煤加压流化床富氧燃烧过程的实验研究文献综述

 2022-10-23 10:10
  1. 文献综述（或调研报告）：

加压富氧燃烧被认为是下一代富氧燃烧技术发展的主要方向，也是最具工业化前景的燃煤电站碳捕集技术之一。本文将围绕加压富氧燃烧这一关键技术，对其燃烧条件下的燃烧特性、碳转化规律、污染物排放等方面的研究现状进行综述。

  1. 加压富氧燃烧特性

近年来，许多学者通过加压热重实验，研究了压力、氧浓度、粒径等对煤燃烧特性的影响。应芝等人[1-2]在常压和0.5MPa下，氧浓度21%~50%时探究氧浓度的影响发现，提高氧浓度均可加快煤的着火，但在加压条件下着火温度下降幅度比常压更为显著。在21%O2 /79%CO2气氛下，研究压力（0.1-2MPa）对着火的影响发现，随着压力升高，煤的着火温度先降低后升高，在1MPa时着火模式发生改变，着火温度最低，燃烧速率最快，加压只有在一定范围内对煤的富氧燃烧有改善作用。在加压条件下，挥发分的析出更易使煤颗粒破碎，使燃烧性能得到改善。2018年，Barzegar等人[3]研究富氧燃烧特性发现，O2/CO2条件下的燃烧比空气气氛下的燃烧具有更高的活化能。在针对不同煤种加压富氧燃烧的实验研究上，胡海华等人[4]研究增压O2 /CO2气氛下煤燃烧特性发现，压力对O2 /CO2 气氛下煤燃烧特性的改善因煤种而异；同时压力的升高会改变煤粉的反应级数，常压 O2 /CO2 气氛下煤粉燃烧基本属于一级反应，在加压 O2/ CO2气氛下，低温区属于0.5级反应，而高温区属于1.5级反应。

在2019年的一项研究中，谌伊竺等人[5]建立了加压水平管式炉富氧燃烧实验系统，实验以山西浑源烟煤为原料,探究了不同燃烧压力(0.1~0.9 MPa)和不同气氛(空气以及O浓度分别为21%,26%,31%,36%,41%的O/CO2气氛)对煤加压富氧燃烧过程的燃烧特性的影响。结果显示，与空气燃烧相比，O/CO2气氛下煤燃烧时间增加；随着O浓度的增加，煤燃烧时间缩短，升高反应压力，煤燃烧速率增大且增幅逐渐减小。

盛金贵等人[6]建立了研究增压富氧条件下碳颗粒在初始加热阶段表面温度及其周围气体温度变化的模型和描述增压富氧条件下碳颗粒燃烧速率的模型。研究验证了增压富氧环境下碳颗粒的燃烧速率要比在常压空气中有明显的提高，在其它条件相同的情况下,提高环境压力或增加反应气体中的氧浓度都会提高碳粒的燃烧速率。

  1. 碳转化规律

为探究煤在加压流化床富氧燃烧条件下的碳转化规律，陈超等人[7]在15kW加压流化床富氧燃烧实验台上，进行了内蒙古烟煤在850~900℃下的加压富氧燃烧实验。实验研究了压力为0.1~0.4MPa、空气和21%~30%氧浓度的O2/CO2气氛下燃烧的碳转化规律，结果表明:提高燃烧压力有利于提高碳转化率和CO2生成率,有利于降低CO生成率。在压力0.1~0.3MPa范围内，CO2生成率随着压力的增加基本呈线性递增关系，而随着压力的提高，CO2生成率逐渐趋于平稳，并保持在较高水平，提高O/CO2气氛的氧浓度能够提高碳转化率和CO2生成率,但是随着压力的提高,氧浓度对碳转化率和CO2生成率的影响减小。

  1. 污染物排放

目前对于加压条件下，压力和氧浓度对于SO2生成的影响存在共识，即压力的提高和氧浓度的降低会减少SO2的生成，但对于压力对煤富氧燃烧NOx生成的影响存在分歧。压力对燃料中N的释放和转化影响很大，可能会由于实验环境、操作条件、煤种等的不同而呈现不同的结果。段元强等人[8]在空气和O2/CO2气氛下进行了烟煤和褐煤的燃烧实验以考察压力和气氛对煤燃烧以及CO，NO，SO2析出过程的影响。结果表明：煤在增压富氧燃烧时CO，NO和SO2析出规律和增压空气燃烧时的规律相似，各组分气体均呈现单峰析出；O2/CO2气氛下，压力从0.1MPa提高到0.7MPa会抑制NO和SO2生成；随着温度的升高，NO和SO2的排放峰值和总量均增大，常压时两者增加的幅度要高于加压时．

在2012年的一项研究中，Lasek等[9-10]搭建了的加压流化床富氧燃烧实验台，进行了压力为0.1-0.6MPa、20%-30%氧浓度的O2/CO2气氛条件下污染物排放特性的研究，发现加压有利于降低NO排放，并且富氧条件下NO排放比空气条件下更低。

2014年，刘惠敏等人[11]建立了增压富氧流化床燃烧下 NOx 的生成模型，主要分析了压力和气氛对 NOx 生成的影响，并把模型计算结果与小型增压鼓泡床富氧燃烧的试验值进行了对比，模型还预测了更高氧浓度和更高压力下的NO出口浓度，得出随着压力的升高，空气燃烧和富氧 21O2/79CO2 下炉膛出口 NO 浓度有小幅降低；30O2/70CO2和 40O2/60CO2 富氧气氛下，随着压力的升高，炉膛出口的 NO 浓度逐渐增大，压力的升高并没有改变富氧燃烧下 NO 生成量随氧浓度升高逐渐增大的事实。

为了更好的了解加压和高CO2分压条件下，煤燃烧过程中氮和硫的迁移规律，Duan等[12]在加压流化床进行煤的热解实验，结合FTIR与XPS对烟气和煤焦中N、S形态进行表征，结果表明常压下高CO2浓度会促进燃料氮向HCN的转化，加压导致HCN和NH3生成增加；提高压力可以可以加速煤中硫化物的分解，减少SO2的生成。谌伊竺等[4]利用加压水平管式炉研究了山西浑源烟煤在0.1-0.9MPa、空气和21%-41%氧浓度O2/CO2气氛条件下污染物生成特性，发现随着压力的提高，NOx和SO2生成量逐渐减少；随着氧气浓度的提高，NOx和SO2生成量增加。

参考文献：

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