低氧气氛下煤粉燃烧特性

为研究煤粉低氮燃烧时CO_2成分在低氧含量气氛下对燃烧的作用,在热重分析仪上进行了煤粉低氧气氛下的燃烧试验。通过模拟真实燃烧反应中的反应气氛,研究了O_2/CO_2混合比例、升温速率对煤粉燃烧特性的影响。结果表明,在O_2/CO_2混合气氛下,温度为1 000℃以内均存在着燃烧反应和气化反应的竞争关系。CO_2含量高时,CO_2与煤粉的气化反应对煤粉燃烧反应抑制程度逐渐增加。O_2/CO_2比例降低,煤粉的燃尽温度升高幅度明显,煤粉难以燃尽;煤粉的点火温度受CO_2含量影响不大;升温速率由10℃/min升至20℃/min对煤粉可燃性和着火稳定性提升明显,20℃/min升至30℃/min影响不大。     

Fe2O3和K2CO3对高灰分煤催化燃烧影响及机理分析

为提高淮北矿区高灰分煤的燃烧效率,采用热重分析实验对比分析了Fe2O3和K2CO3对煤粉着火与燃尽温度、燃烧特性指数、放热面积的影响.结果发现Fe2O3和K2CO3可分别将煤粉的着火温度由480.3℃降低470.4℃和397.3℃,燃尽温度由628.4℃降到609.7℃和547.7℃,燃烧特性指数提高,放热量增大.利用SEM、XRD和FTIR测试技术对煤粉燃烧残余物的微观结构、物相组成及官能团变化进行研究,分析燃煤催化剂在燃烧反应中的作用机理;通过BET方程计算燃烧煤焦的比表面积,分析其孔隙结构的变化.结果表明Fe2O3和K2CO3的主要作用机理是促进燃烧反应过程中挥发分的析出,增强煤粉的吸附性能,加快燃烧反应过程中固定碳的燃烧.     

碳酸盐对高灰分煤粉燃烧的动力学研究

采用非等温热重分析技术对比研究了Na2CO3，BaCO3和CaCO3对高灰分煤粉（灰分〉44％）燃烧反应动力学参数的影响。非等温热重分析以20℃／min的升温速率从室温升到1000℃，动力学参数采用Coats—Redfern方程进行计算．结果表明：与空白煤样对比，掺有碳酸盐的煤样着火温度均有不同程度的降低，而煤样的最大燃烧速率增大且燃烧最大速率出现的温度前移；当煤粉样品中分别掺有3％的Na2CO3，BaCO3和CaCO3时，煤粉燃烧的活化能比纯煤粉分别降低了15．63％，12．39％和14.23％，且指前因子与活化能之间存在着线形关系，其关系为In（А）=0．2783E-12．882。     

响应曲面法评价与优化混煤富氧燃烧特性

研究了小龙潭褐煤、富源烟煤和昭通褐煤混煤的燃烧特性,对比了不同氧气浓度、不同升温速率下煤样的热解及燃烧特性,采用响应曲面法优化软件对氧气浓度、升温速率及煤粉配比进行优化.结果表明,富氧燃烧时,煤样着火温度和燃尽温度降低,燃烧时间缩短;氧气浓度高于30%(?)后,煤粉燃烧特性参数变化趋于平缓,实际应用中氧气浓度应控制在30%左右;煤粉燃烧后段活化能较高,煤样活化能、指前因子随氧气浓度增大而增大;升温速率增大,煤样的着火温度和燃尽温度升高,煤粉燃烧时间延长,稳定性、燃烧性变差.氧气浓度越高,煤样燃烧性能越好,设置可燃性指数和燃烧特性指数最大,燃尽温度和投资成本最小,小龙潭褐煤:昭通褐煤:富源烟煤质量比为100:55.07:1时优化的4个评价指标最好,可燃性指数为43.56×10-7,燃烧特性指数为4.27×10-10,燃尽温度为680.01℃,成本为252.49$/t.     

