富氧燃烧烟气压缩净化的研究进展

富氧燃烧技术具有大幅度降低单位燃料的NO_x和SO_x排放的优点,但酸性物质及汞等污染物的存在对CO₂的后续资源化利用和埋存造成极大影响。本文从富氧燃烧烟气净化技术角度出发,简述了CO₂压缩过程中NO_x和SO₂单独脱除、联合脱除的研究情况,以探寻协同脱除过程中NO_x、SO₂相互影响的规律以及具体N-S反应的路径;分析了压缩过程协同脱汞的研究进展,探讨压缩过程汞脱除的具体机制,观察NO_x、SO₂、H₂O的含量对汞脱除的影响;最后介绍了富氧燃烧烟气压缩净化技术的中试应用情况。分析表明,现有研究大多注重于孤立地分析各种工况参数对NO_x、SO₂、HgO吸收脱除的影响,因此难以从反应机理上揭示多种污染物脱除之间的内在联系与相互作用机制,只有实现NO_x、SO_x及HgO等多种污染物的联合脱除,才能实现富CO₂烟气的有效净化,从而大大减少富氧燃烧技术的设备投资和运行成本,有效促进该技术的大规模商业化应用。     

富氧燃烧烟气净化工艺研究进展

随着工业的快速发展,化石燃料消耗与日俱增,造成了大量温室气体CO₂的排放,全球气候变化形势不容乐观。为了减少CO₂排放,需要对高浓度CO₂进行捕获、利用与封存,而富氧燃烧技术能有效实现碳捕集,是目前最具潜力的碳减排技术之一。富氧燃烧过程中,SO_x、NO_x、Hg等污染物以及惰性气体的存在不利于碳的捕集与封存。烟气中各成分浓度会对管道运输、地质储存和提高采收率(EOR)产生影响,介绍了烟气中CO₂及各种杂质浓度的不同标准,系统综述了国内外脱硫、脱硝、脱汞和惰性气体脱除以及联合脱除技术的研究进展。脱硫部分除介绍传统脱硫技术外,重点描述了富氧燃烧烟气中CO₂气氛对SO_x脱除的影响以及加压条件下SO₂的转化与去除。发现CO₂气氛下SO₂的吸收速率相比N2气氛有所降低,且SO₂吸收过程中临界pH发生变化。脱硝部分重点描述了氧化吸收法脱硝技术以及加压条件下NO的氧化机理,并对高压下NO的氧化动力学进行阐述。随着压力的增加,NO氧化速率常数呈先下降后上升的趋势,且证明了反应器压力对液体夹带率的影响比较显著。总结了Hg脱除技术中不同烟气成分对Hg氧化的影响,HCl与Cl2起到了明显的促进作用。对活性炭进行改性,增加孔结构比表面积以及吸附剂表面的活性位点,提高Hg的脱除效率。介绍了惰性气体的净化技术,主要采用变压吸附方法来吸附和解吸附,降低了CO₂气流中惰性气体去除的成本,实现一部分惰性气体再次循环回到锅炉中,提高CO₂的捕获。重点讨论了在烟气压缩液化系统中的联合脱除技术,有效利用压缩过程条件将SO_x、NO_x、Hg分别以硫酸、硝酸、Hg(NO₃)₂形式协同去除,随着压力的增加,SO_x与NO_x去除效率提高,有利于SO₄^-2、NO₃^-、HADS和HAMS(N-S化合物)的生成,同时也导致了N2O生成量增多。证明了Hg与NO₂是气相反应,提出了高压下NO₂与Hg反应产物的不确定性。简单介绍了低温碳捕集技术,有潜力取代洗涤器和其他烟气处理方法,但目前还缺乏可行性的研究。未来需对不同压力下NO氧化速率常数的变化趋势进行解释,高压下NO_x与SO_x联合脱除的产物以及NO₂与Hg的反应产物进行分析。     

CO_2提浓的富氧燃烧技术简述

燃料在空气(N_2体积分数79%)中燃烧时产生的烟气中的CO_2体积分数较低(13%～16%),欲将其分离是困难的,需要消耗大量的能量,必将导致成本过高。为了以较低的费用得到更易分离的高浓度CO_2,从燃烧的角度发展了一种新型燃烧方式,即富氧燃烧技术。     

