国内典型煤种在富氧条件下的燃烧性能

为掌握富氧燃烧对不同煤种燃烧性能的影响,在煤粉气流着火温度试验炉和改造后的一维火焰燃烧试验台架上进行国内典型烟煤和贫煤在不同O_2体积分数下的煤粉气流着火温度、一维火焰炉燃尽率、结渣性能测试。研究结果表明,随着O_2体积分数的增加,不同煤种均呈现煤粉气流着火温度下降、燃尽率上升的规律,表明O_2体积分数的增加可以提高燃煤的燃烧稳定性和经济性,同时随着O_2体积分数的增加,炉膛燃烧尖峰温度提前并升高,燃煤的结渣性能加重。需要注意的是不同煤种的燃烧性能受O_2体积分数的影响程度不同,具体煤种需进行相应的富氧燃烧试验确定。     

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O_2/Ar和O_2/CO_2气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O_2/CO_2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O_2/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O_2/CO_2燃烧的表观活化能明显低于O_2/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O_2/CO_2气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O_2/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

不同干燥程度胜利褐煤燃烧与自燃特性

为了探究高水分褐煤干燥后的燃烧与自燃特性变化,采用一维火焰炉、煤粉着火炉以及自燃试验台对不同干燥程度的胜利褐煤进行了试验研究。试验结果表明,试验样品的着火温度随着干燥程度的增加而降低,随着风煤比的增加而增加,煤粉细度同样会对着火温度产生影响。在燃用干燥褐煤过程中宜采用较高一次风率以提高制粉系统的安全性。胜利褐煤及其干燥褐煤均属于极易燃尽煤种,燃尽率均在99.4%以上,水分的变化对燃尽率影响不大。建议胜利褐煤与20%水分干燥褐煤的运行氧含量控制在3.5%左右。随着干燥程度的加深和粒径的减小,褐煤越容易自燃。胜利褐煤干燥到20%以下可能有自燃的风险。     

不同挥发分含量煤种与热解半焦混燃热态试验研究

半焦是低阶煤经低温热解后的产物,着火和实现稳定燃烧较原煤需更高温度,为拓展其在电厂动力用煤等领域的应用,有必要引入一些易燃高挥发分煤种作为混燃燃料;同时国内外关于混煤燃烧研究多是基于小型试验台和数值模拟,而非中试规模的试验系统。基于此,在350 k W热态试验炉上开展了不同挥发分煤种(褐煤、烟煤、次烟煤)与神木热解半焦混燃热态试验研究。通过测量燃烧器下游主燃区不同轴向位置、径向位置处炉膛温度以及O_2、CO、CO_2、NO_x等气体成分浓度,研究掺混煤质变化对混合燃烧(半焦质量掺混比50%)的着火特性以及NO_x生成影响。结果表明:混合燃料浓侧煤粉射流的着火优于淡侧,O_2消耗及燃烧产物生成也主要集中在浓侧;随着混合煤质V_(daf)增加,混煤射流着火距离减小,燃点下降,燃烧器出口与稳定燃烧区之间的距离随之缩短;主燃区出口截面处,褐煤+半焦、烟煤+半焦、次烟煤+半焦混合射流中心的NO_x浓度分别为473、462、532 mg/m~3(6%O_2下,下同),对于褐煤+半焦、烟煤+半焦混合射流NO_x浓度差值较小,仅为11 mg/m~3。综合考虑着火距离、燃烧强度和主燃区NO_x排放量,适合较大比例混合热解半焦(半焦掺混比50%)混燃煤质的V_(daf)不宜低于16%。     

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。     

大颗粒煤燃烧传递动力学破碎理论模型

研究了大颗粒煤燃烧中的颗粒破碎现象，理论分析了大颗粒煤的着火过程和颗粒破碎过程，建立了大颗粒煤燃烧传递动力学破碎模型，对褐煤、烟煤和无烟煤三个典型煤种进行了燃烧初期数值模拟，指出了大颗粒煤燃烧时着火和颗粒破碎的内在联系。     

