富氧气氛煤粉燃烧排放特性

富氧气氛煤粉燃烧排放特性 东南大学 博士学位 O<,2>/CO<,2>气氛下煤粉燃烧及SO<,2>/NO排放特性研究 姓名:李庆钊 申请学位级别:博士 专业:热能工程 指导教师:赵长遂 20090902 中文摘要 摘要 由于化石燃料燃烧而排放的大量的温室气体,,,对环境造成的危害已引起了全球的高度关注(在众多的,,,分离捕集技术当中，,,,;,,燃烧技术作为一种新型的可低成本分离回收,,,且污染物排放较低的全新理念的燃烧方式已引起了各国研究者的重视(由于燃烧气氛的转变，使得煤在新的燃烧方式下的众多特性较常规气氛下的情况存在诸多差异;同时由于煤粉燃烧及燃料本身的复杂性，使得对,,,,,煤粉燃烧及污染物的排放特性尚无统一的认识和规律(因此，研究工作的开展有着极其重要的意义( 本文采用实验研究、理论与数值模拟相结合的方法对,,,——————————————————————————————————————————————— ;,,煤粉燃烧及污染物(,,,和,,)的排放特性进行了系统的分析( 研究发现，典型工况下(,,,,,,,,,,,气氛和,,,,,,,,,,,,气氛)煤粉的热解与燃烧特性存在明显差异，相同,,浓度的,,,,,,气氛下煤粉的着火及燃尽延迟，燃尽时间延长;提高进气,,浓度可使燃烧状况得到显著改善，,,,左右的进气,,浓度可获得与空气气氛相当的燃烧特性(相同,,浓度及实验条件下，典型工况的两种气氛下煤焦颗粒的内部孔隙形状差别不大，但在特定孔径范围(,,,,)的孔分布存在明显不同;随着颗粒燃尽率的增加，其孔隙结构参数均呈现降低的趋势，但相同条件时,,,,,,气氛煤焦的孔结构参数较,,,,,气氛煤焦的稍小;与之相对应，颡粒的分形维数也表现出类似的变化规律( 通过傅立叶变化红外光谱仪(,,，,)和,射线衍射分析仪(,,,)测定了部分煤焦试样的表面化学基团和微晶结构，通过对测试谱图的相关校正并基于煤焦表面微结构的半定量分析方法，求解了反映颗粒表面化学基团和微晶特征的关键参数(从结果来看，环境气氛对不同煤焦的表面化学结构参数的影响表现出类似的变化规律，燃烧气氛改变的关键是影响了煤焦反应的外在物理环境(颗粒温度及有机物分解析出气态产物的扩散特性);同时，由于,,,气化效应而导致的颗粒温度的差异则使得两种气氛下煤焦的晶构参数明显不同，不同温度工况下的结果也证明了温度的确为影响煤焦晶粒生长和其结构有序化的主要因素( ——————————————————————————————————————————————— 燃烧烟气的在线分析显示，在相同配比的,,,,,,气氛下，烟气中;,,的浓度显著高于,,,,,气氛燃烧时,,,的排放浓度，但,,;,,气氛下煤粉燃烧过程延迟，相同取样条件下烟气中的残余,,含量较高，,,的浓度明显高于,,,,,气氛的情况，排烟中,,及,,,的排放较相同,,浓度的,,,,,气氛下降低;随着进气中,,浓度或燃烧温度的提高，两种气氛下,,,及,,的排放浓度均呈现升高的趋势(在两种气氛下，,,,及,,的排放浓度随燃料,氧气化学当量比(矽)的增加呈现先增加后降低的趋势，但,,,的最高浓度出现在化学当量比约为矽,,(,的工况下，而,,最大排放浓度大约出现在?卸(,左右( 在煤焦本身结构特性分析的基础上，以灰色理论为指导，对与煤焦反应特性问相关的影响因素进行了关联分析(结果表明，煤焦颗粒的物理结构、表面化学特性及其微晶结构对颗粒的最终反应性都存在着相当程度的影响，但在所考察的相关参数之间，煤焦本身的化学特性及其微晶结构则是影响其反应性的根本因素，其结果印证了前面研究结果的意义所在( 相关的模拟结果表明，相同,,浓度的,,,(::,,气氛下的温度水平较模拟空气气氛下低约,,,,左右，， 东南大学博士学位论文 但,,,,,,气氛下炉内的温度场更为均匀，烟气的辐射吸收系数显著高于空气气氛下的情况，大约,,,的进气,,浓度可获得与空气气氛下相当的温度分布( ——————————————————————————————————————————————— 研究结果对于,,,,,,燃煤电站的设计与改造，对于奠定具有我国自主知识产权的,,,,,,燃烧理论以实现大规模分离,,,具有重要的理论意义和实际应用价值( 关键词:,,,;,,气氛;煤粉;燃烧特性;孔隙结构;,,，,;,,,;污染物排放;灰色关联? ,,,,,,;, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ;,,,,,,,,,,,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,;, ;,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,,，,,,,,,;,,,,,,,,, ,, ,,, ,,;,,,,,,,(,,,,;,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,;,,,, ,, ,,;,;,,,,,,,,,),,,,,,,,,,,,;,,, ;,,,,,,,,, ,,,,, ,,;,,,,,,, ,,, ,,？