应。该种燃烧方式能够消除NO_x的影响，并且可以高效的利用能源。但是该技术在制备高效、经济、环保的载氧剂方面比较困难，而且传统的锅炉无法满足化学链燃烧技术的需求，必须重新设计反应器。

1. 富氧燃烧技术。

又称O₂/CO₂燃烧技术。该技术利用空气中分离出来的O₂和一部分循环烟气的混合物来替代空气与燃料组织进行燃烧，来提高烟气中CO₂浓度，从而以较小的代价冷凝压缩便可实现对CO₂的捕集。该技术是被认为是最具技术可行性和经济优势的技术之一。

1.2 富氧燃烧技术

1.2.1 富氧燃烧技术概况

富氧燃烧，又被称之为O₂/CO₂燃烧，该项技术的原理是通过利用空气分离获得的O₂以及部分循环烟气的混合物来替代空气与燃料进行燃烧^[6]。由于富氧燃烧技术将空气中的N₂分离出去，这样以后煤燃烧生成的烟气中的CO₂浓度特别高，烟气经过压缩冷却之后就能够得到液态CO₂，并同时回收其他污染物，从而实现的CO₂捕集。图1.1为富氧技术原理图。

图1.1 富氧技术原理图

1982年，Abraham提出了富氧燃烧技术，目的是为了生产CO₂来提高石油采集效率^[7]。目前为止，许多发达国家，例如美国，日本，澳大利亚，加拿大，英国，西班牙，法国，荷兰等都特别重视富氧燃烧技术的发展。最早实施煤粉炉富氧燃烧实验研究的是美国Argonne国家实验室，当时美国能源部大力支持他们富氧燃烧技术研究，该项技术主要包括四个基本步骤：纯氧制备、富氧燃烧、电力生产、烟气脱水与压缩（烟气压缩净化）。在这4个过程中，空气压缩制氧会消耗系统总能量的17%左右，压缩CO₂消耗系统总能量的9%~14%，因此要实施富氧燃烧技术将会额外消耗掉系统总能量的26%~31%。他们实验室对富氧燃烧技术进行了三个工业试验研究，结果发现只要对常规锅炉进行适当的改造，就能够将富氧燃烧技术运用到电站当中。早在在20世纪90年代中期，我国就开展了关于富氧燃烧技术的基础研究。东南大学、华中科技大学、浙江大学等是国内最早着手于研究富氧燃烧的燃烧特性以及污染物排放特性的高校^[8-11]。2006年，华中科技大学承担了国内第一个关于CO₂减排的863 计划项目，随后华中科技大学又承担了国家973计划项目，掀起了国内富氧燃烧技术研究和试验的序幕。到目前为止，华中科技大学自行设计的35MWt 煤粉炉富氧燃烧示范电站正在建设中，该电站预计在2015年投入运行。神华集团计划将于2015-2019 年期间投产200MWe 的煤粉炉富氧燃烧示范电站^[12]。日本石川岛播磨公司(IHI)^[13]将富氧燃烧技术运用到了100 MW示范电站中，同时在没有采用任何其它措施时情况下，电厂脱硝率达到了70%，喷钙脱硫效率达到了90%以上。美国麻省理工学院Ghoniem教授团队以一发电量55万千瓦的商业电站为例，若采用富氧燃烧，电站净效率将由空气燃烧时的39.5%（基于高位发热量）降低到28.3%。

1.2.2 增压富氧燃烧技术

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：30050字

相关图片展示：