高炉喷吹煤粉添加剂热重实验研究

利用热重分析法研究了9种添加剂对煤粉燃烧性能的影响.利用TG-DTG曲线对配加不同添加剂的煤粉试样在不同温度下的煤粉燃烧率、煤粉初始剧烈燃烧温度、最大反应速率进行比较,并采用曲线拟合方法分析比较了煤粉燃烧的平均反应速率.综合热重分析得出,配加添加剂的5#煤粉试样的综合燃烧性能明显优于原煤,与原煤相比,煤粉开始剧烈燃烧温度降低了14℃,600℃时的煤粉燃烧率提高了11.94%,平均反应速率提高了8.7%.可考虑将5#试样所配加的添加剂作为煤粉助燃剂应用.     

添加剂对劣质煤燃烧特性和灰渣熔融性的影响

利用热重-微分分析仪和灰熔点测试仪,研究了O2/CO2和O2/N2气氛下添加剂对重庆南桐高灰分劣质烟煤燃烧特性和煤灰灰渣熔融温度的影响,并进行了动力学分析.结果表明,添加剂CaCl2,Ca(OH)2和CaCOs均能有效地增加煤粉反应表面的活性,降低煤粉反应表观活化能、煤粉点燃温度和燃尽温度,提高煤粉可燃性指数C和燃尽指数Cb,但三种添加剂对煤粉燃烧促进作用有差异,其促进性能大小顺序为CaCl2＞Ca (OH)2＞CaCO3.添加剂CaCl2的加入能够提高煤粉的燃烧效率.添加剂Ca(OH)2和CaCO3的加入显著降低了煤灰熔融点温度,增加煤灰结渣可能性,而添加剂CaCl2的加入对煤灰灰渣熔融点温度降低不明显.CaCl2作为劣质煤燃烧添加剂,具有较好的综合性能.     

新型干法水泥窑节煤剂的研究及工业应用

针对目前我国新型干法水泥窑热耗高的现状,本文从煤炭燃烧、煤炭渗透、矿化作用等方面对节煤剂进行研究,通过煤粉燃烧试验发现节煤剂能降低煤粉粒度从而降低煤粉的初燃点和终燃点;通过渗透性试验发现其能降低节煤剂和煤粉的界面张力,促进节煤剂渗透至煤粉内部,从而有利于其发挥节煤效果;通过矿化试验发现其能降低样品的游离氧化钙,促进固化反应,从而达到节能的目的。通过河南登封SG水泥厂5000t/d的新型干法水泥窑的工业应用试验发现,该厂添加量为0.8‰时到达最佳效果,实物煤耗的节煤率为4.87%,具有较大的经济效益。     

助燃剂对3种煤样燃烧特性及动力学影响分析

采用热重分析法,研究2种烟煤(YM1、YM2)和1种褐煤(HM)添加助燃剂前后的燃烧特性及动力学,用KAS法求取3种煤样添加助燃剂前后的燃烧活化能,并考察升温速率对添加助燃剂的中灰烟煤YM2燃烧特性的影响。结果表明,3种煤样燃烧的TG和DTG曲线形状类似,YM1的着火温度和燃尽温度最高,HM的着火温度和燃尽温度最低。添加质量分数10%的助燃剂后,各煤样的着火温度、燃尽温度降低,综合燃烧特性指数增大;添加助燃剂后,升温速率对YM2燃烧特性影响较大;添加助燃剂后,YM1、YM2和HM燃烧的平均活化能分别降低6.54 kJ/mol、4.55 kJ/mol和4.19 kJ/mol。     

超声辐照对水煤浆浆体燃烧性能的影响

选用兖州、红会及大同等煤样制备水煤浆,考察了超声辐照对浆煤燃烧性能的影响。TG及DTG的实验结果表明,在超声强度为80W／cm^2,频率为20kHz和辐照时间8min的条件下,经超声辐照后,煤的着火点、燃层温度以最大燃烧反应速率时的温度等降低,失重速率增加,燃烧性能得到改善。采用ASAP对超声辐照前后的煤粒的孔结构分布进行了表征,表明超声辐照对煤浆燃烧性能的影响与辐照前后煤的孔结构分布变化有着密切的相关性。     