管式加热炉烟气回流掺氧富氧燃烧技术研究

为实现加热炉节能增效,研究了烟气回流掺氧助燃技术对2#管式加热炉燃烧特性的影响。采用烟气回流掺氧助燃技术,可提高加热炉燃气理论燃烧温度、降低NO排放浓度、减少排烟热损失、提高加热炉热效率。在富氧空气预热温度为155℃、排烟温度为120℃的条件下,烟气回流掺氧助燃技术可使2#管式加热炉热效率提高2.09%～4.09%。当掺氧浓度为24%、排烟体积回流比为32.57%时,燃气理论燃烧温度下NO生成速率为1.26 mg·(m~3·s)~(-1),排烟热损失减少1 583.70 kJ/(1 Nm~3燃气),2#管式加热炉热效率提高3.48%。     

火电厂CO2捕获方式

随着社会经济的迅速发展,人类对于化石燃料的需求量越来越大,燃料燃烧后排放的有害物质也越来越多,全球环境污染问题严峻,温室效应尤为严重。CO2是主要温室气体,CO2总排放量的75%是由石化燃料燃烧产生的,我国CO2排放总量的一半来自电力工业[1]。中国作为负责任的国家,到2020年,中国要实现单位国内生产总值CO2排放量比2005年下降40%～45%这一目标。因此,火电厂CO2减排任务重大,采用CO2捕集与封存技术能减少电厂80%~95%排放量,理论上具有巨大的减排潜力,是当今世界公认的CO2减排的重要途径。目前电厂捕集技术大体上分作三种:燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。     

水泥工业煤粉富氧燃烧NO释放特性实验研究

在回转炉实验台架上,分别研究了掺石灰石及掺CaO的情况下,N2/O2、CO2/O2气氛及氧浓度对典型煤种在富氧燃烧条件下燃烧释放NO的影响规律.研究结果表明:CO2/O2气氛下煤粉燃烧NO释放总量较N2/O2气氛下少;CO2/O2气氛下氧浓度的增加对煤粉燃烧NO释放有促进作用;石灰石及CaO对煤粉燃烧NO的生成均具有催化作用,且CaO的催化作用更强.     

高浓度CO2气氛下白云石强化煅烧工艺研究

CO₂循环煅烧白云石是具有前景的低碳炼镁新工艺。为研究新工艺下高浓度(摩尔分数)CO₂氛围中白云石强化煅烧措施,文中根据煅烧理论,建立了基于双环缩核的白云石煅烧反应动力学模型;计算分析了白云石分解过程传热传质和化学反应动力学的耦合特征,剖析了CO₂分压、温度和炉内总压等因素对单个白云石矿料分解动力学特征的影响;进一步考虑竖窑煅烧过程矿料粒径分布和矿料温度均匀性,研究不同炉内总压、温度、颗粒粒径等因素对竖炉容积利用系数的影响规律。结果表明：温度一定时,总压提高可强化热气流与矿料间的传热,促进白云石煅烧。通过合理调控煅烧过程温度和压力可有效提高新工艺的容积利用系数,最高可达0.967 1 t/(m³·h)。     

富氧燃烧系统中NO的还原及其排放

富氧燃烧方式具有排烟中的CO2浓度高、CO2捕捉回收处理容易等优点,是很有前途的新型清洁煤燃烧方式.通过实验得出了富氧燃烧过程中燃料氮生成NO的转化率随CO2浓度的变化、循环NO在挥发分燃烧火焰中的还原率、循环NO对燃料氮生成NO的转化率的影响,并得出了相应的定量关系式.结合实验结果和系统物质平衡理论分析,得出了整个系...     

O2／CO2燃烧技术研究进展

O2／CO2燃烧技术不仅有效收集烟气中的CO2,还能减少NOx和SO2的排放,是一种新型的洁净煤燃烧技术。介绍了其应用、发展历程以及在燃烧、传热和污染物排放的研究进展,指出了这一技术领域中存在的问题,并对下一步的研究方向给出了建议。     

富氧燃烧玻璃熔窑高硼烟气处理技术进展

硼氧化物(B2O3)自玻璃熔窑烟气中排放,与空气中的水反应生成硼酸产生酸雨,对环境造成了污染.烟气中高浓度的B2O3会造成烟气露点较高,使除尘器结露、糊袋,增大工程处理难度.玻璃熔窑高硼烟气处理成为研究热点.本文针对含硼烟气源头减量技术、处理干扰因素和处理技术进行分析,综合各技术去除效果、操作的难易度及经济性,推荐余热发电、半干法除氟和除硼化物组合工艺为目前富氧燃烧玻璃熔窑高硼烟气处理工程化应用的方向.     

