【摘要】：層燃鍋爐是我國工業(yè)蒸汽、冬季供暖的重要設備。2017年國家頒布的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021)》明確規(guī)定,到2021年供熱鍋爐實現(xiàn)NO_x超低排放。因此,如何從源頭控制層燃鍋爐NO_x排放、提高超低排放的經(jīng)濟性和系統(tǒng)穩(wěn)定性成為行業(yè)關注的熱點。層燃過程具有顯著的分區(qū)段燃燒特性,存在典型的化學動力、過渡、擴散三種控制過程;如何在寬篩分煤種條件下,同步實現(xiàn)層燃鍋爐燃燒效率提高和NO_x排放降低是問題的難點,也是技術突破的關鍵。為此,本文提出了燃燒優(yōu)化、局部煙氣再循環(huán)、滲氮改性半焦異相催化還原等技術路線,針對“層燃工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術”中涉及的技術問題開展了如下研究:首先,在小尺度單元體懸掛固定床試驗系統(tǒng)上,以神華煙煤熱解焦炭為研究對象,采用焦炭摻混石英砂的方式進行試驗研究。通過改變焦炭/O_2比,分析焦炭層燃過程中氧化層和還原層的變化趨勢,研究焦炭氮(焦炭N)的遷移路徑和轉(zhuǎn)化規(guī)律,并佐以紅外熱像儀在線測量焦炭層迎風面(氧化層)和背風面(還原層)的表面溫度。結果表明:完整的氧化層決定焦炭層的分層情況,還原層決定NO釋放和焦炭N轉(zhuǎn)化規(guī)律;焦炭層的傳熱和焦炭-CO_2氣化反應決定氧化層、還原層表面溫度變化趨勢的不同。其次,在水平管式爐試驗系統(tǒng)上對神華煙煤熱解焦炭進行二次氣化處理(氣化介質(zhì)為CO_2),獲得擴散控制區(qū)不同轉(zhuǎn)化率的氣化焦炭,研究還原層CO_2氣化反應對焦炭N轉(zhuǎn)化規(guī)律和焦炭燃燒的影響。通過將焦炭孔隙結構、石墨化程度與焦炭-NO反應性相關聯(lián),明確焦炭N轉(zhuǎn)化與焦炭理化特性之間的內(nèi)在聯(lián)系,獲得氣化焦炭還原NO和氣化焦炭燃料氮向NO轉(zhuǎn)化的規(guī)律,同時考察CO_2氣化反應對焦炭各項反應特征參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn):對焦炭進行CO_2氣化處理,可以改善其孔隙結構,也會增大其石墨化程度;在惰性氣氛下會強化焦炭對NO的還原能力,在燃燒條件下會提高其焦炭N轉(zhuǎn)化率;長時間的CO_2氣化處理不利于焦炭的穩(wěn)定燃燒。再次,針對局部煙氣再循環(huán)條件下一次風O_2濃度低通量高的特點,提出以O_2通量作為關鍵考察因素的試驗手段,研究O_2通量,CO、CO_2和循環(huán)型NO濃度對焦炭層燃過程中氧化-還原分層及焦炭N轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響。以氧化層和還原層質(zhì)量占比為切入點,對比分析循環(huán)煙氣氣相組分對焦炭層燃過程中NO釋放的促進和抑制關系。結果表明:O_2通量的增加會降低還原層比重,促進焦炭NO的釋放;CO和CO_2濃度的增加會降低氧化層的NO釋放,但對整個焦炭層的影響不大;循環(huán)型NO的存在可以顯著降低NO釋放。然后,針對層燃過程中大顆粒焦炭外表面包裹灰層的特點,采用一維燃燒試驗方法考察兩種高灰熱解焦炭(內(nèi)蒙古焦炭和朔州焦炭)燃燒過程中灰層生長的影響,推斷灰層剝落后焦炭燃燒反應條件的變化趨勢。通過研究高灰熱解焦炭在不同燃燒反應條件下的焦炭N轉(zhuǎn)化率,獲得灰層剝落對焦炭NO釋放的影響。結果表明:灰層剝落的影響可以等效于反應溫度,O_2濃度和環(huán)境中NO濃度的上升;反應溫度和O_2濃度對不同煤種的焦炭N轉(zhuǎn)化率的影響并不一致,外部NO對焦炭NO釋放的抑制效果顯著。隨后,在一臺采用提前配風方式的29MW鏈條爐排鍋爐上進行工業(yè)試驗,研究局部煙氣再循環(huán)技術對鍋爐負荷和NO排放的影響。結果表明,從2號風室通入7%-10%循環(huán)率的循環(huán)煙氣,可以提高鍋爐負荷約3MW,降低NO排放26.96%。最后,采用尿素水溶液浸漬干燥和水平管式爐內(nèi)惰性氣氛高溫處理的方式,通過調(diào)整尿素擔載質(zhì)量和高溫處理時間,對神華煙煤熱解焦炭進行不同程度的滲氮改性,分析焦炭中氮元素(N)含量、N的表面/內(nèi)部富集情況和焦炭孔隙結構的演變,研究不同反應條件下滲氮改性對焦炭還原NO的影響機制。結果表明,惰性氣氛下,所有滲氮焦炭對NO的還原能力都高于原始焦炭;不同滲氮焦炭對NO還原能力的差異,主要源于三方面因素的耦合作用,分別是碳氮絡合物C(N)含量的增加,N的表面富集,以及焦炭孔隙結構的堵塞。
【圖文】：

燒中更容易分解氧化，因此一般煤燃燒中 75%-95%以上的 NOx是對于層燃而言，，由于其燃燒溫度較低，因此認為燃料型 NOx是產(chǎn)途徑，并強烈依賴于過量空氣系數(shù)（化學當量比）。而燃煤煙氣中主要成分，所以在層燃的研究中，燃料型 NO 是關注的重點。 1-1 是煤中氮元素（N）的轉(zhuǎn)化路徑示意圖。

圖 1-2 煤分子結構單元中的含氮官能團.1-2 Nitrogen functional groups in molecular structural unit of
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X701;TK229.61

【參考文獻】

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本文編號：2700341