【摘要】：我國已探明的煤炭儲量中,低階煤(褐煤／次煙煤)占55%以上。在過去的幾十年內(nèi)我國的能源利用率相對偏低,對低階煤的利用方面主要用于燃燒或氣化,效率低、污染物和碳排放量大。長期以來一直沒有合適的技術(shù)手段實現(xiàn)低階煤的清潔高效利用,如何實現(xiàn)低階煤的梯級綜合利用,成為我國迫切需要解決的重要課題。針對低階煤的利用現(xiàn)狀,中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項提出了以低階煤熱解為先導的煤炭資源化清潔高效綜合利用技術(shù)路線,煤熱解產(chǎn)生的熱解氣和焦油將作為高品位原料實現(xiàn)利用,熱解后產(chǎn)生的大量細顆粒半焦(0-10 mm)不適合做原料,只能通過燃燒的方式進行發(fā)電實現(xiàn)其高效利用。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有廣泛的燃料適應性,而0-10 mm粒度的燃料正適合在流化床鍋爐中進行燃燒發(fā)電。為了實現(xiàn)半焦的清潔、高效利用,需要掌握半焦在循環(huán)流化床中的燃燒和排放特性。本文首先研究了半焦的基礎(chǔ)理化特性,并利用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用對半焦的燃燒和排放特性進行初步探索。之后在不同規(guī)模的大型循環(huán)流化床試驗臺上研究半焦的流動、燃燒和污染物排放及脫除特性,同時,探索開展了循環(huán)流化床半焦燃燒超低NOx排放試驗研究。相比原煤,半焦的孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)達。神木煙煤和神木半焦中有四種不同形態(tài)的氮,分別為N-6、N-5、N-Q和N-X,不含胺類物質(zhì)。神木半焦中的N-X、N-Q相對含量增加,N-6和N-5相對含量減少。熱重-質(zhì)譜數(shù)據(jù)表明,神木煙煤和神木半焦燃燒過程中NOx前驅(qū)物主要是NH3和HCN,HCN的生成量要高于NH3。神木煙煤燃燒過程中含氮氣體生成量明顯高于神木半焦,氣體析出時間更早,氣體析出時間段對應的溫度區(qū)間更寬。半焦在流化床中的流態(tài)化特性和輸運特性都較好,且能在燃燒爐爐膛內(nèi)形成上下均勻的溫度場。隨燃燒爐溫度升高,密相區(qū)和稀相區(qū)表觀顆粒濃度趨于均勻,床料的流態(tài)化特性增強。一／二次風配比對燃燒爐溫度的影響沒有很強的規(guī)律性；從溫度分布均勻性看,隨著一次風率增大,溫度分布更均勻。與冷半焦燃燒工況相比,熱半焦燃燒以及煤熱解燃燒后耦合工況下時爐膛的溫度分布更均勻。神木半焦相比于神木煙煤,存在著火延遲、燃燒穩(wěn)定性差、燃燒效率低及燃盡性差等問題,而這些問題隨著燃燒溫度的升高都有明顯改善。神木半焦燃燒時對溫度的敏感性更強。燃用神木半焦時,燃燒溫度應至少在900℃以上。在流化床燃燒溫度區(qū)間內(nèi),NOx排放值隨著燃燒溫度的升高而降低,這是首次在中試規(guī)模循環(huán)流化床試驗臺上得到的結(jié)論。采用旋風分離器入口噴還原劑的選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(shù),可有效的降低煙氣NOx排放濃度,氨水溶液脫硝效率優(yōu)于尿素溶液。探索了實現(xiàn)NOx超低排放的技術(shù)方案,在新型循環(huán)流化床上試驗臺上開展了神木半焦燃燒NOx超低排放試驗研究,包括高層配風、低氧燃燒和后燃燃燒技術(shù)方案。高層配風對于NOx的減排作用有限,距離100 mg/m3達標排放還有一定距離,脫硝效率在30%左右。半焦低氧燃燒時NOx排放濃度大幅降低,但是燃燒效果很差,燃燒效率非常低。采用爐膛缺氧,后燃室后燃的技術(shù)方案可以使NOx排放值降低到100 mg/m3以下,最低可以到51 mg/m3,實現(xiàn)了NOx的超低排放,同時保證了較高的燃燒效率,燃燒效率在98.6%以上。焦炭N轉(zhuǎn)化為NOx過程不是瞬間完成的,而是逐步釋放的,最終生成的NOx是在后燃室中未燃盡飛灰中的氮與空氣中的氧反應生成的。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(工程熱物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ536

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