我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主,煤炭直接燃燒是主要的利用方式。燃煤工業(yè)鍋爐是僅次于燃煤電廠的第二大耗煤大戶,量大面廣的燃煤鏈條爐排鍋爐氮氧化物的排放不可忽視。鏈條爐排鍋爐大顆粒煤層燃的過程與煤粉懸浮燃燒有很大差異,大顆粒煤在熱解、焦炭氧化、焦炭異相還原NO等反應過程中燃料氮的遷移轉(zhuǎn)化十分復雜,但并未得到足夠的重視,亦缺乏深入的研究。燃煤鏈條爐排鍋爐現(xiàn)有的脫硝技術(shù)大多直接借鑒電站鍋爐,脫硝成本高,經(jīng)濟性不佳,適合燃煤鏈條爐排鍋爐清潔高效燃燒的運行方案十分缺乏。本文針對大顆粒煤熱解過程中氮官能團的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和含氮小分子氣體HCN和NH_3的析出規(guī)律進行實驗研究,采用水平管式爐實驗臺,結(jié)合XPS、FTIR等測試方法,研究了不同煤種、不同熱解溫度、不同粒徑等因素的影響。熱解時煤中不同氮官能團會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化并分解為含氮小分子氣體HCN和NH_3。隨著熱解溫度升高,煤中氮官能團總量下降,原煤熱解析出的HCN和NH_3增加。煤粉在堆積方式熱解時,HCN與焦炭發(fā)生二次反應生成更多的NH_3。大顆粒煤與煤粉堆積方式相比,顆粒內(nèi)部煤焦結(jié)構(gòu)更加致密,熱解氣在焦炭孔隙內(nèi)停留時間更長,HCN與焦炭發(fā)生二次反應更劇烈,NH_3生成量更大。在研究燃煤鏈條爐排鍋爐層燃NO_x模型時不能直接套用煤粉熱解數(shù)據(jù),需要采用大顆粒煤熱解實驗獲得含氮小分子氣體分布的相關(guān)參數(shù)。本文針對大顆粒煤焦氧化過程中焦炭氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了實驗研究,采用水平管式爐實驗臺,結(jié)合XPS、testo煙氣分析儀,研究了不同氧化溫度、不同煤種、不同氧濃度、不同顆粒粒徑等因素的影響。隨著溫度升高,焦炭氮氧化生成NO的轉(zhuǎn)化率先增大后減小。在低溫下,焦炭氧化生成大量含氧官能團促進了焦炭異相還原NO。在高溫下,焦炭顆粒表面氣化反應增強存在CO氛圍,焦炭表面CO與煤焦表面C(N)作用生成C(NCO)促進NO的還原。隨著煤階的升高,焦炭反應性降低,焦炭孔隙內(nèi)部還原NO的活性位減少,焦炭氮氧化生成NO增多。大顆粒焦炭氧化生成的NO主要被顆粒內(nèi)部自身焦炭還原。大顆粒焦炭因內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)致密,增大了氣體擴散阻力,在顆粒內(nèi)部形成低氧環(huán)境,有利于生成含氧官能團促進焦炭異相還原NO;同時,內(nèi)部焦炭氮氧化生成的NO在向外擴散過程中在焦炭內(nèi)部停留時間更長,增加了被焦炭異相還原的比例。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),分別考慮了焦炭氧化速率、溫度和粒徑的影響,建立了大顆粒煤焦炭氮氧化生成NO的數(shù)學模型。本文針對大顆粒煤焦異相還原NO規(guī)律進行了實驗研究,采用固定床實驗臺,結(jié)合XPS、XRD、testo煙氣分析儀,研究了不同溫度、不同煤種、不同顆粒粒徑、炭層厚度等因素的影響。熱解溫度升高后,焦炭晶體結(jié)構(gòu)更加有序,異相反應的活性位減少,焦炭還原NO速率變慢,同時,焦炭中氧官能團總量下降,進一步減弱了焦炭氧官能團對焦炭異相還原NO的促進作用。與煤粉焦相比,大顆粒煤焦的反應表面積減小,還原NO速率減慢。大顆粒煤焦炭層厚度增大后,參與反應的焦炭活性位增多,同時增加了NO在炭層中停留時間,有利于焦炭還原NO。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立了大顆粒煤焦還原NO的數(shù)學模型。為揭示燃煤鏈條爐排鍋爐層燃過程中NO生成規(guī)律,本文采用單元體爐進行了實驗研究,研究了不同煤層厚度、不同配風方式、不同顆粒粒徑以及粒徑分層燃燒方式等因素的影響。床層表面NO生成為典型雙峰結(jié)構(gòu),第一個峰值主要為揮發(fā)分中含氮小分子氣體HCN和NH_3氧化形成,第二個峰值為床層燃盡階段焦炭氮氧化形成,雙峰之間的谷值是由于焦炭層對NO的還原而形成。煤層厚度減小,焦炭層還原NO的程度減弱,生成更多的NO。采用推遲配風方式,床層的中前部氧量少,氧化生成NO少,同時焦炭層還原NO的程度加強,有利于抑制NO的生成。煤焦粒徑增大后,焦炭層還原NO速率減小,床層生成NO增多。粒徑分層燃燒時,床層上部焦炭粒徑較小,有利于焦炭層還原NO。通過對兩臺鏈條爐排鍋爐進行了配風調(diào)試,采用推遲配風和煤層厚度增大的運行方式,均增強了焦炭層對床層NO_x的還原,降低了鍋爐尾部NO_x排放濃度,試驗取得了低NO_x調(diào)控的預期效果。本文在團隊燃煤鏈條爐排鍋爐燃燒模型的基礎(chǔ)上建立了層燃NO_x模型,并應用單元體爐的層燃實驗對模型準確性進行了驗證。應用本文所提出的層燃NO_x模型,以一臺在用的鏈條爐排鍋爐為例,通過對床層過量空氣系數(shù)、爐拱形狀和空氣分級燃燒的數(shù)值分析發(fā)現(xiàn):降低床層過量空氣系數(shù),增加焦炭還原層厚度,有利于減少床層NO的生成;并利用人字形后拱將尾部焦炭氧化生成的NO導流到前拱下方與熱解產(chǎn)生的NH_3反應,實現(xiàn)爐內(nèi)還原NO的效果,最后得到鏈條爐排鍋爐拱風組合低NO_x燃燒運行原理,為實際鍋爐低NO_x燃燒改造提供技術(shù)支撐。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TQ534;X701
【部分圖文】：