富氧燃烧烟气冷凝塔钠碱法脱硫过程SO2和CO2共吸收建模与实验研究

建立SO₂与CO₂共吸收到钠基溶液中的吸收速率模型,假设该模型中SO₂的水解反应为瞬间反应;关于CO₂水解反应存在两种假设：有限动力学假设和瞬间反应假设。由这两种方法计算分别获得SO₂的吸收速率并与完全预混气液反应器中的的动态实验进行对比。采用瞬间反应假设可以预测反应速率的趋势,绝对反应速率误差仍然较大。而采用有限动力学假设的模拟值与实验值在pH>3吻合良好。CO₂对SO₂吸收速率的影响主要通过影响气相传质系数和相同pH下溶液总硫浓度产生。根据CO₂存在与否对SO₂吸收速率的影响,获得五个不同的相互作用pH的区间。pH>11.42时,SO₂/N₂吸收速率大于SO₂/CO₂,主要由于气相传质系数影响;7.8 < pH < 11.42时,SO₂/N₂的吸收速率和SO₂/CO₂吸收速率相似,主要由于气相传质系数和溶液总硫影响抵消;5.41 < pH < 7.8时,SO₂/CO₂的吸收速率相对较高,主要由于溶液总硫影响更大;2.8 < pH < 5.41时,SO₂/CO₂的吸收速率相对较低,主要由于气相传质系数影响;pH < 2.8时,SO₂/N₂和SO₂/CO₂吸收速率相似,主要受液相传质的控制。模拟同时获得不同pH下溶液中碳和硫相关离子的转化规律和SO₂吸收速率的控制步骤,为富氧燃烧冷却塔同时脱硫设备的设计和运行提供参考。     

Gas-phase oxidation of NO at high pressure relevant to sour gas compression purification process for oxy-fuel combustion flue gas

The removal of NO from oxy-fuel combustion is typically incorporated in sour gas compression purification process. This process involves the oxidation of NO to NO_2 at a high pressure of 1–3 MPa, followed by absorption of NO_2 by water. In this pressure range, the NO conversion rates calculated using the existing kinetic constants are often higher than those obtained experimentally. This study aimed to achieve the regression of kinetic parameters of NO oxidation based on the existing experimental results and theoretical models.Based on three existing NO oxidation mechanisms, first, the expressions for NO conversion against residence time were derived. By minimizing the mean-square errors of NO conversion ratio, the optimum kinetic rate constants were obtained. Without considering the reverse reaction for NO oxidation, similar mean-square errors for NO conversion ratio were calculated. Considering the reverse reaction for NO oxidation based on the termolecular reaction mechanism, the minimum mean-square error for NO conversion ratio was obtained. Thus, the optimum NO oxidation rate in the pressure range 0.1–3 MPa can be expressed as follows:-d[NO]/dt=d[NO_2]/dt=0.0026[NO]~2[O_2]-0.0034[NO_2]~2 Detailed elementary reactions for N_2/NO/NO_2/O_2 system were established to simulate the NO oxidation rate. A sensitivity analysis showed that the critical elementary reaction is 2 NO + O_2? 2 NO_2. However, the simulated NO conversions at a high pressure of 10–30 bar are still higher than the experimental values and similar to those obtained from the models without considering the reverse reaction for NO oxidation.     

烟气分析法测试燃煤SO_2释出量的研究

为了有效控制SO2的排放量,有必要研究不同温度下燃煤排放SO2含量的测试方法。介绍了烟气分析法用于测试燃煤可释出SO2含量时的试验方法,其中包括间歇式烟气分析法和连续式烟气分析法。通过分析烟气分析法的精确度及重现性,分析该方法的优缺点,并验证其可行性。结果表明:烟气分析法的精确度和重现性不佳,但是可以及时反映燃煤排放SO2的真实情况。因此在完善测试装置后,烟气分析法作为燃煤SO2的测试方法值得进一步深入研究。     