,,,,,,,,,,诵,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,， ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,’,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,，,,,;,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,，,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,，,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,, ;,,,,,,,,, ;,,,,;,,,,,,,;,,, 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,,,,,,,,,,,,,,,,,,血,,;, ,;,,,,,,,,,;,,,, ,,;,,,;,,, ,,,,,,—,,,,,,;,,, ,,,,, ,,,,撇:,,,,, 指前因子，,,,。,煤中的灰份含量，, 煤焦中的灰份含量，,分子截面积 ,,,图像中的孔面积，,,,可燃性指数燃尽特性指数层片间距，,,,气体扩散系数分形维数平均孔径，,,失重率。,,,,,活化能，,?埘,，混合分数芳香度 反应机理函数 形状因子分布函数脂肪氢的含量，,芳香氢的含量，,反应速率常数 与,对应的特征尺寸,方向上层片直径，,,,;方向上层片堆积高度，刀，，, 转化率，, 升温速率，:,,,,, ——————————————————————————————————————————————— 孔隙率 差热分析微商热重法 傅立叶变换红外光谱扫描电子显微镜热重法,射线衍射 颗粒质量，堙 反应级数阿佛加德罗常数吸附压力 吸附剂的饱和蒸汽压力氧气分压力 ,,,图像中的孔周长，,,, 燃烧反应速率 辐射热流 气体常数，,,,(,,,,,,彤 考虑了焦炭内表面反应及 扩散的化学反应速率常数灰色关联度 综合燃烧特性指数,,,表面积，舻,, ,,,图像中孔的形状因子 燃尽温度，?着火温度，? 颗粒温度。? 气体温度，? ,,,孔容积，绷,,, 单分子层饱和吸附量 样品初始质量，,, 母?昂死正昂咒?,昵 样品反应最终质量，,, ——————————————————————————————————————————————— ,,, 燃尽时间，肌伽 缸 灰色关联系数唧 颗粒散射系数 , 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:瞧芈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。 研究生签名:导师签名:邀，日期:銎哑:乞:丝 ——————————————————————————————————————————————— 第一章序论 第一章绪论 ,(,引言 气候变化是人类面临的共同挑战，中国也是全球气化变化的最大受害者之一。由于成本和收益的问题，应对气候变化的全球性治理面临着较大的困难。从长久而言，减排的成本损失有限，但收益显而易见;其间，中国有能力也有必要积极参与减排，为世界应对气候变换做出绿色贡献。 本章从当今的能源形势出发，介绍了课题立项的基础及研究的积极意义，文中综述了本课题国内外的研究现状，明确了当前,,,;,,燃烧技术所急需解决的问题并确定了本文的研究思路、方法以及论文所要开展的主要研究工作。 ,(,课题的研究背景及意义 ,(,(,能源形势与现状 当今世界，能源已经成为政治和经济力量的通货，是国家之间力量等级体系的决定因素，甚至是成功和物质进步的一个新的筹码，获取能源已成为,,世纪压倒一切的首要任务。 ,,世纪,,年代以来，中国的能源需求急剧增长，并将在一个较长时期内呈现增长势头，对外依存度也越来越高。根据国际能源机构(皿,(,,,,)统计，,,世纪,,年代世界石油消费需求增加的,,,来自中国，且,,,,年这一比重上升到了,,,。按照中国经济未来的增长速度，有关机构(舾?(,,,,、,,,,;——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,、,,,,)认为中国对能源的需求将进一步增加。如果,,,,年中国经济翻两番计算，届时中国能源需求将达到,(,亿吨，即使中国能源利用效率能够提高一倍，仍然需要,(,亿吨，而中国的石油产量估计最多能够达到,(,,,亿吨，缺,,,在,(,:,,亿吨(,,,,,,,,)【,】(根据《世界能源统计,,,,)的统计(如表,(,所示)，,,,,年世界一次能源的消费增长了,(,,，低于,,,,年,(,,的增长率，略高于过去,,年的平均水平。