圖 1-1 不同類型 NO 生成量隨溫度變化圖[13]Fig. 1-1 Diagram of NO emission versus combustion temperature[13]解氮官能團熱遷移機理及前驅(qū)物析出特性的研究一種含有大量 C、O、H 和少量 S、N 等有機物和部分無機物成煤地質(zhì)條件和沉積時間的差異，這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和差異很大在 0.3%~3.5%之間，其來源主要是成煤植物中的生物堿、蛋白組分。如圖 1-2 所示，Thomas[14]對一系列煤樣數(shù)據(jù)分析后發(fā)量隨著煤階增大而增大，在碳含量約為 85%時達到最大，隨后的增大氮含量減少。Lepp lahti[15]研究過程中也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)50001000 1200 1400 1600 1800 2000NTemperature in ℃

第一章 緒論 ，由于這些方法可能會對原料分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)來對樣品無破壞的光譜分析法得到大量lectron spectroscope)可以通過分析樣品的電的賦存形態(tài)及化合價等屬性，是探究煤及煤XPS 測試結(jié)果表明，煤及煤焦中氮的賦存季氮(N-Q)和氧化性氮(N-X)[16-19]。吡啶 (啶與含氧官能團結(jié)合形成的吡啶酮，季氮構(gòu)內(nèi)部的氮原子，氧化性氮(N-X)為吡啶氮 Thomas[14]文獻綜述可知：煤中含氮官能啶氮，0-20%為季氮。隨著煤階的增大，吡會小幅增加，季氮則會相應減少，如圖 1規(guī)律。許多研究者[22-27]也認為煤中含量最多

0-20%為季氮。隨著煤階的增大，吡咯含量會小幅增加，季氮則會相應減少，如圖 1-4 所類似規(guī)律。許多研究者[22-27]也認為煤中含量最多的圖 1-3 煤焦中氮官能團示意圖[20]3 Schematic representation of the nitrogen functionalities in a

【參考文獻】

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本文編號：2820299