一维炉内煤粉气流富氧着火距离试验

针对火电锅炉在深度调峰过程中存在煤粉着火稳定性差的问题，提出富氧稳燃方法，并在一维炉内进行了煤粉气流点火试验，主要研究氧气浓度、一次风速和煤粉浓度对煤粉气流着火距离的影响。其中氧气浓度共取21%(空气)、25%、30%和35%,4个工况；一次风速共取18、23、28和33 m/s 4个工况；煤粉质量分数共取0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 kg/kg(以每千克空气携带的煤粉质量计)5个工况。研究不同工况下煤粉气流着火距离的试验数据，并对试验数据及其变化规律进行详细分析。结果表明，氧气浓度每增加1%,着火距离缩短82.5 mm,但随氧气浓度的持续增大，对着火距离的影响逐渐变小；着火距离的变化率随风速的增加而增大，尤其当风速大于28 m/s后，风速对着火距离的影响非常大；煤粉浓度对着火距离的影响相对复杂，最佳煤粉浓度随氧气浓度的增大而增大；对比试验数据发现氧气浓度和一次风速对着火距离的影响大于煤粉浓度。最后利用试验数据拟合了氧气浓度和煤粉着火距离的数学模型，发现着火距离和氧气浓度之间存在指数函数关系。     

煤粉着火燃烧过程光学诊断研究发展

煤炭储量丰富,尽管新能源和可再生能源快速发展,煤炭资源在未来几十年仍将作为我国一次能源重要组成部分。同时煤炭利用带来很多环境污染问题,因此未来煤炭资源的利用逐渐向高效、低碳、低污染物排放利用方式转变。随着光学技术的不断发展,涌现出多种适用于煤粉燃烧诊断的原位非接触式光学诊断技术,极大地促进了燃烧学的发展,为煤炭清洁高效利用提供了更多试验手段。介绍了国内外煤粉着火、不同方式下燃烧特性的光学诊断研究进展,对煤粉单颗粒和煤粉颗粒流的着火燃烧过程的光学诊断研究进行总结。目前常用的煤粉燃烧光学诊断技术主要包括全光谱成像、CH*/C2*化学发光成像、平面激光诱导荧光(PLIF)、双色/三色高温计、米氏散射、激光诱导白炽光、相干反斯托克斯-拉曼光谱、激光诱导击穿光谱等多种先进的光学诊断技术,可对煤粉单颗粒、颗粒流的着火延迟、脱挥发分、挥发分燃烧、着火模式、环境因素(环境温度、氧浓度、气氛)、富氧燃烧、水-氧燃烧、煤中碱金属释放等多方面关键问题进行光学诊断研究,为煤炭清洁高效利用提供了理论和试验基础。采用OH-PLIF和三色高温计对热解半焦和神华烟煤混合燃料共燃的着火和燃烧特性进行研究。综合考虑着火延迟和混合物的燃尽率,热解半焦的最佳掺混比为20%,为热解半焦的实际工业应用提供了参考。同时采用500 Hz、5 k Hz高时间、空间分辨率的OH-PLIF技术探究煤粉颗粒流中单颗粒挥发分燃烧的发展过程和挥发分着火的时序演变过程,通过二者的结合获得煤粉颗粒流从着火到挥发分燃烧的时间特性。采用OH-PLIF技术对烟煤和褐煤煤粉颗粒流燃烧火焰的脱挥发分和挥发分燃烧行为进行探究,提出采用OH信号径向分布的相对标准偏差探究火焰稳定性的方法。相同燃烧条件下,烟煤煤粉颗粒流燃烧的稳定性高于褐煤。基于OH-PLIF和CH*化学发光诊断技术,提出一种用于探究煤粉颗粒流中颗粒挥发分燃烧振荡特性分析方法——动态模态分解方法(DMD)。随着氧浓度的增加,挥发分火焰振荡增强。颗粒的聚集可能导致煤粉挥发分燃烧的低频振荡。相反,单独或分离的颗粒燃烧会产生较大的振荡频率。但目前取得的成果还不够完善,需要继续深入开展煤粉燃烧的光学诊断试验研究,对污染物NOx的生成及排放、新型水氧燃烧技术中水蒸气作用机理等方面深入探索,开发出新型清洁煤燃烧技术,为我国煤炭资源清洁高效利用做出贡献。     

