学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

生物质燃烧及其还原氮氧化物的机理研究及应用

作　者: 王学斌
导　师: 徐通模; 谭厚章
学　校: 西安交通大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 生物质混燃焦碳 NOx 机理
分类号: TK6
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 201次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着温室效应的加剧，被认为是“CO₂零排放”的生物质燃料越来越受到关注，但由于生物质中碱金属和氯含量过高，严重的结焦问题使得大多数生物质直燃设备无法正常运行，而将生物质与煤混燃则能显著缓解结焦问题；同时由于生物质中挥发份超过70%，将其作为再燃燃料还能对NOx起到显著的还原效果。本文围绕生物质燃烧技术，分别在热重、沉降炉及300MW煤粉炉内，对生物质直燃和混燃的基础燃烧特性及在工程示范应用中涉及到的关键问题进行了研究；并对生物质混燃过程中生物质焦碳和生物质气对NOx的还原机理进行了深入研究。首先，利用热重全面系统的研究了生物质的燃烧特性及其与煤混燃的协同效应。研究发现：生物质在富氧条件下的着火相对于空气条件发生了延迟，该延迟在焦碳燃烧阶段尤为显著；氧气浓度的提高显著改善了煤的着火，但对生物质着火的影响较小；秸秆类生物质焦的着火温度显著低于于木质类生物质焦，而木质类焦的着火温度甚至高于煤焦。混燃试验表明，生物质与煤混燃总是存在对总体着火有利的协同效应，秸秆类生物质混燃对着火特性的改善幅度大于木质类生物质，而自身着火特性越恶劣的煤种与同一生物质混燃产生的协同效应则越显著；并且O₂/CO₂气氛下混燃协同效应的显著性小于O₂/N₂环境。其次，利用沉降炉试验模拟了实际生物质直燃设备受热面上结焦核心层的形成，并将试验结果与某生物质直燃电厂的焦样数据进行了对比。研究发现：最初在受热面上沉积的是纳米级的含硫碱金属盐的气溶胶颗粒，主要的元素组成为K、S、O和Na，据此提出了以含硫的碱金属盐为核心的生物质结焦形成机理；混燃测试则证明当混燃比例低于0.2时，混燃对结焦特性无显著影响。最后，在某300MW燃煤机组上进行了生物质的混燃试验，不需电厂增加设备投资，利用现有的磨煤机对压型生物质进行单独磨制并送入炉内燃烧，使得规模化利用生物质从工程应用的角度实现了生产组织和设备选取的简化；由于该试验的成功实施，该技术已经在某电厂得到连续应用。研究得到了该型机组混燃生物质的上限热量输入比例16.1%，并证明了在本试验范围内混燃生物质不会影响飞灰在建筑行业的应用，同时获得了大型燃煤机组混燃生物质对炉内温度、污染物排放、燃烧效率的影响规律。作为研究生物质焦和生物质气对NOx还原的基础，首先对生物质热解过程中气相组份的析出及残余焦碳的特性进行了全面分析，获得了含N、S或Cl组份的析出规律，以及制焦温度对焦碳特性的影响。研究发现：随着热解温度升高至800℃，Cl和K含量已显著降低，当温度进一步升高至1000℃，生物质焦样中的Cl已完全析出；对于秸秆类焦存在一优化的制焦温度800℃，该温度下制得焦碳的比表面积最为发达，着火和燃烧特性最佳。生物质焦对NOx异相还原机理的研究在固定床上进行，研究发现：焦与NO反应从动力学控制到扩散控制的普遍转折区域为800⁹00℃；制焦温度对焦-NO反应活化能的影响不大，麦秆焦与NO反应的活化能(89.78-95.41kJ.mol^-1)低于木屑焦(115.22^-122.79kJ.mol^-1)和烟煤焦(108.59^-117.63kJ.mol^-1)，三种燃料焦与NO的反应级数约为0.85；麦秆焦、木屑焦和烟煤焦与N₂O反应的活化能则分别为74.64kJ.mol^-1、122.06kJ.mol^-1和127.01kJ.mol^-1，三种焦与N₂O的反应级数均约等于1。生物质气均相还原NOx的研究主要通过动力学计算进行，首先建立了能准确预测NO和N₂O还原及SNCR过程的GRI-Miller详细反应机理模型（55组份-382步）；然后利用该机理系统的分析了不同生物质气组份再燃还原NO的最佳空气过量系数，以及温度、初始浓度、停留时间、H2O浓度和CO₂浓度等的影响；最后通过对GRI-Miller机理进行简化，发展得到了32组份^-179步的骨架机理和25组份-21步的简化机理，通过与文献中有关数据及详细机理计算结果的对比，本文得到的骨架机理和简化机理可广泛应用于预测生物质气的着火、一维预混火焰特性、含NO和N₂O的再燃过程及SNCR过程。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-16
