生物质三组分在O2/CO2气氛下的着火行为研究

生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点,既能减少化石燃料的使用,又易实现CO₂捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气体积分数大于21%,其对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的3种主要组分,研究其在富氧条件下的着火及燃烧行为,可为生物质的着火及燃烧行为研究提供重要依据。利用滴管炉结合高速摄像机,研究了粒径74~154μm的纤维素、半纤维素和木质素在温度1273 K,氧气体积分数21%、30%、50%、70%和100%的O₂/CO₂气氛中的着火行为,并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明,随着O₂体积分数增加,纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火均转为非均相着火,纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的O₂体积分数分别为30%、70%和50%。纤维素着火对O₂体积分数变化敏感,氧气体积分数超过30%时,纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气体积分数的升高而提高,半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气体积分数的增加,其燃烧比例减弱,焦燃烧比例增加,而木质素因为氧气体积分数的升高强化了木质素焦燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间均随氧气体积分数的升高而缩短,两者都是由于氧气体积分数升高强化了焦的燃烧。另外,在较高氧气体积分数下木质素焦会发生熔融并膨胀,形成明显的膨胀火焰。     

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。     

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。     

用于燃烧的富氧工艺

利用热天平研究了煤在不同的氧气浓度条件下的燃烧行为,利用中空纤维膜组件进行了氧气富集试验,研究了操作工况对富氧空气通量和氧气浓度的影响。结果表明随着氧气浓度的增加,煤的着火温度及燃烬温度提前,燃烧速度增大,富氧空气的体积分数为30%左右较为合适。用于燃烧的富氧工艺的温度为20 ℃,压力为0.9 MPa,回收率应控制在90%左右。     

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。     

热重法研究褐煤的富氧燃烧特性

采用热重法(TG)研究了富氧条件下三种褐煤的燃烧特性。富氧气氛采用O2与N2混合气体,氧气体积百分含量分别为21%,30%,40%,80%。根据实验数据确定氧浓度对挥发份初析点、着火点、燃尽点及最大失重速率点的影响。结果表明,富氧气氛可改善褐煤的燃烧特性,使煤粉着火点、燃尽点、最大失重速率点提前,燃烧速度加快。     

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。     

富氧条件下煤粉气流的着火性能变化

利用一维火焰炉对不同富氧条件下的煤粉气流着火燃烧特性进行了研究,得到了富氧条件下煤粉气流的着火性能变化规律。研究结果表明:随着助燃气体氧浓度的提高,各煤样的着火温度均大幅下降,其中低挥发分煤种在着火方面对富氧条件的改善更为敏感,即富氧条件的改善可减弱煤种间着火性能方面的差异性;随着氧浓度的提高,煤粉气流的着火方式明显从均相着火向非均相着火转变,其中燃用褐煤时发生着火方式转变所对应的氧浓度为50%~60%,燃用烟煤时约为40%,燃用贫煤和无烟煤时都约为30%;对于烟煤和褐煤,随着氧浓度的提高,对应的最佳煤粉浓度值先增大后减小,而对于贫煤和无烟煤,由于其在整个实验氧浓度范围内基本上都以"非均相着火"为主,因此随着氧浓度的提高,对应的最佳煤粉浓度的值基本上呈缓慢下降的趋势。     

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.     

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。     

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。     

基于EDM、PDF和FR/ED模型的煤粉燃烧过程适应性研究

还原气氛下煤粉反应过程兼具燃烧和气化的特点,是煤粉实现低氮燃烧的关键因素,合适的化学反应模型是准确模拟该过程的基础。笔者基于煤粉双锥燃烧器,对比了EDM模型、PDF模型和FR/ED模型在氧化气氛和还原气氛的模拟结果,通过与试验结果的对比验证,确定了不同反应气氛适合的化学反应模型。研究结果表明,3种模型在煤粉着火位置和逆喷传播距离的预测上存在差别,PDF模型起火点更靠近燃烧器逆喷喷口,EDM模型一次风和煤粉喷出经过一段升温过程后逐渐燃烧,FR/ED模型的升温过程更长,壁面低温区域接近前锥长度一半;使用FR/ED模型模拟时燃烧器内平均温度最高,EDM模型次之,PDF模型最低;EDM模型中未考虑CO反应,燃烧器内基本无CO存在,PDF模型高CO浓度区域集中在煤粉燃烧初期,燃烧器出口CO含量较低,FR/ED模型化学反应动力学参数在煤粉燃烧整个区域内均有较高CO浓度存在。由于考虑了焦炭与氧气气化反应的影响,FR/ED模型模拟燃烧器内氧含量明显低于EDM和PDF模型,当过量空气系数为1.2时,燃烧器出口处氧含量为7.0%,明显低于EDM模型的11.1%和PDF模型的12.0%,燃烧器出口处CO含量为3.5%,明显高于EDM(0)和PDF模型(0.8%);过量空气系数为0.5时,EDM模型对CO成分的预测结果偏差较大,燃烧器出口CO浓度为0.05%,采用PDF和FR/ED模型时燃烧器出口CO含量分别为5.73%和10.7%。从模拟结果与试验结果的对比来看,在氧化气氛下,主要发生煤粉的燃烧反应,EDM模型和PDF模型在温度、CO含量上的预测较为准确,与试验数据偏差较小,FR/ED模型偏差较大;在还原性气氛下,EDM模型模拟的结果几乎不生成CO和H2,并不适合还原性气氛,PDF模型和FR/ED模型有较合理的还原气氛模拟结果,两者的差别在于还原性气体的生成位置,PDF模型喷口位置CO浓度较高,出口浓度偏低,FR/ED模型随着煤粉反应流程的进行,CO浓度逐渐升高,出口浓度更接近试验结果。综合考虑,氧化气氛下双锥燃烧器适合采用EDM模型和PDF模型进行模拟,还原气氛下适合采用FR/ED模型进行模拟。     

