煤及氣化煤氣燃燒過(guò)程中的堿金屬及OH自由基激光在線測(cè)量研究.pdf

1、在眾多煤清潔利用技術(shù)中，煤分級(jí)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是未來(lái)煤清潔利用的重要方向。在以煤裂解為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，可將煤部分燃燒提供熱源，通過(guò)煤裂解產(chǎn)生煤氣和焦油，裂解后的半焦用于燃燒發(fā)電。此外，裂解產(chǎn)生的煤氣及合成氣除進(jìn)一步用作化工原料外，也可直接用于燃?xì)廨啓C(jī)的高效燃燒發(fā)電。
　　在煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，一方面，煤燃燒過(guò)程釋放的堿金屬是引起鍋爐換熱面腐蝕的主要原因。與此同時(shí)，釋放的堿金屬如果混入煤氣及合成氣，在下階段氣體燃燒中對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片也

2、會(huì)產(chǎn)生顯著的腐蝕和破壞。另一方面，作為整個(gè)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的源頭，煤的裂解過(guò)程對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)化（如燃燒、氣化、液化等）具有重要影響。由于研究手段的限制，目前尚缺乏對(duì)煤裂解過(guò)程系統(tǒng)深入的研究。再者，裂解氣化產(chǎn)生的煤氣及合成氣由于成分復(fù)雜且多變，加上熱值較低，給其穩(wěn)定燃燒帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。本文利用先進(jìn)的激光診斷技術(shù)對(duì)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中煤燃燒堿金屬釋放、單顆粒煤裂解特性、煤氣及合成氣燃燒等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　本文首先以典型高鈉準(zhǔn)東煤為例，利用激光誘導(dǎo)擊穿

3、光譜(LIBS)技術(shù)在真實(shí)火焰環(huán)境下對(duì)煤燃燒過(guò)程堿金屬釋放特性進(jìn)行了在線測(cè)量研究，通過(guò)在線標(biāo)定技術(shù)獲得了堿金屬釋放的定量濃度信息。研究表明，溫度對(duì)煤燃燒揮發(fā)分階段、焦炭階段、灰分階段的Na、K釋放速率均存在促進(jìn)作用。O2濃度對(duì)揮發(fā)分階段的Na、K釋放過(guò)程影響不大。隨著O2濃度增加，焦炭燃燒速率加快，促進(jìn)了該階段Na、K的釋放，對(duì)應(yīng)灰分階段的Na、K釋放減少。CO2濃度對(duì)揮發(fā)分階段的Na、K釋放過(guò)程同樣沒(méi)有明顯影響。隨著CO2濃度增加，焦

4、炭燃燒速率減慢，抑制了該階段的Na、K釋放，對(duì)應(yīng)灰分階段的Na、K釋放相應(yīng)增多。
　　對(duì)于煤裂解特性的研究，本文利用自行搭建的單顆粒煤裂解試驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合激光LIBS測(cè)量技術(shù)，對(duì)煤裂解特性進(jìn)行研究。最后對(duì)煤裂解模型進(jìn)行探討，對(duì)現(xiàn)有的Fu-Zhang通用模型進(jìn)行了改進(jìn)，并與本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。研究表明，隨著顆粒尺寸的減小，顆粒內(nèi)部傳熱速率增大，導(dǎo)致顆粒中心溫度的上升速率變快，最大失重速率顯著增大，且峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間提前，裂解反應(yīng)得到正

5、向促進(jìn)。主要元素C、H、O的釋放時(shí)間提前，但峰值濃度降低，這與絕對(duì)質(zhì)量的揮發(fā)速率對(duì)應(yīng)。與主要元素釋放時(shí)間相比，堿金屬釋放時(shí)間明顯提前，且隨著顆粒直徑的減小，Na釋放濃度增大。在1073K溫度下，單顆粒煤裂解過(guò)程中Na含量的變化主要體現(xiàn)在水溶性Na的減少。隨著溫度升高，顆粒中心溫度上升更快，顆粒的最大失重速率顯著增大，且峰值時(shí)間提前，裂解反應(yīng)得到正向促進(jìn)。C、H、O元素的釋放濃度均顯著增大，且峰值時(shí)間提前。在873K低溫下裂解時(shí)，Na的釋

6、放主要來(lái)自于非水溶性有機(jī)Na。隨著溫度的升高，水溶性Na成為釋放主體。裂解溫度升高后，Na釋放時(shí)間提前，且釋放濃度明顯增大，表明溫度的升高會(huì)促進(jìn)熱解過(guò)程堿金屬的釋放。從褐煤到無(wú)煙煤（即隨著煤化程度的提高），煤的反應(yīng)活性下降，熱解反應(yīng)時(shí)間明顯延后，最大失重速率降低，且峰值時(shí)間延后，表明煤化程度的提高不利于熱解反應(yīng)的進(jìn)行。顆粒上方C、H、O等主要元素的絕對(duì)濃度隨著煤化程度的提高顯著下降，且釋放總量降低。
　　針對(duì)裂解氣化產(chǎn)生的煤氣及合

7、成氣成分復(fù)雜多變的問(wèn)題，本文最后利用平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)對(duì)真實(shí)組分煤氣層流燃燒和湍流燃燒特性進(jìn)行研究，系統(tǒng)性地探討了可燃成分變化對(duì)其燃燒特性的影響，并結(jié)合CHEMKIN模擬進(jìn)行了深入的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究。研究表明，煤氣層流火焰速度隨H2含量的增加而增加，并呈線性增加趨勢(shì)。這是由于煤氣中H2含量增加時(shí)，火焰中H和OH自由基增多，其生成速率和消耗速率增大，從而促進(jìn)了整個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生和傳播。當(dāng)沒(méi)有H2成分時(shí)，煤氣層流火焰速度隨CO和

8、CH4混合物中CO含量的增加先增大，在80％CO含量附近達(dá)到峰值，隨后下降。動(dòng)力學(xué)分析表明，CO氧化主要通過(guò)與OH反應(yīng)發(fā)生。在到達(dá)峰值之前，CO與OH反應(yīng)速率隨CO含量增加加快，預(yù)熱階段熱釋放速率增大，促進(jìn)了鏈?zhǔn)椒种Х磻?yīng)的發(fā)生和進(jìn)行。在過(guò)峰值之后，隨著CO含量增加，OH濃度降低，CO與OH反應(yīng)速率減慢，預(yù)熱階段熱釋放速率下降，火焰速度降低。對(duì)于煤氣湍流燃燒，研究得出，雷諾數(shù)的增加有利于火焰中傳熱傳質(zhì)過(guò)程和燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，使火焰中OH自由