富氧气氛下升温速率对煤燃烧及动力学的研究

在同步热分析仪上对小龙潭褐煤进行了不同升温速率(5K/min,10K/min和20K/min)下的O2/CO2燃烧特性实验,确定不同升温速率下煤粉的燃烧特性参数及动力学参数.实验结果表明,随着升温速率的增大,煤粉的TG曲线和DTG曲线均向低温区偏移,煤样的着火温度和燃尽温度升高,燃烧时间延长,可燃性指数和综合燃烧特性指数增大,同时,反应动力学参数随升温速率的变化而不同,频率因子呈上升趋势.     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数：21%、30%和50%,研究了O₂/Ar和O₂/CO₂气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O₂/CO₂气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O₂/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O₂/CO₂燃烧的表观活化能明显低于O₂/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O₂/CO₂气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O₂/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

神府煤粉燃烧特性

为了给煤粉锅炉用户提供煤粉优选理论依据,以煤粉锅炉主要用煤神府煤制备的煤粉为研究对象,采用TG-DTG对煤粉的燃烧特性进行研究,分析了不同煤粉及升温速率对煤粉燃烧特性的影响。结果表明:在空气气氛下,升温速率提高,TG、DTG曲线向高温方向移动,煤粉的着火温度升高,最大质量变化速率增大,最大失重温度提高,燃尽指数增大;随着灰分和粒径改变,升温速率为10或20℃/min时,煤粉的着火温度变化不显著,燃尽指数及综合燃烧特性指数均有影响。灰分减小,粒径不变时,D煤粉的综合燃烧指数为1.51,优于粒径74μm、灰分9.5%的P煤粉。     

Numerical simulation on optimization of structure and operating parameters of a novel lean coal decoupling burner

Due to its low volatile characteristics of lean coal, it is difficult to catch fire and burn out. Therefore, high temperature is needed to maintain combustion efficiency, while, this leads to high nitrogen oxide emission. For power plant boilers burning lean coal, stable combustion with lower nitrogen oxide emission is a challenging task. This study applied the 3D numerical simulation on the analysis of a novel de-coupling burner for low-volatile coal and its structure and operation parameters optimization. Results indicate that although it was more difficult for lean coal decoupling burner to ignite lean coal than high volatile coal, the burner formed a stepwise ignition trend, which promoted the rapid ignition of lean coal. Comparison of three central partition plate structure shows that in terms of characteristics of the flow field distribution, rich and lean separation and combustion, the structure with an inclination of 0° showed good performance, with its rich-lean air ratio being 0.85 and concentration ratio being 22.94, and there was an apparent decoupling combustion characteristic. Finally, the structure of the selected burner was optimized for its operational conditions. The optimal operating parameters was determined as the primary air velocity of 24.9 m·s⁻¹ and the mass flow rate of pulverized coal of 2.5 kg·s⁻¹, in which the pyrolysis products were utilized as reductive agent more fully. Eventually, the nitrogen oxide was efficiently reduced to nitrogen, which emission concentration was 61.88% lower than that in the design condition.     

煤粉高压着火特性及影响因素

高压气化炉内煤粉的着火特性对煤粉烧嘴和气化室的设计与运行调控具有重要意义。笔者采用加压热重分析法对3个煤样的着火特性进行研究,根据升温过程中的能量守恒原理和谢苗诺夫着火理论提出了一种新的处理PTG曲线求取着火温度的拐点法,并与传统经验切线法进行对比;讨论了压力、氧气体积分数、升温速率、挥发分和颗粒粒径对着火温度的影响。研究结果表明,煤粉着火温度区间为从初始着火温度(Ti)到极限着火温度(Tig),环境换热条件所决定的切点位置是唯一定解条件,高温工业炉高加热速率对应的为极限着火温度;与常压条件下相比,加压下固定床煤粉的着火为异相着火,着火温度随挥发分的增加而略有增加;在0.1~1.0 MPa和3~5 MPa的压力范围内,随压力的升高,着火温度下降,且比常压下低很多,虽然在1~3 MPa的着火温度略有增加;氧气体积分数对着火温度的影响规律与常压的类似,随氧气体积分数的增加,着火温度降低;虽然加压条件下煤粉的快速反应,拐点法与切线法得到的着火温度相近,但切线法无法响应环境条件的变化,且常压下,经验的切线法无法给出令人满意的结果。     