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。     

Mathematical model for heat transfer and combustion in a pulverized coal flame

A mathematical model for the heat transfer and combustion of a single coal particle is presented. The model correctly predicts the time of the reaction steps and the temperature of the coal particle during ignition and combustion. Results are given of calculations of the combustion of single coal particles of the hard coal and brown Nazarovo coal at various oxygen concentrations and ambient temperatures. The results of combustion experiments with Irsha-Borodino coal on a combustion test facility are in good agreement with the results of three-dimensional numerical modeling of a pulverized coal flame.     

H2O(g)对富氧燃烧超细颗粒物生成特性影响

为实现富氧燃烧技术的广泛推广,对煤粉燃烧在富氧气氛下的颗粒物排放特性进行了研究。在1800 K管式炉内进行煤焦燃烧试验,研究了富氧气氛下H₂O(g)体积分数(0、5%、10%、20%、30%)对煤焦燃烧超细颗粒物的影响;采用荷电低压撞击器(ELPI+)获得超细颗粒物质量和数量浓度粒径分布并进行分析。结果表明,H₂O(g)对超细颗粒物质量浓度和数量浓度粒径分布无影响,但会导致超细颗粒物的峰值波动。超细颗粒物总数量由最小粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下EL?PI+第1级撞击器收集到的超细颗粒物数量占比均超过65%。超细颗粒物总质量由最大粒径超细颗粒物决定,5个水蒸气浓度下ELPI+第7级撞击器收集到的超细颗粒物质量占比均超过94%。低H₂O(g)浓度会抑制超细颗粒物生成,H₂O(g)体积分数为5%时的抑制作用最显著;高H₂O(g)浓度会促进超细颗粒物生成。这是因为一方面H₂O(g)与煤焦发生气化反应,使煤焦颗粒周围产生还原性气氛,促进矿物质还原为单质,进一步促进矿物质蒸发;另一方面气化反应是吸热反应,会降低煤焦颗粒燃烧温度,同时H₂O(g)加入也导致烟气热容增加进一步降低,煤焦燃烧温度抑制煤中矿物质的蒸发,导致超细颗粒物生成减少,是2种作用相互竞争的结果。此外,H₂O(g)的加入使超细颗粒物平均粒径增大,0~5%H₂O(g)时超细颗粒物平均粒径增大最迅速。     

Transient group combustion of the pulverized coal particles in spherical cloud

A transient group combustion model for the pulverized coal particles in a spherical cloud is developed to predict the transient group combustion characteristics. The submodels, which account for the detailed combustion process of both homogeneous and heterogeneous reactions, are also applied for the pulverized coal particles. The numerical simulation of the collective behaviors of ignition and its subsequent burning were carried out. The ignition mechanism is characterized by the heterogeneous process of the dilute cloud and the homogeneous process of the dense cloud. Two dominant flame structures are observed: one flame penetrating inside the cloud and the other moving outside the cloud. The effects of various parameters (i.e., radiation heat transfer, group combustion number, air temperature, air oxygen concentration, particle size distribution, and particle number density) on the particle mass burning rate and on the overall performance of the group combustion are examined. The results are in good agreement with existing experimental data.     

富氧气氛下煤粉燃烧及动力学特性的实验研究

采用综合热分析仪研究了两种煤粉在三种不同粒径范围下氧浓度对其燃烧特性参数的影响,并计算得到各工况下的动力学参数.结果表明,随着氧浓度增加,燃烧DTG曲线向低温区移动,着火及燃尽温度降低,燃尽时间缩短,综合燃烧指数明显提高,燃烧特性得到改善,尤其对粒径较大的煤粉改善更为明显;煤粉燃烧反应低温段的反应活化能和频率因子比高温段低,反应级数较小;不同氧浓度下,煤粉燃烧活化能和频率因子间存在动力学补偿效应.