1 绪论  16-40
  1.1 研究背景  16-19
    1.1.1 生物质直燃技术  16-19
    1.1.2 NOx 的产生及危害  19
  1.2 我国常用生物质燃料特性及直燃应用现状  19-21
  1.3 氮氧化物的生成机理及减排技术  21-25
    1.3.1 热力型 NO  21-22
    1.3.2 快速型 NO  22
    1.3.3 燃料型 NO  22-24
    1.3.4 NOx 的减排技术  24-25
  1.4 生物质再燃过程中氮氧化物的还原机理  25-35
    1.4.1 生物质再燃技术的发展  25-26
    1.4.2 挥发份均相还原氮氧化物  26-32
    1.4.3 焦异相还原氮氧化物  32-35
  1.5 大容量燃煤机组混燃生物质的应用现状  35-38
    1.5.1 生物质的可磨性及磨煤机安全性分析  36
    1.5.2 生物质混燃对燃烧效率的影响及分析  36-37
    1.5.3 生物质混燃对 NOx 及 SO_2排放特性的影响  37-38
    1.5.4 生物质混燃对粉煤灰利用的影响  38
    1.5.5 生物质混燃在我国的应用前景  38
  1.6 本文的研究目的与内容  38-40
2 生物质(混合)燃烧的动力学分析  40-56
  2.1 试验方法及燃料特性  40-45
    2.1.1 试验仪器  40
    2.1.2 燃料特性及试验工况  40-41
    2.1.3 数据分析方法  41-45
  2.2 生物质单独燃烧特性  45-52
    2.2.1 燃烧特征参数汇总  45-46
    2.2.2 燃料种类的影响  46-47
    2.2.3 O_2/N_2气氛与 O_2/CO_2气氛的影响  47-49
    2.2.4 氧气浓度的影响  49-50
    2.2.5 动力学分析  50-52
  2.3 生物质混合燃烧特性  52-55
    2.3.1 混燃比例的影响  52
    2.3.2 混燃生物质种类的影响  52-53
    2.3.3 混燃煤种的影响  53
    2.3.4 O_2/N_2-O_2/CO_2气氛的影响  53-54
    2.3.5 O_2浓度的影响  54-55
  2.4 本章小结  55-56
3 生物质热解的气相析出规律及焦特性研究  56-79
  3.1 试验方法及分析仪器  56-58
    3.1.1 TG-DSC- MS 热解分析系统  56
    3.1.2 焦样的制备及表征  56-58
    3.1.3 焦燃烧反应动力学特性的热重分析  58
  3.2 生物质程序升温热解的气相析出特性  58-62
    3.2.1 TG 分析  58-59
    3.2.2 N-S-Cl 组份析出的 MS 分析  59-61
    3.2.3 程序升温制得焦样的 XRD 表征  61-62
  3.3 生物质焦的理化特性  62-66
  3.4 生物质焦的燃烧反应动力学特性  66-77
    3.4.1 燃烧特征参数汇总  66-68
    3.4.2 燃料种类的影响  68-69
    3.4.3 O_2/N_2气氛和 O_2/CO_2气氛的影响  69-71
    3.4.4 O_2浓度的影响  71-72
    3.4.5 制焦温度的影响  72-73
    3.4.6 焦燃烧的反应动力学特性  73-77
  3.5 本章小结  77-79
4 生物质焦异相还原氮氧化物的试验研究  79-101
  4.1 试验系统及动力学求解方法  79-84
    4.1.1 试验系统及方法  79-80
    4.1.2 数据处理及动力学求解模型  80-84
  4.2 生物质焦与 NO 的高温反应特性  84-91
    4.2.1 燃料和制焦温度的影响  84-85
    4.2.2 NO 初始浓度的影响  85-86
    4.2.3 焦样浓度和停留时间的影响  86-87
    4.2.4 添加 CO 和 O_2的影响  87-89
    4.2.5 焦-NO 反应的动力学分析  89-91
  4.3 生物质焦与 N_2O 的高温反应特性  91-97
    4.3.1 反应温度区间的选择  91-92
    4.3.2 燃料和反应温度的影响  92-93
