高碱固体燃料燃烧中碱金属的迁移行为及其对于污染物生成的微观调控

There exist high content of alkali metals in solid fuels, such as Zhundong coal, biomass, and waste. And these are key elements that cause formation of pollutants and fouling, slagging, and corrosion. At present, the problems raised by alkali metals in solid fuel combustion catch extensive attentions at home and abroad. This project will be focused on investigation of transformation and microscopic modulation on pollutant formation of nano-scaled alkali metal clusters in combustion. First of all, the advanced particle surface characterization technique will be used to obtain existing structure and distribution of alkali clusters in solid fuels, and the distribution prediction model of alkali metals is established for different solid fuels. Then, we set up a pressured tubular flame bench of solid fuels and improve TDLAS in determination of concentration of gaseous alkali metals to obtain released data and dynamic model under different combustion atmosphere, temperatures, pressures, and plasma auxiliary conditions. At the same time, the influence of alkali metals on pollutants in combustion of solid fuels is also studied to analyze the mechanism of combustion pollutants and denitration. Finally, the generating mechanism of nano-scaled alkali clusters and its microscopic modulation mechanism are obtained by analyzing the key path of complex reaction of alkali metals with nitrogen, sulfur, and chlorine. The combustion of solid fuel will be simulated based on a reduced mechanism from the detailed reactions.

准东煤、生物质和废弃物等固体燃料中均存在高含量的碱金属，是影响燃烧污染物生成以及积灰、结渣、腐蚀等问题的关键元素，因此国内外十分关注这些高碱燃料燃烧中碱金属的影响问题。本项目研究高碱燃料燃烧中碱金属的迁移行为及其对于污染物生成的微观调控，首先采用颗粒表面表征技术得到燃料中纳米级碱金属团簇的存在结构及分布特性，建立不同燃料碱金属的分布特性预测模型；然后建立增压环境的固体燃料管状火焰实验台并完善气相碱金属浓度的TDLAS在线诊断系统，得到不同燃烧气氛、温度、压力以及等离子体辅助条件下的碱金属释放数据及其释放动力学模型；同时在管状火焰和携带流反应器实验台上，研究燃烧中碱金属对于污染物生成的影响，得到碱金属影响污染物生成以及脱硝效果的机制；最终，通过分析碱金属与氮、硫、氯等组分复杂反应的关键途径，获得纳米级碱金属团簇的生成机理及其微观调控机制，并实现基于详细反应简化机理的固体燃料燃烧模拟。

固体燃料中含有氮、硫、氯、磷和碱金属/碱土金属等少量杂质，是燃烧和气化过程中影响污染物排放以及积灰、结渣与腐蚀等问题的关键元素。针对我国增长迅速的准东煤、生物质以及废弃物的热利用需求，本项目紧密围绕燃烧中碱金属的释放、转化等迁移特性以及气相碱金属自由基影响污染物生成的微观机理两大问题，研究了固体燃料燃烧中碱金属的迁移行为及其影响规律。主要研究成果如下：.（1）通过先进表征手段和分子动力学模拟，明确了高碱燃料中碱金属的分布特性与存在形式，构建出碱金属无机盐微晶及羧酸盐官能团的赋存模型，从分子层面明晰了碱金属的赋存形态。.（2）探明了高碱燃料热利用过程中碱金属的迁移转化规律，研发气相碱金属浓度TDLAS在线诊断测量系统，积累了大量碱金属的释放数据，构建出碱金属释放动力学预测模型；揭示垃圾焚烧过程中碱金属的释放、冷凝转化路径，明确了碱金属引起的积灰、结焦机理；开发便携式燃气脉冲清灰技术，在国内10余家垃圾焚烧厂上获得了应用。.（3）探讨不同赋存形态碱金属以及HCl在燃料燃烧过程中对氮氧化物生成的影响，明确了碱金属强化SNCR脱硝的机制；阐明碱金属盐对SCR脱硝效果的影响，明确了催化剂活性位失活的微观机理，为提高SNCR脱硝效率以及抗碱金属SCR催化剂的制备提供了理论依据。.（4）完善了碱金属气相反应的骨干反应机理数据库，形成了含碱金属的气固反应机理，研究了碱金属和HCl对氮氧化物生成转化规律以及燃烧自由基浓度的影响，揭示了碱金属和HCl对燃烧自由基的微观调控机理；明确了燃料燃烧过程中碱金属微细颗粒物的生成机制以及硅铝添加剂对颗粒物的捕获机制，为基于碱金属详细反应机理的燃烧数值模拟方法打下了基础。