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高浓度煤粉着火低NO_x排放特性的机理及试验研究

作　者: 宋国良
导　师: 周俊虎；岑可法
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 高浓度煤粉着火特性 HCN NH3 NO_x释放特性孔隙特性最优模型
分类号: TK227.1
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

煤粉的高效、低污染燃烧一直都是国际社会共同关注的焦点问题，高浓度煤粉燃烧技术虽具有强化稳燃和低NO_x排放二大特性，但却缺乏工程推广应用的理论指导。基于这样的工程背景，本文以热力工况与实际煤粉锅炉相似的一维沉降炉试验台为依托，选取从无烟煤→烟煤→褐煤的电厂典型用煤，借助热天平、多组分烟气分析仪、气相色谱仪、N₂吸附仪、SEM电镜扫描仪与XRD衍射仪等测试手段，通过宏观测试与微观分析相结合的方法，对高浓度煤粉（0.248～2.136kgc／kga）燃烧过程中C、H、N元素的迁徙特性、中间含氮化合物HCN与NH₃的析出特性、NO_x的沿程与动态释放特性等方面进行了详细的机理分析及大量的试验研究。在大量试验数据的基础上，通过数理统计、概率论、灰色模糊数学及运筹学理论，对影响高浓度煤粉着火特性指标的不同影响因子进行了深入的剖析，并建立了高浓度煤粉燃烧条件下的预测模型与最优数学模型。本文的主要研究工作及成果包括：（1）通过热重-差热分析方法，在热天平上对高浓度煤粉的着火特性、热解特性及动力学参数进行了研究。煤粉浓度提高，挥发分的析出温度和燃尽温度降低，燃烧反应速度加快，燃尽时间提前，燃烧过程最大反应速率增大，着火温度降低，活化能减少，煤粉着火提前，改善了煤粉的着火与燃烧特性，每个煤种均存在一个最佳煤粉浓度，最有利于煤粉的着火与燃烧。（2）系统分析了六种典型煤，在不同煤粉浓度、煤粉粒径、炉温、二次风温和氧量条件下的烟温分布特性、炉温动态变化特性及燃尽特性。煤种挥发分越高，烟温增幅越大，最佳煤粉浓度下降。煤粉粒径减小，烟温升高，烟温峰值提前。氧量越高，烟温增幅越大，但波动越强。煤粉浓度递增，飞灰含碳量呈上升趋势，高浓度煤粉燃烧有强化着火与稳燃的效果。（3）全面讨论了高浓度煤粉燃烧过程中C、H、N元素的迁徙特性，系统分析了其迁徙特性的影响因素及与NO转化率、燃尽率之间的关系。在C、H、N元素的迁徙过程中，H元素的释放率最大，而C、N元素释放率跟煤种有关。低浓度细煤粉有利于C、H元素的迁徙，而高浓度细煤粉有利于N元素的迁徙。在挥发分中，C、H、N元素的释放率几乎不受煤粉浓度的影响。在低浓度区，煤粉浓度对挥发分与煤焦的质量损失影响较大，而在高浓度区，挥发分与煤焦的质量损失基本不受煤粉浓度的影响。高浓度下NO的异相催化还原主要来源于含H基团的贡献，煤粉的燃尽率主要与燃烧过程中C元素的迁徙特性有关。（4）详细探讨了高浓度煤粉燃烧过程中NO_x前驱体HCN、NH₃的析出特性。在燃烧过程中，含氮化合物主要以HCN的形式析出，煤粉浓度越高，HCN、NH₃的析出浓度越趋于稳定。低挥分煤中HCN与NH₃的析出对煤粉浓度不太敏感，而高挥发分煤中，NH₃的