75t／h循环流化床锅炉运行及改造小结

循环流化床锅炉是一种高效、低污染的新型锅炉。该炉采用了循环流化床燃烧方式，其煤种适应性好，可以燃用烟煤、无烟煤、贫煤，也可以燃用褐煤、煤泥、煤矸石等低热值燃料，燃烧效率达95％～99％，尤其是以煤为原料的氮肥企业，将造气炉渣、无烟煤末与烟煤混合而成的混合料作为循环流化床锅炉的燃料，既解决了造气炉渣的处理问题，又能节约大量燃料，经济效益明显。由于采用分段燃烧方式，可大幅降低NOx的排放，尤其可燃用含硫较高的燃料，     

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。     

钙基添加剂对不同煤种解耦燃烧下硫释放的影响

煤燃烧后排放的硫氧化物导致的环境污染问题已经引起人们的日益关注。基于一段式和两段式卧式炉,本文探究在传统燃烧和解耦燃烧条件下,温度、煤种以及CaO对燃煤释放SO₂规律的影响。试验结果表明：不同煤种的SO₂释放规律存在差异。随着温度的升高,不同煤种燃烧SO₂的释放量均不断增加,硫的动态析出曲线逐渐由单峰分布转化为双峰分布。传统燃烧模式下,添加的CaO对烟煤、无烟煤和褐煤脱硫效率可以达到70%以上,高氯煤脱硫效率则较低,仅有12.09%～20.45%;随温度升高,烟煤、褐煤和高氯煤的脱硫效率呈现先略微下降,后升高再下降的趋势,烟煤脱硫效率则逐渐降低。解耦燃烧模式下,CaO对烟煤、无烟煤脱硫效率在42.35%～76.23%,褐煤在21.35%～52.63%,高氯煤脱硫效率仍然较低,在8.93%～10.57%;随温度升高,烟煤、褐煤和高氯煤的脱硫效率呈现先增加后降低的趋势,烟煤脱硫效率逐渐降低。解耦燃烧模式下,不同煤种SO₂的总释放量大于传统燃烧模式,添加CaO后脱硫效率小于传统燃烧模式。     

Factors affecting coal particle ignition under oxyfuel combustion atmospheres

A set of 13 coals of different rank has been tested for ignition propensity in a 20-L explosion chamber simulating oxyfuel combustion gas conditions. Their char residues were also analysed thermogravimetrically. The effects of coal type, coal concentration (from 100 to 600 g/m³), O₂ in CO₂ atmospheres (up to 40% v/v) and particle size were investigated.The higher rank coals were significantly more difficult to ignite and mostly required higher energy chemical igniters (1000 or 2500 J) whereas the lower rank coals could be ignited with a 500 J igniter even at low coal dust concentrations.The minimum explosibility limit/ignition concentration in air varied slightly around a value of 200 g/m³, a little higher for low volatile coals and a little lower for high volatile coals.The ignition limit changed significantly, however, with O₂ concentration in CO₂, where coals required more oxygen to ignite. Most coals failed to ignite at all in 21% v/v O₂ in CO₂, but an increase to 30 or 35% v/v O₂ gave ignition patterns similar to those in air. In addition, the minimum ignition concentration decreased with increase in O₂. However, a further increase to 40% v/v O₂ did not generally affect the minimum ignition concentration.Particle size had a non-linear effect on coal ignition. The fine particles (<53 μm) behaved almost identical to the whole coal. However, the larger size fraction (>53 μm) was generally more difficult to ignite and exhibited a much lower weight loss.     