煤/生物质流态化富氧燃烧的CO2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO₂谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO₂体积分数、颗粒燃烧产生CO₂量、CO₂相对生成率等特性的影响。结果表明,在O₂/CO₂燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO₂体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO₂的富集,烟气中CO₂浓度、颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO₂浓度和颗粒燃烧产生的CO₂均减少,但CO₂生成速率增加。     

富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

富氧燃烧方式下煤中砷的挥发行为

选取SJS烟煤,利用高温管式炉模拟富氧燃烧,在600~1400℃温度范围内研究了O₂浓度、CO₂浓度及温度对砷挥发的影响,并进行了空气燃烧模式下的对比实验。对不同工况下的灰样进行FTIR表征并结合化学热力学软件模拟进行分析,结果表明:富氧气氛和空气气氛下煤中砷的挥发比例均随温度升高不断增大,并在低温区间(<900℃)和高温区间(>900℃)分别出现了砷的剧烈失重,但O₂浓度和CO₂浓度影响了不同气氛下砷的具体挥发行为。低温下(<900℃)O₂浓度是影响砷挥发的主要因素,O₂浓度越高,砷的挥发比例越大;相同O₂浓度下,CO₂浓度越高,砷的挥发比例越低,CO₂的存在抑制了煤中砷的挥发。高温下(>900℃)CO₂浓度是影响砷挥发的主要因素,富氧气氛下高CO₂浓度对热量的阻碍导致相同条件下砷酸盐发生分解需要更高的温度,因此富氧气氛下砷的挥发较空气模式滞后;此外CO₂在煤颗粒表面形成还原性气氛,高价态砷化合物向不稳定的低价态砷化合物转变,低价态砷化合物的快速分解导致高温下富氧气氛中砷的挥发速率较常规空气模式快。     

Tri-reforming of CH4 using CO2 for production of synthesis gas to dimethyl ether

In general, there are three processes for production of synthesis gas; steam reforming, CO₂ reforming and partial oxidation of methane or natural gas. In the present work, we refer to tri-reforming of methane to synthesize syngas with desirable H₂/CO ratios by simultaneous oxy-CO₂-steam reforming of methane. In this study, we report the results obtained on tri-reforming of methane over the Ni/ZrO₂ based catalyst in order to restrain the carbon deposition and to evaluate the catalytic performance. Results of tri-reforming of CH₄ by three catalysts (Ni/Ce–ZrO₂, Ni/ZrO₂ and Haldor Topsoe R67-7H) are showed that the coke on the reactor wall and the surface of catalyst were reduced dramatically. It was found that the weak acidic site, basic site and redox ability of Ce–ZrO₂ play an important role in tri-reforming of methane conversion. Carbon deposition depends not only on the nature of support, but also on the oxidant as like steam or oxygen. Therefore, the process optimization by reactant ratios is important to manufacture the synthesis gas from natural gas and carbon dioxide.     

Investigation into a gas–solid–solid three-phase fluidized-bed carbonator to capture CO2 from combustion flue gas

A two-dimensional (2D) transient model was developed to simulate the local hydrodynamics of a gas (flue gas)–solid (CaO)–solid (CaCO₃) three-phase fluidized-bed carbonator using the computational fluid dynamic method, where the chemical reaction model was adopted to determine the molar fraction of CO₂ at the exit of carbonator and the partial pressure of CO₂ in the carbonator. This investigation was intended to improve an understanding of the chemical reaction effects of CaO with CO₂ on the CO₂ capture efficiency of combustion flue gases. For this purpose, we had utilized Fluent 6.2 to predict the CO₂ capture efficiency for different operation conditions. The adopted model concerning the reaction rate of CaO with CO₂ is joined into the CFD software. Model simulation results, such as the local time-averaged CO₂ molar fraction and conversion of CaO, were validated by experimental measurements under varied operating conditions, e.g., the fraction of active CaO, chemical reaction temperature, particle size, and cycle number at different locations in a gas–solid–solid three-phase fluidized bed carbonator. Furthermore, the local transient hydrodynamic characteristics, such as gas molar fraction and partial pressure were predicted reasonably by the chemical reaction model adopted for the dynamic behaviors of the gas–solid–solid three-phase fluidized bed carbonator. On the basis of this analysis, capture CO₂ strategies to reduce CO₂ molar fraction in exit of carbonator reactor can be developed in the future. It is concluded that a fluidized bed of CaO can be a suitable reactor to achieve very effective CO₂ capture from combustion flue gases.