煤粉在oxy-steam燃烧过程中着火机理的实验与理论研究

Oxy-steam燃烧方式是一种新型氧燃烧方式，本研究采用实验与理论建模分析相结合的方法研究煤粉在oxy-steam燃烧过程中的着火机理进行研究，采用了TG/DTG、滴管炉和层流曳带流反应器等台架对煤粉在O2/H2O气氛下，对高浓度水蒸汽的物理化学性质在脱挥发分过程、挥发分燃烧、煤粉的成焦特性以及燃烧过程中的影响作用进行深入研究，揭示煤粉在O2/H2O气氛下着火的机理。并对这些子过程建立其动力学模型或者反应简化机理，从而构建煤粉在oxy-steam燃烧过程中的着火数学模型。通过模型的数字实验，探寻水蒸汽的物理、化学性质分别对着火的影响机制。本研究属于煤粉在oxy-steam燃烧的基础研究，对于该燃烧方式的稳燃、污染物排放以及燃烧器设计等都有着非常重要的意义，也为氧燃烧方式的发展提供了有价值的探索。

作为CCS(Carbon Capture and Storage)技术之一的富氧燃烧(oxy-fuel)被认为是很有前景的控制燃煤电厂CO2排放的技术。目前典型的oxy-fuel燃烧是O2/CO2循环燃烧。oxy-steam燃烧相比O2/CO2循环燃烧有如下优点：（1）系统紧凑，机组的启停程序简单，节省投资；（2）主要设备和辅助设备的尺寸减小；（3）NOx和SOx排放量减少。因此，oxy-steam燃烧技术被认为是下一代oxy-fuel燃烧技术。本研究采用实验和模拟的方法研究了煤粉在oxy-steam气氛下的着火机理，主要包括：煤粉在O2/H2O气氛挥发分燃烧特性及均相着火机理的研究、oxy-steam气氛下非均相着火机理的研究、煤粉在oxy-steam燃烧过程中着火过程的数值模拟研究等内容。采用热重分析仪研究了煤粉在O2/H2O气氛下的燃烧特性与化学反应动力学，实验结果表明煤粉在O2/H2O气氛下的燃烧是一级反应。在可视滴管炉中使用高速摄像仪记录了煤粉在oxy-steam和O2/N2气氛下的着火行为，实验结果表明烟煤在O2/H2O气氛下的着火均为均相着火机理。煤粉在O2/H2O气氛下相比对应的同氧气浓度的O2/N2气氛出现了着火提前的现象。根据煤粉着火机理的理论分析，构建了判断着火机理的数学模型，采用自定义函数（UDF）进行了二次开发，完成了煤粉着火过程的数值模拟，为煤粉着火机理的研究引入了定量方法。据此模型分析了产生着火提前的根本原因：水蒸气替换反应(CO+H2O→CO2+H2)是发生着火提前的主要原因，水蒸气气化反应(C+H2O→CO+H2)是次要原因。实验与模拟研究发现贫煤在O2/H2O气氛下为非均相着火或者联合着火机理，同时也发现贫煤在O2/H2O气氛中相比O2/N2气氛存在着火提前的现象。替换反应和气化反应在联合着火机理中对于着火提前起着相同的作用；而在非均相着火机理中，气化反应是主要原因，替换反应是次要原因。采用GRI3.0的机理研究了水蒸气的化学性质对燃烧温度的机理影响。当水蒸气浓度为72.5%时，CH4-O2-H2O燃烧方式下的温度场与空气的温度场近似。本项目研究oxy-steam气氛下的NH3转化为NO的机理特性：相对空气燃烧，相似温度场的oxy-steam燃烧方式的NH3转化为NO转化率显著增加。