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。     

补连塔煤低温氧化特性的热重研究

为研究煤粉的低温氧化特性,对实验煤样在不同升温速率和氧气体积分数条件下进行了热重实验,并利用Coats-Redfen积分法计算了不同实验条件下最大失重开始时的温度至燃点间的活化能。结果表明:在实验条件范围内煤样的特征温度随升温速率的增大而升高,随氧气体积分数的增加而降低;活化能随升温速率的增大而增大,随氧气体积分数的增大而增大。同时,TG曲线随着升温速率的增加向高温段漂移,随着氧气体积分数的增大向低温段漂移,说明在一定范围内,氧气体积分数的增加可以缩短反应时间,而增大升温速率则会延长反应时间。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高压密相气力输送垂直弯管阻力特性

在输送压力可达4 MPa的气力输送实验台上,进行不同平均粒径煤粉的密相输送实验。从理论与实验两方面研究气固两相流流经弯管的压损随煤粉体积分数以及表观气速的变化规律。结果表明,高压密相输送中煤粉运动造成的能量损失是总压损的主要部分,且总压损随着煤粉体积分数的增加而增加。研究表明,相同质量流量下,随着表观气速的增加,弯管动能压损增加,摩擦压损降低;相同表观气速时,随着煤粉体积分数的增加,摩擦压损增加;固相摩擦系数与煤粉平均粒径及煤粉质量流量无明显关系,随着表观气速的增加略有下降。     

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。     

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。     

低温烘焙提质对褐煤着火燃烧特性的影响

褐煤高水分和高挥发分不利于运输和储存，且会降低锅炉燃烧效率，低温烘焙提质作为一种褐煤提质常用技术，能有效降低燃料中水分并提升燃料品质，显著改变褐煤燃烧特性。为研究低温烘焙提质对褐煤着火特性的影响，利用平面火焰燃烧系统并结合CMOS相机研究了不同热协流温度(1 473、1 673和1 873 K)和O₂体积分数(5%、10%和20%)下低温烘焙预处理(200、250和300℃)对褐煤着火燃烧特性的影响，并分析低温烘焙提质对着火延迟距离和火焰亮度的影响。结果表明，经低温烘焙预处理的褐煤颗粒在相同热协流温度和O₂浓度条件下的着火延迟距离稍大于原始褐煤颗粒；O₂体积分数为5%时，200℃烘焙褐煤的着火延迟距离在热协流温度1 473、1 673和1 873 K时较原始褐煤颗粒分别增加了0.24、0.28和0.13 cm;此外，不同烘焙温度下煤粉颗粒的着火位置较褐煤均有所延迟，且升高烘焙温度会降低褐煤着火距离，在1 673 K、O₂体积分数5%下，烘焙温度200、250和300℃时对应的着火延迟距离较褐煤的增加...     

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。     

加压循环流化床富氧燃烧中试研究

二氧化碳捕集和封存技术(CCUS)是减少温室气体排放,实现全球环境可持续发展的有效技术手段。加压富氧燃烧技术是一种低成本CCUS技术。循环流化床燃烧技术(CFB)是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一,加压循环流化床富氧燃烧耦合了加压富氧燃烧和循环流化床燃烧的诸多优点,具有很强的工业应用前景。但加压循环流化床富氧燃烧系统结构复杂,燃烧工况的切换和烟气再循环导致其在启动、控制、运行等方面面临巨大挑战。目前对于加压循环流化床富氧燃烧的研究大多处于理论建模、机理研究和小试试验阶段。为了更深入地探究加压循环流化床富氧燃烧的启动和运行方法,中国科学院工程热物理研究所在MW级加压循环流化床富氧燃烧中试试验平台上进行了中试研究,实现了加压富氧燃烧的稳定运行,获得了中试尺度加压富氧燃烧运行模式,以及启动和运行过程中温度、压力、给煤量和风量的变化曲线。加压富氧燃烧工况运行中整体O₂体积分数为29%,压力为0.30 MPa,功率为0.84 MW,尾部烟气中CO₂体积分数达91%,可较好地实现CO₂产品的捕集和压缩纯化。中试尺度加压富氧燃烧启动和运行的主要流程为:启动阶段-常压O₂/N₂燃烧阶段-常压富氧燃烧-加压富氧燃烧阶段,各阶段切换平稳。     

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.     

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。     

综合热分析法研究催化剂对煤粉燃烧过程的影响

利用综合热分析仪研究了Ce2(CO3)3, CeO2, CaCO3, CaO 四种化合物对煤粉燃烧过程的影响. 重点研究了稀土金属化合物Ce2(CO3)3在不同添加量和不同粒度时对煤粉燃烧过程的影响. 结果表明,Ce2(CO3)3能够显著促进煤粉的燃烧过程,降低着火点温度. 添加量为1.0%时,煤粉着火温度降低约30℃,助燃性能优于其他3种催化剂. 在添加量小于1.0%时,Ce2(CO3)3添加量越大,着火温度越低. 在Ce2(CO3)3不产生团聚的情况下,催化剂粒径越小,煤粉的着火温度越低.     

低挥发分煤粉燃烧新技术发展与应用

介绍了国内外低挥发分煤粉燃烧技术及发展。对具有代表性的燃烧器及炉膛结构进行简要分析,说明热回流、煤粉浓缩、延长火焰长度等关键技术在实现低挥发分难燃煤粉快速着火、稳定燃烧中的应用。指出尽管燃烧器在应用中取得一定的效果,但仍然存在一些问题,因而对于低挥发分煤种还需要同时选择合理的燃烧方式,如切向燃烧、对冲燃烧、W型火焰燃烧及CUF火焰燃烧等技术。其中,W型火焰燃烧方式对难燃无烟煤的燃烧稳定性优于四角和对冲燃烧方式,是目前主要采用的燃烧结构。高温空气燃烧技术对低挥发分煤具有火焰稳定、热效率高、再循环分级燃烧,低NOx排放等优点,将成为更有前景的燃烧技术。     

热分析试验评价节煤剂对煤粉燃烧过程的影响

为探究节煤剂产品特性,本文利用热分析方法讨论了3种节煤剂对煤粉燃烧过程的影响。结果表明,添加不同节煤剂,#1、#2、#3煤样着火点分别降低了9.2 ℃、11.2 ℃和88.9 ℃,并且提高放热效率。燃尽指数表明,节煤剂使#1和#2煤样燃尽性能提高,而#3燃尽性能变差。动力学计算表明,节煤剂能够降低煤粉从着火点到最大燃烧速率阶段的反应活化能,从而提高该燃烧过程的反应速率。