除了核电，各种燃料的消费增长都有所下降，而中国的一次能源消费增长了,(,,，继续占据全球能源消费增长的一半以上。在全球新增能源消费当中，中国的石油和煤炭消费分别占世界消费增量的,,(,,和,,(,,。因此，能源对于今日中国之意义，从来也没有如此重要过。 表,(,,,,,年中国和世界能源消费增长对比 ,,,(,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 注:资料来源《世界能源统计,,,,)、‘中国能源统计年鉴,,,,) 根据国际能源署(，,,)估计，,,,,年中国原煤消费量,,(,,亿吨煤，占世界总量的,,(,,，,,,排放量为,,,,万吨，,,,排放量为,,亿吨，仅次于美国(,,亿吨)，排在世界第二位。,,,,年，中国与能源有关的,,,排放量已超——————————————————————————————————————————————— 过美国，成为全球第一大排放国，到,,,,年中国,,,排放量将达到,,亿吨【,,。荷兰环境评估署(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,，,,,)的二氧化碳排放报, 东南大学博?学位论, 告也将中周列为世界上最大的排放国，约占垒球总量的,,,，荚圃,,,(歇盟,,国占,,,(印度为,,，俄罗斯占,,”,。 面对愈来愈太的国际压力、愈来窟突出的资操环境矛盾，中国不能在全球减排中作为被动者或挨打者，而应当成为主动者或主导者，积横参与新的国际规?《制定，既为国家拓展发展空间。也为实现经薪发展方式转变创遗电好契机„。 ,,(,经济发展与环境变化的挑战 “全球问题”早在,,世纪,,年代就被罗马俱乐部提出(,,世纪,,年代咀来人类如何应对全球气候变化成为学术研究的热点和备周政府关注的重要问胚(当前全球气候变化作为一个自然科学问题已经普遍为各国所接受”,。 联合国政府同气候变化专门委员会(，,,,)是世界气象组织(,,,,)和联合国环境计划署(,,,,)于,,,,年联合设立的，共有,,,个国家参加，其职能在于向国际机构和政府捷策者提供科学、技术和社会经济数据(这对全球范围内采取行动至关重要。其每隔五年左右的时间都会有,,,,多位的专家共同编写一份详细的报告以论述最新的进展和研究的情况。 ——————————————————————————————————————————————— 在,,,,年，,,,的第四次评价报告中„，科学家指出全球变暖已不容置疑，且这种壹暖与大气中的温室气体古最密切相关，专家通过气候变化模型已能够较为准确的复制观测到的气候现象，这一点已得到广泛的认可;同时，报告还指出，从工业他时代以来地表(包括陆地和海洋)空气的平均温度及大气中的温室气体的含晕都在同步的上升，并且从,,世纪中叶以米这种现象尤为突出。因此，在过去的,,年里每,,年温度升高的平均速度几乎是先前,,,年的两倍。与此同时，全球排入大气中的温室气体,直在增加(主要有二氧化碳(,,,)、甲兢(;地)、氮氧化物(,:,)以及含氟氯制冷剂等( 围，】燃烧化石燃料产生的,,:排放趋势 ,,,(,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,, 从,,,,年至,,,,年，温室气体的排放最增加了,,,。到,,,,年地球大气中的;鹞含晕达到了,,,,,,，远远高于过去,,万年的自然变化范围(,,,,,,,,,,)，其反映了人类活动对大气的影响之犬。堆新的观测结果表明，,,,,至,,,,年是上个世纪咀来有的最热的一个阶段(,,,,年除外)(且气候变暖的平均速度翻了一番。东西半球高山冰川的融化、雪原的缩小以及格陵兰岛和南极球盖的融化(极有可能是造成,,,,至,,,,年海平面升高的原因( 碱少人类活动对气候影响的最主要的途径是解决温室气体如何——————————————————————————————————————————————— 排放以及如何实现可持续发展的问, 第一章序论 题，，,,,,的研究表明，要想确保在一个世纪内地球平均气温的升高不超过,,,,,?，那么大气中,,,的含量不能超过,,,,,,,,,,,,,，这就意味着到,,,,年温室气体的排放量必须减少一半，这需要做出相当大的努力。 在全世界范围内，人类活动每年导致有近,,,亿吨的,,,气体捧放到大气层中，其中约有,,,来自发电厂，,,,来自运输企业，,,,来自水泥厂、钢厂和炼油厂(每周都有五家新的燃煤发电厂投入运行并释放出大量的,,,气体(如图,(,所示)。随着燃煤电厂污染物控制技术的发展(如图,,所示),，全球有将近,,,,家电厂可采用,,,气体捕集拄术，这一技术的思路就是在源头捕集,,,气体(即在燃烧化石燃料(石油、天然气或煤)的工厂在烟气(主要为,,,气体)经烟囱排放之前将,,:气体进行分离和捕 ———————————————————————————————————————————————