Fe2O3催化无烟煤燃烧燃点降低机理的实验研究

利用TG-DTG法和DTA法研究了无烟煤催化燃烧时燃点的变化情况,结果表明Fe2O3可使无烟煤的燃点降低。基于无烟煤燃点的形成原因和催化热解过程,研究了催化热解过程中热解转化率、热解气组成、半焦表面结构的变化情况,结果表明Fe2O3促进了无烟煤的热解,热解转化率、热解气的组成明显变化,热解气热值增加。催化热解产生的半焦表面形貌粗糙,颗粒细碎,比表面积大。由于热解过程直接影响到点燃过程,因此通过催化热解的研究,可知催化燃烧过程中均相燃烧（热解气燃烧）提供给异相燃烧（半焦燃烧）的热量高于非催化燃烧。同时催化热解所得半焦的吸附氧气能力强,在低温时吸附氧气的速率较快,缩短了达到点燃时所需氧气浓度的时间,进而降低了无烟煤的燃点。     

Fe2O3催化无烟煤燃烧燃点降低机理的实验研究

利用TG-DTG法和DTA法研究了无烟煤催化燃烧时燃点的变化情况,结果表明Fe2O3可使无烟煤的燃点降低。基于无烟煤燃点的形成原因和催化热解过程,研究了催化热解过程中热解转化率、热解气组成、半焦表面结构的变化情况,结果表明Fe2O3促进了无烟煤的热解,热解转化率、热解气的组成明显变化,热解气热值增加。催化热解产生的半焦表面形貌粗糙,颗粒细碎,比表面积大。由于热解过程直接影响到点燃过程,因此通过催化热解的研究,可知催化燃烧过程中均相燃烧（热解气燃烧）提供给异相燃烧（半焦燃烧）的热量高于非催化燃烧。同时催化热解所得半焦的吸附氧气能力强,在低温时吸附氧气的速率较快,缩短了达到点燃时所需氧气浓度的时间,进而降低了无烟煤的燃点。     

不同煤种在碎煤加压气化炉上的工业应用分析

目前碎煤加压气化技术存在着一定的问题,主要是副产物多、气化废水量大和气化废水难处理等问题,这些问题的存在已经限制了碎煤加压气化技术的应用。为了解决这些问题,在仔细分析了加压固定床的气化原理后,从根本上找出产生问题的原因在于选用了不适合的气化煤种,并提出了碎煤加压气化技术对原料煤质的要求。在通过褐煤、长焰煤、贫瘦煤、无烟煤的煤质分析进行分析后,提出了无烟煤是碎煤加压气化技术最适合的煤种,又结合已经在碎煤加压气化炉上使用的褐煤、长焰煤、贫瘦煤、无烟煤的主要工业运行参数进行了分析对比,进一步确定了无烟煤是碎煤加压气化技术的最适合的气化原料煤。同时实际的工业运行结果也说明：在碎煤加压气化炉上使用无烟煤,可以从根本上降低气化废水的处理量和处理难度。     

Electrochemical oxidation of coals: Voltammetry and mass spectrometry

The anodic oxidation of sulphuric acid slurries of lignite, bituminous, and anthracite coals; a high-yield extract of coal; and carbon black, has been investigated voltammetrically and with simultaneous m.s. monitoring of evolved gases. The previously reported evolution of carbon dioxide at very low voltages was shown to be chemically released from minerals. The low rank coals and the asphaltite did show considerable electrochemical activity near to 1.0–1.2 V, mainly from the conversion of leached ferrous ion to the ferric form. Further activity near 1.4–1.5 V arose from the oxidation to CO₂ of leached organic matter. For well-washed low rank coals, the coal extract and the anthracite, CO₂ release was only observed at high (>2.8V) anode voltages, with simultaneous release of oxygen. Electrochemical gasification of coal via anodic oxidation of macromolecules at low voltages did not occur.     