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
符号表  9-21
第一章绪论  21-28
  1.1 引言  21-24
    1.1.1 世界能源状况  21-23
    1.1.2 中国能源概况  23-24
  1.2 煤粉燃烧存在的主要问题  24-25
  1.3 高浓度煤粉燃烧的必要性  25-26
  1.4 本文研究的主要内容及目标  26-28
第二章高浓度煤粉燃烧技术研究进展综述  28-49
  2.1 引言  28
  2.2 高浓度煤粉输送燃烧技术特性  28-32
    2.2.1 输粉系统简化  28-29
    2.2.2 强化稳燃特性  29-32
    2.2.3 环保改善分析  32
  2.3 高浓度煤粉燃烧实施技术  32-33
  2.4 国外高浓度煤粉燃烧技术研究进展  33-44
    2.4.1 高浓度给粉技术  34-37
    2.4.2 燃烧器浓缩技术  37-41
    2.4.3 浓缩器浓缩技术  41-44
  2.5 国内高浓度煤粉燃烧技术研究进展  44-48
  2.6 本章小结  48-49
第三章高浓度煤粉着火动力学特性分析  49-59
  3.1 引言  49
  3.2 试验设备  49-50
  3.3 试验方法  50-52
    3.3.1 着火温度的确定  50
    3.3.2 特征温度的定义  50-51
    3.3.3 活化能求法  51-52
  3.3 试验条件  52
  3.4 试验结果及分析  52-58
    3.4.1 着火特性分析  52-56
    3.4.2 热解特性分析  56-57
    3.4.3 动力学参数分析  57-58
  3.5 本章小结  58-59
第四章高浓度煤粉燃烧一维沉降炉试验研究  59-73
  4.1 引言  59
  4.2 试验系统简介  59-61
  4.3 试验条件及方法  61-63
    4.3.1 煤种的选取  61-62
    4.3.2 炉温与风温的选取  62
    4.3.3 试验方法简介  62-63
  4.4 试验结果及分析  63-70
    4.4.1 不同煤种沿炉膛轴向的烟温分布特性  63-66
    4.4.2 不同煤粉粒径沿炉膛轴向的烟温分布特性  66-67
    4.4.3 不同二次风温沿炉膛轴向的烟温分布特性  67-68
    4.4.4 不同炉温沿炉膛轴向的烟温分布特性  68-69
    4.4.5 不同氧量沿炉膛轴向的烟温分布特性  69-70
  4.5 炉膛烟温的动态变化特性  70-71
  4.6 煤粉浓度对燃尽特性的影响  71-72
  4.8 本章小结  72-73
第五章高浓度煤粉燃烧过程中燃料C、H、N元素的迁徙特性分析  73-96
  5.1 引言  73-74
  5.2 燃料C、H、N元素的迁徙机理分析  74-78
    5.2.1 燃料C元素的迁徙机理分析  74-75
    5.2.2 燃料H元素的迁徙机理分析  75-76
    5.2.3 燃料N元素的迁徙机理分析  76-78
  5.3 试验系统及方法  78-81
    5.3.1 试验系统  78-79
    5.3.3 试验煤种  79-80
    5.3.4 试验工况  80
    5.3.2 试验方法  80-81
  5.4 试验结果及分析  81-90
    5.4.1 不同浓度下煤种对燃料C、H、N元素迁徙特性的影响  81-83
    5.4.2 不同浓度下煤粉粒径对燃料C、H、N元素迁徙特性的影响  83-85
    5.4.3 不同浓度下炉温对燃料C、H、N元素迁徙特性的影响  85-87
    5.4.4 不同浓度下二次风温对燃料C、H、N元素迁徙特性的影响  87-88
    5.4.5 不同浓度下挥发分与煤焦中C、H、N元素迁徙特性分析  88-90
  5.5 煤中C、H、N元素迁徙特性对氮转化率及燃尽率的影响  90-91
  5.6 煤中C、H、N元素迁徙影响因素模糊数学分析  91-94
  5.7 本章小结  94-96
第六章高浓度煤粉燃烧过程中HCN与NH_3的析出特性分析  96-111
  6.1 引言  96-97
  6.2 HCN、NH_3的生成转化机理分析  97-101
    6.2.1 HCN、NH_3的形成机理  97-99
    6.2.2 HCN、NH_3的氧化反应机理  99
    6.2.3 HCN、NH_3的还原反应机理  99-100
    6.2.4 HCN、NH_3与NO的还原反应机理  100-101
  6.3 试验系统及方法  101-102
    6.3.1 试验设备及煤种  101
    6.3.2 试验工况  101
    6.3.3 试验方法  101-102
  6.4 试验结果及分析  102-110
    6.4.1 不同浓度下HCN、NH_3析出特性分析  102-107