煤粉无焰富氧燃烧的数值模拟方法进展

无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一,可在捕集高浓度CO₂的同时显著降低NOx排放,并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学(CFD)作为燃烧研究的重要手段之一,具有快捷、成本低和数据丰富等优点,有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累,对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结:首先强调了煤粉无焰燃烧的试验和数学定义,其由于存在非均相反应而区别于气体燃料无焰燃烧;然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展,包括模拟流动、传热、燃烧和污染物生成方面的子模型和机理,其中考虑强烈烟气卷吸的可实现k-ε湍流模型、P1或DO辐射模型及针对富氧气氛修正的WSGG气体辐射模型、CPD挥发分析出模型、考虑湍流与化学反应交互的有限速率EDC均相燃烧模型、针对无焰及富氧燃烧开发验证的均相反应机理、考虑气化反应的多步表面焦炭非均相燃尽模型、含氮化学详细反应机理氮转化模拟、动态自适应反应机理加速算法等可显著提高煤粉无焰富氧燃烧的模拟精度和计算效率。总结了煤粉无焰富氧燃烧在基准对照试验、微观反应区域分析、宏观反应特征、污染物生成及大型化锅炉概念设计方面的模拟研究情况;最后以大涡模拟、燃烧模型、高精度反应机理及动态自适应反应机理、工业应用优化等角度展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。     

煤粉大比例掺混不同生物质的混燃特性研究

可再生能源生物质清洁低碳、易于获取、利于着火,含硫、氮量少且属于碳中性物质,但其能量密度低。在煤粉中大比例掺混生物质(生物质/煤粉质量比大于5∶5)可有效改善煤粉着火特性,碳排放水平接近燃烧天然气,且污染物排放显著降低,进而达到节能减排目的。目前研究主要集中在低掺混比例(小于5∶5)下生物质与煤粉的混燃特性,针对北方常见的玉米秸秆、稻杆和玉米芯等生物质与煤粉在大掺混比例下的燃烧特性,尚有待深入。笔者利用热重分析技术分别研究了煤粉与不同生物质种类(玉米秸秆、稻杆及玉米芯)在不同掺混比例下(5∶5、6∶4、7∶3和8∶2)的混燃特性,分析生物质种类和掺混比例对混合燃料的着火温度、燃尽温度、交互反应以及燃烧特性指数等的影响,确定了不同生物质的最佳掺混比例。结果表明:掺混比例对混合样品失重曲线的影响从大到小依次为玉米秸秆、玉米芯和稻杆。随掺混比例增加,第1阶段最大质量变化速率逐渐增大且燃烧进程前移,第2阶段则逐渐减小,这是由于挥发分相对增加且焦炭相对减少的原因。混合样品的着火温度和燃尽温度比纯煤粉分别下降约100和60℃。随掺混比例的增加,玉米芯着火温度逐渐减小,玉米秸秆和稻杆则先减小后增大,且均在7∶3时达到最小;燃尽温度均呈现下降趋势,下降幅度由大到小分别为玉米芯、稻杆和玉米秸秆。玉米秸秆和稻杆在8∶2时燃尽性能较差。混合样品发生不同程度的交互作用,该交互作用正是生物质的促进和抑制的协同作用,使3种生物质均在5∶5时对煤粉燃烧抑制作用大;玉米秸秆和稻杆在7∶3时、玉米芯在6∶4、8∶2时促进作用大。同时,3种生物质的燃烧特性指数远大于煤粉,随掺混比例的增大,玉米芯的燃烧特性指数变化最大并在8∶2时达到最大值,6∶4和7∶3时几乎相同;稻杆的变化最小且在7∶3时达到最大值;玉米秸秆在7∶3和8∶2时几乎相同并达到最大值。小范围改变掺混比例时,燃烧特性指数变化不大。这可能是由于燃烧特性指数不仅与着火温度和燃尽温度有关,还与样品在其主要燃烧过程的反应速率有关,而煤粉在焦炭燃烧阶段的反应剧烈程度高于生物质挥发分析出阶段,使不同掺混比例的混合样品出现以上现象。     