循环流化床中烟气飞灰汞迁移规律

在小型热态循环流化床试验台上进行褐煤、烟煤、无烟煤燃烧试验,研究3种典型煤的烟气气态汞和飞灰颗粒汞迁移规律。试验结果表明：褐煤、烟煤、无烟煤在燃烧过程中,炉膛温度、空截面风速、给煤量以及煤颗粒大小变化时,汞元素在烟气和飞灰之间的迁移规律相似;降低炉膛密相区温度和增大炉膛空截面风速可促进烟气气态总汞Hg^T（g）迁移到飞灰颗粒汞Hg（p）中,同时也促进烟气气态零价汞Hg⁰（g）向烟气气态二价汞Hg²⁺（g）和Hg（p）转化;增加给煤量,烟气气态总汞Hg^T（g）和烟气气态零价汞Hg⁰（g）减少,飞灰颗粒汞Hg（p）含量增加,并且影响Hg⁰（g）的转化;选择合适的煤颗粒粒度可以促进Hg⁰（g）的转化以及Hg^T（g）向Hg（p）迁移。随燃烧工况的变化,3种煤Hg^T（g）、Hg（p）和Hg⁰（g）含量变化趋势相似,但含量相差较大,Hg⁰（g）占Hg^T（g）的比例y值也不同,其中无烟煤的y值高于烟煤和褐煤的y值。     

Model for coal oxidation kinetics. 2. An effectiveness factor interpretation

Rate expressions are developed to describe the oxidation of coal in a fixed-bed reactor under conditions of significant diffusional effects. The model defines individual effectiveness factors for carbonic gas formation, oxygen deposition, and water production, to modify a chemical model derived previously. Experiments carried out on seven coals ranging in rank from lignite to bituminous to anthracite. All the coals exhibited particle size effects and the results fit the model in most cases to within ±10% both in the rate of overall oxidation and with respect to the individual reaction rates for several products. Activation energies and effectiveness factors were obtained for each coal and for each reaction. The effluent gas $\text{CO}{}_2\text{CO}$ ratio was found to be virtually constant for all five bituminous coals, being independent of reaction temperature, coal particle size, and oxygen partial pressure.     

Fate of coal nitrogen during combustion

A total of 21 coals covering all ranks have been burned under a wide variety of conditions to ascertain the impact of coal properties on the fate of fuel nitrogen. Fuel NO was identified with a nitrogen-free oxidant consisting of Ar-O₂CO₂. In general, under fuel-lean conditions fuel NO formation increases with increasing fuel nitrogen content; however, other fuel properties also significantly affect the fate of fuel-bound nitrogen during combustion. In particular, fuel nitrogen conversion appears to be greater with coals containing a high fraction of volatile reactive nitrogen. Under fuel-rich conditions measurements of first-stage and exhaust-species concentrations suggest that the optimum stoichiometry for minimum emissions is a function of fuel composition. As first-stage stoichiometry is decreased, the NO formed in the first stage decreases, but other oxidizable gas nitrogen species increase as does nitrogen retention in the char. Total fixed nitrogen generally increases with increasing fuel nitrogen and correlates well with excess air exhaust emissions. The distribution of the total fixed nitrogen species leaving the first stage is strongly dependent upon the coal composition. Of the 12 coals tested in detail, only 1 (the high-volatile B bituminous from Utah) produced high HCN concentrations. The low-volatile Pennsylvania anthracite formed almost no HCN or NH₃ even under extremely fuel-rich conditions. In general, the first stage NO percentage decreased significantly with decreasing coal rank from anthracite to lignite. Conversely, the relative importance of NH₃ grew with decreasing rank. HCN was greater than NH₃ in all bituminous tests, but less than NH₃ with all subbituminous and lignite coals.