    6.4.2 不同浓度下NH_3、HCN析出量与NO_x转化率的关系  107-108
    6.4.3 NH_3／HCN与NO_x转化率及燃尽率的关系  108-109
    6.4.4 NH_3、HCN析出特性影响因素模糊数学分析  109-110
  6.5 本章小结  110-111
第七章高浓度煤粉燃烧过程中NO_x的释放特性分析  111-134
  7.1 引言  111-112
  7.2 高浓度煤粉燃烧低NO_x排放特性机理分析  112-116
    7.2.1 煤粉燃烧过程中NO_x的形成机理  112-113
    7.2.2 高浓度下NO_x的还原反应机理  113-116
  7.3 试验系统及方法  116-119
    7.3.1 试验仪器  116-118
    7.3.2 试验煤种及试验工况  118
    7.3.3 试验方法  118-119
  7.4 试验结果及分析  119-132
    7.4.1 煤粉浓度对NO_x／CO／CO_2／O_2沿程释放特性的影响分析  119-121
    7.4.2 煤粉浓度对NO_x动态释放特性的影响分析  121-123
    7.4.3 不同浓度下NO_x释放特性的影响因素分析  123-126
    7.4.4 煤粉浓度对NO转化率的影响分析  126
    7.4.5 煤粉浓度对挥发分与煤焦中NO转化率的影响分析  126-127
    7.4.6 煤粉浓度对氮氧化物(N_2O／NO／NO_2)释放特性的影响分析  127-129
    7.4.7 煤粉浓度对还原性气体(CO／CH_4／H_2)释放特性的影响分析  129-131
    7.4.8 煤粉浓度对其它污染性气体(SO_2／CO_2)释放的影响分析  131-132
  7.5 本章小结  132-134
第八章高浓度煤粉燃烧强化着火特性的微观结构分析  134-164
  8.1 引言  134-135
  8.2 试验系统及方法  135-137
    8.2.1 试验设备及分析仪器  135-136
    8.2.2 试验煤种及试验方法  136-137
  8.3 煤粉浓度对孔隙结构特性的影响分析  137-154
    8.3.1 不同煤粉浓度对等温吸附／脱附的影响  137-139
    8.3.2 不同煤粉浓度对孔容积分布的影响  139-143
    8.3.3 不同煤粉浓度对孔容积的影响  143-145
    8.3.4 不同煤粉浓度对比表面积分布的影响  145-147
    8.3.5 不同煤粉浓度对比表面积的影响  147-150
    8.3.6 不同煤粉浓度对平均孔径的影响  150-151
    8.3.7 不同煤粉浓度对分形维数的影响  151-152
    8.3.8 孔隙结构特性与NO转化率之间的关系  152-154
  8.4 煤粉浓度对表面形态影响的SEM分析  154-159
    8.4.1 不同煤粉浓度下着火主燃区灰样的SEM分析  154-157
    8.4.2 不同煤粉浓度下燃尽区渣样的SEM分析  157-159
  8.5 煤粉浓度对晶相成分影响的XRD分析  159-161
  8.6 本章小结  161-164
第九章高浓度煤粉燃烧最优数学模型的研究  164-196
  9.1 引言  164
  9.2 灰色系统理论简介  164-165
  9.3 影响高浓度煤粉燃烧特性因素的灰色关联分析  165-172
    9.3.1 灰色关联分析的基本思路  165-166
    9.3.2 高浓度煤粉燃烧特性灰色关联分析  166-172
  9.4 高浓度煤粉燃烧的灰色预测模型  172-179
    9.4.1 灰色动态建模基本思路  172-175
    9.4.2 高浓度煤粉燃烧过程中NO_x排放水平的灰色预测模型  175-177
    9.4.3 高浓度煤粉燃烧过程中飞灰含碳量的灰色预测模型  177-179
  9.5 高浓度煤粉燃烧的最优数学模型  179-194
    9.5.1 试验条件及方法  180-181
    9.5.2 相关分析  181-183
    9.5.3 方差分析  183-185
    9.5.4 回归分析及模型  185-187
    9.5.5 回归模型的显著性检验  187-189
    9.5.6 回归系数的显著性检验  189-190
    9.5.7 回归模型的优化  190-193
    9.5.8 回归模型的预测及验证  193-194
  9.6 本章小结  194-196
第十章总结与展望  196-202
  10.1 主要研究内容及结论  196-200
  10.2 论文主要创新点  200
  10.3 未来工作设想及建议  200-202
参考文献  202-213
附录：攻读博士学位期间的主要成果  213-214
致谢  214

高浓度煤粉着火低NO_x排放特性的机理及试验研究

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