超細煤粉物化特性及其對O2-CO2分級燃燒NOx排放的影響.pdf

1、能源、環境是當今世界所面臨的兩大嚴峻的現實問題。中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，目前煤炭占中國能源需求總量的67％左右，這樣的能源構成在今后相當長的時間內不會改變。煤燃燒過程中所排放的主要大氣污染物對生態環境造成很大的危害，是最大的污染源之一。這種狀況已經成為對社會和經濟持續發展的嚴重制約。因此如何高效利用煤炭并降低其對環境的污染就變得異常重要。對于能造成酸雨、光化學煙霧等直接危害的氮氧化物和硫氧化物等，國內外眾多研究者已經開展研

2、究并得到很多有益的成果。近年來，隨著CO2所造成的溫室效應問題的凸顯，國際社會已開始對CO2減排給予了很大的重視，成為全球熱點問題。因此，開發一種污染物協同脫除的新興燃燒技術，在擁有良好燃燒性能的基礎上，不僅能實現 CO2的分離收集，還同時具備低NOx排放以及高脫硫效率，必將擁有巨大的發展潛力。
　　本文采用上海同步輻射光源、原子力顯微鏡、核磁共振、電子順磁共振、X射線光電子能譜儀、X射線衍射儀等先進的分析儀器和設備對不同粒度煤粉

3、及煤焦的表面化學與精細微觀結構進行深入的研究；并通過固定床實驗臺和多路進風一維爐綜合燃燒實驗臺對污染物排放特性進行分析。在詳細深入的實驗研究基礎上采用分形理論、機械力化學效應分析以及多樣化分析測量手段，互為支撐、相互應證，揭示了煤粉表面化學與微觀結構特性對燃燒過程影響的機制與機理，研究基于煤粉表面化學與微觀結構的脫硝分子機理，為完善超細煤粉O2/CO2分級燃燒技術思想提供理論基礎。
　　煤粉的物理特性是決定煤粉顆粒中質量、熱量傳遞

4、速率與反應表面積的重要因素，對燃燒、氣化、液化等過程產生巨大的影響。因此，深入研究超細煤粉的物理特性，對進一步了解超細煤粉著火及燃燒特性有著極其重要的意義。本文采用原子力顯微鏡及上海同步輻射光源等先進設備，結合分形幾何理論，從表面形貌、顆粒粒度、粉碎機理以及孔隙結構等方面對超細煤粉的物理特性進行深入系統的研究，結果表明隨著煤粉粒徑的增加，表面分形維數增大，表面粗糙度增加；隨著煤粉粒徑的減小，顆粒粒度分布分形維數增加，顆粒粉碎程度越高，顆

5、粒分布越集中。采用多段式分形維數對超細煤粉顆粒粒度分布進行分析，結果表明整個粒度范圍內對應三種不同的分形維數，分別對應不同的粉碎理論及破碎機理。通過定義最佳煤粉細度，可以對煤粉粒徑與燃燒設備整體性能之間的關系進行全面、正確的評估。通過對超細煤粉孔隙結構進行研究，結果表明隨著煤粉粒徑的減小，孔表面分形維數隨之減小，表明孔表面更光滑，反應氣體輸送阻力更??；孔結構分形維數隨之增大，表明孔的空間結構更加復雜，反應表面更多，更利于燃燒反應的進行。

6、
　　煤粉超細粉碎過程中伴隨著機械力化學反應的進行，而煤粉的表面化學特性更是直接影響煤粉的燃燒及污染物排放特性。本文采用上海光源、X射線光電子能譜分析、核磁共振等先進的分析儀器從化學元素組成、碳骨架結構、自由基、表面官能團以及物相結構等多個方面對超細煤粉化學特性進行深入系統的分析，為基于超細煤粉/煤焦的化學結構模型的建立以及污染物排放特性的分析打下堅實的基礎。超細煤粉順磁共振結果表明隨著煤粉粒徑的減小，煤中自由基含量升高；酸洗過程

7、使得煤中自由基含量上升。粒徑對含氧類自由基影響最大，隨著粒徑的減小，此類自由基含量大幅上升。超細煤粉 NMR碳譜研究表明隨著煤粉粒徑的減小，煤粉的芳碳率及芳氫率均隨之增大；脂碳率隨之減小，質子化脂碳結構明顯減少；煤中的氧接脂碳含量降低，相應的氧接芳碳含量有所升高。超細煤粉XPS氮譜分析結果表明隨著粒徑的減小，吡啶型氮隨之減少，吡咯型氮有所增多。通過上海同步輻射光源小角散射線站對超細煤粉進行研究，結果表明煤粉顆粒存在表面過渡層，推斷是由煤

8、中與母體相連的有機基團所形成的。隨著煤粉粒徑的減小，表面過渡層厚度增加；隨著熱解溫度的升高，過渡層厚度降低；CO2氣氛下煤焦的過渡層厚度低于相應的N2氣氛下的煤焦。
　　煤熱解時產生的揮發分及揮發分的燃燒對整個煤的燃燒過程有著重要的影響，有時甚至是決定性的影響。本文采用固定床實驗系統，研究了煤種、加熱條件、氣氛、粒徑等對超細煤粉熱解特性以及煤焦性質的影響，結果表明甲烷析出過程主要分三個階段，各階段甲烷的生成類型與煤結構核磁共振分析

9、有良好的對應關系。煤粉熱解時，隨著煤粉粒徑的減小，CO的析出量有增大趨勢，但存在最佳析出粒徑。CO2氣氛下由于氣化作用CO的析出量遠高于N2氣氛。煤粉的氣化過程與煤中孔隙結構關系密切，隨著煤粉粒徑的減小，孔隙結構更發達，氣化作用增強。CO的析出可分為四個階段，各階段CO的生成類型與原煤中各類型含碳官能團密切相關。NH3的形成與煤中自由基含量密切相關，需要外部含氫自由基的活化作用才可生成。煤粉越細，越利于燃料氮向揮發分氮的轉化。研究成果對

10、深入掌握超細煤粉燃燒及污染物排放特性等方面具有一定指導意義。
　　為了解超細煤粉在O2/CO2氣氛中分級燃燒的特點和污染物的析出特性，本文在多路進風一維沉降爐系統上進行了全面、深入的煤粉燃燒實驗。結果表明超細煤粉O2/CO2燃燒時，貧燃料燃燒條件下，隨著煤粉顆粒粒徑的減小，揮發分NOx增大，總的氮轉化率升高，總NOx生成量增加；富燃料燃燒條件下，顆粒粒徑越小，越有利于揮發分NOx減少，煤焦還原NOx能力也越強，因而更有利于NOx減

11、排。采用O2/CO2分級燃燒方式時，NOx排放與常規O2/CO2燃燒相比有所降低，而且此方式下超細煤粉可更為有效地降低 NOx排放。超細煤粉O2/CO2燃燒NOx沿程排放基本呈“M”型分布。溫度越高，均相還原作用越明顯，但溫度增加不利于異相還原反應的進行。
　　超細煤粉 O2/CO2分級燃燒技術既可以解決常規空氣分級或常規富氧燃燒技術中固有的燃燒性能低、燃燒損失大以及結渣等缺點，又可實現多種污染物一體化協同脫除，使得NOx等污染物