煤粉非均相MILD燃烧及燃料型NOx生成机理研究

MILD combustion is a new type of combustion technology and has been developing in past two decades. Compared to the conventional one, this combustion can improve its thermal efficiency even by 30% and reduce the NOx emissions by about 70%. Thus it is regarded as one of the most promising combustion technologies of this century. However, although this technology has been successfully applied in the steel making and the metallurgy plants, many fundamental problems of pulverized coal MILD combustion without air preheating are unresolved. This extremely limits its applications in the coal combustion fields, especially in China. To this end, this project is to investigate the characteristics of the pulverized coal MILD combustion through experiments and modelling. The aims of the project are: quantitatively summarizing the controlling method to achieve the pulverized coal MILD combustion without air preheating; understanding the exact definition of MILD combustion firing pulverized coal and then clarifying its characteristics and the kinetics of the volatile-char and immediate species in the reaction zone; investigating the NO emissions and the characteristics and the NOx formation/destruction routes under the pulverized coal MILD condition. This project is to investigate the fundamental knowledge of the pulverized coal MILD combustion and can provide some guide for its practical applications.

MILD燃烧是在上世纪90年代被提出的一种新型燃烧方式。相比于常规燃烧，该燃烧能提高30%的热利用效率，并能减排近70%的NOx。因此，它被视为本世纪最具发展潜力的燃烧方式之一。然而，该燃烧虽已被成功应用于钢铁冶金行业，但以煤粉为燃料的常温空气MILD燃烧的研究十分匮乏，这严重制约了该燃烧在我国燃煤行业的应用。针对此，本项目拟以煤粉MILD燃烧为对象，深入研究该燃烧的发生机理，进而掌握常温空气煤粉MILD燃烧的实现方法及演变规律；揭示常温空气煤粉MILD燃烧的定义、反应区特征（如挥发分-煤焦燃尽特性、组分生成消耗规律）及传热特性；总结常温空气煤粉MILD燃烧下的NOx排放特性及燃料型NOx的生成与还原规律。本项目是对煤粉MILD燃烧的基础理论的研究，可为该燃烧的实际应用提供理论指导。

MILD燃烧是近二三十年兴起的一种高效低污染的新型燃烧技术。其与传统燃烧相比，有独特的特征，如反应区明显增大、温度场均匀、NOx排放低等。然而，这种燃烧技术在煤粉等固体燃料的应用相对较少。针对此，本项目在过去三年基于实验、数值模拟和理论分析，基本完成如下内容和目标：①弄清了气相燃料在MILD条件下的氧化特性路径。通过分析知，相比于传统燃烧，MILD燃烧条件下的低碳反应路径得以削弱，而高碳化学反应路径将得到加强。②研究了煤粉从传统有焰燃烧向MILD燃烧转变的过渡过程、总结了常温空气煤粉MILD燃烧的优化控制方法；提出了一种优化的适用于各种尺度下（包含实验室规模、中试规模的）的常规煤粉MILD燃烧的气相燃烧机理，可准确的模拟煤粉MILD燃烧。③从反应特征层面明确煤粉气固非均相MILD燃烧真实含义，以及与常规煤粉燃烧的差异。具体而言，在MILD燃烧条件下，虽然对流换热得以加强，但辐射传热仍是占主导地位煤焦与挥发分是分开发生反应，且气化反应对消耗煤焦的贡献率增强，更有利于MILD燃烧发生；MILD条件下，气相固相的达姆科洛数（Da）均在1这个数量级上，说明煤粉MILD燃烧反应由化学反应时间与混合时间共同决定。④获得常温空气煤粉MILD燃烧条件下的NOx排放特性，并总结燃料型NOx的生成与还原规律等。其中，煤粉MILD燃烧过程中，挥发分、焦炭对NO排放的贡献率发生了较大的变化，而且NO的再燃机理是不可忽略的；MILD燃烧条件下煤粉N向NO转化率远低于传统燃烧下的转化率。项目所得数据和结论，可为煤粉MILD燃烧的大规模利用提供一定的帮助。