    4.3.3 N_2O 初始浓度和焦样浓度的影响  93-94
    4.3.4 添加 CO 和 O_2的影响  94-96
    4.3.5 焦-N_2O 反应的动力学分析  96-97
  4.4 O_2对 NO/N_2O 在生物质焦表面化学吸附的影响  97-99
  4.5 本章小结  99-101
5 生物质气均相还原氮氧化物的机理分析及简化  101-135
  5.1 分析方法及数学模型  101-104
    5.1.1 反应器物理模型  101-102
    5.1.2 动力学仿真平台  102
    5.1.3 反应动力学机理及分析方法[147]  102-103
    5.1.4 CARM 程序及机理简化的数学模型  103-104
  5.2 详细反应机理的试验验证及选取  104-107
    5.2.1 工况选取  104
    5.2.2 生物质气对 NO 的均相还原  104-105
    5.2.3 SNCR(含 NH3的反应过程)  105-106
    5.2.4 N_2O 的均相还原  106-107
  5.3 再燃系统中生物质气对 NO 的还原特性  107-127
    5.3.1 CH4对 NO 的还原特性  107-115
    5.3.2 CO 对 NO 的还原特性  115-117
    5.3.3 H2对 NO 的还原特性  117-122
    5.3.4 生物质气对 NO 的还原特性  122-127
  5.4 生物质气燃烧的含氮详细反应机理的简化及应用  127-133
    5.4.1 生物质气燃烧的含氮骨架机理及简化机理  127-128
    5.4.2 生物质气着火延迟时间(WMR)  128-129
    5.4.3 一维预混火焰特性(1D-Premixed flame)  129-131
    5.4.4 生物质气对氮氧化物的还原(PSR)  131-132
    5.4.5 生物质气燃烧过程中燃料及产物的分布(PSR)  132-133
  5.5 本章小结  133-135
6 生物质(混合)燃烧的沉降炉试验研究  135-151
  6.1 试验方法  135-140
    6.1.1 试验系统  135-136
    6.1.2 燃料特性  136
    6.1.3 微量螺旋给料装置  136-137
    6.1.4 烟气和结焦取样及分析  137-138
    6.1.5 试验工况  138-139
    6.1.6 生物质直燃电厂  139-140
  6.2 NOX和 SO_2排放特性  140-141
  6.3 结焦形成机理的试验分析  141-150
    6.3.1 壁面温度Tb 对生物质结焦形成的影响  141-142
    6.3.2 不同种类燃料的结焦形成特性  142-144
    6.3.3 生物质与煤混燃的结焦特性  144-145
    6.3.4 生物质电厂锅炉受热面结焦试验  145-148
    6.3.5 亚微米 K2SO4气溶胶在结焦机理中的关键作用分析  148-150
  6.4 小结  150-151
7 300MW 煤粉炉内生物质混燃的试验研究  151-165
  7.1 试验方法  151-154
    7.1.1 试验设备概况  151-152
    7.1.2 燃料特性  152
    7.1.3 生物质混燃系统的选择  152-153
    7.1.4 试验方案及工况  153-154
  7.2 试验结果和讨论  154-162
    7.2.1 成型生物质的可磨性及磨煤机安全性分析  154-156
    7.2.2 生物质混燃对炉膛火焰及温度分布的影响  156-157
    7.2.3 生物质混燃对锅炉效率的影响及分析  157-158
    7.2.4 生物质混燃对污染物排放特性的影响  158-160
    7.2.5 生物质混燃对煤灰的理化特性及混凝土特性的分析  160-162
  7.3 一种规模化的压型生物质利用方案  162-163
  7.4 小结  163-165
8 结论与展望  165-167
  8.1 结论  165-166
  8.2 展望  166-167
参考文献  167-176
附录 32 组份-179 步骨架机理  176-180
致谢  180-182
攻读学位期间取得的研究成果  182-184

生物质燃烧及其还原氮氧化物的机理研究及应用

内容摘要

全文目录

相似论文