煤粉富氧燃烧着火温度预测的优化随机森林(GA-RF)模型

二氧化碳排放是造成温室效应的主要原因之一,富氧燃烧作为一种有效的碳减排与封存技术具有广泛的研究前景。在燃煤电厂中煤粉富氧燃烧的着火温度是燃烧器设计和运行安全的重要指标,并且与煤粉组成成分、煤粉粒径以及燃烧氛围都有复杂的相关性。因此,对煤粉富氧燃烧着火温度的预测模型研究意义重大。采用滴管炉分别测量了5种煤粉在O2体积分数为30%、35%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%富氧条件下的着火温度,分析了氧气体积分数和煤粉的组成成分与着火温度之间的关系。研究发现,随着氧气体积分数分数的增加,5种煤样的着火温度均显著下降,且挥发分越高的煤,下降幅度越大。将45组试验着火温度数据与其他研究者采用同样方法测得的69组着火温度数据组成机器学习样品库,以煤粉的元素分析、工业分析、煤粉粒径及氧气体积分数为输入条件,以着火温度T为目标输出,构建了遗传算法优化的随机森林模型(GA-RF模型),准确预报了煤粉富氧燃烧的着火温度,其预报精度为:R2>0.99,RMSE<16,MAE<8。通过模型参数重要性分析发现,氢组分超过5%后,着火温度出现阶跃式上升,现有煤粉着火数据也证实了该现象。     

麦秆与麦秆成型块燃烧特性研究

利用热分析法(TG-DTG)对麦秆和麦秆成型块分别在10、20和30 ℃/min的升温速率条件下的燃烧特性进行了研究,考察了其燃烧过程、着火温度、燃尽温度,计算了综合燃烧特性指数,并进行了燃烧动力学分析。结果表明:麦秆和麦秆成型块的着火温度在250～260 ℃左右,随着升温速率的增加而增加;综合燃烧特性指数明显高于煤。麦秆和麦秆成型块的燃烧反应遵循燃烧动力学的基本方程,属于一级反应。     

Numerical simulation on optimization of structure and operating parameters of a novel lean coal decoupling burner

Due to its low volatile characteristics of lean coal, it is difficult to catch fire and burn out. Therefore, high temperature is needed to maintain combustion efficiency, while, this leads to high nitrogen oxide emission. For power plant boilers burning lean coal, stable combustion with lower nitrogen oxide emission is a challenging task. This study applied the 3D numerical simulation on the analysis of a novel de-coupling burner for low-volatile coal and its structure and operation parameters optimization. Results indicate that although it was more difficult for lean coal decoupling burner to ignite lean coal than high volatile coal, the burner formed a stepwise ignition trend, which promoted the rapid ignition of lean coal. Comparison of three central partition plate structure shows that in terms of characteristics of the flow field distribution, rich and lean separation and combustion, the structure with an inclination of 0° showed good performance, with its rich-lean air ratio being 0.85 and concentration ratio being 22.94, and there was an apparent decoupling combustion characteristic. Finally, the structure of the selected burner was optimized for its operational conditions. The optimal operating parameters was determined as the primary air velocity of 24.9 m·s^-1 and the mass flow rate of pulverized coal of 2.5 kg·s^-1, in which the pyrolysis products were utilized as reductive agent more fully. Eventually, the nitrogen oxide was efficiently reduced to nitrogen, which emission concentration was 61.88% lower than that in the design condition.