增压富氧燃烧煤焦CO2气化与燃烧耦合作用机理研究

Oxy-fuel combustion is considered as the most promising carbon capture, utilization and storage (CCUS) technique for commercial application. Comparing with conventional oxy-fuel combustion, the advanced pressurized oxy-fuel combustion can substantially improve the energy tilization efficiency, reduce the expense of power station and is considered as the future second generation oxy-fuel technique. While in O2/CO2 atmosphere, CO2 replaces N2 as the diluent gas and CO2 gasification may play an important role on the coal combustion characteristics, which may be intensified in pressurized atmosphere. And in pressurized conditions, the reaction mechanism will be complicated on account of the diffusion controlled coal combustion kinetics. In view of this, we will investigate the coupling mechanism of CO2 gasification between diffusion.controlled char combustion reaction. Based on multiple-scale test and molecular simulation, the likely impact of CO2 gasification on the oxy-combustion of pulverized coal chars would be figured out. Combined with the char structure evolution characteristics, a diffusion controlled O2 combustion kinetics model considering CO2 gasification would be proposed and finally, the CO2/O2 competition reaction would be revealed, which can be a guide to predict the reaction process during pressurized oxy-fuel combustion.

富氧燃烧技术被认为是最可能大规模推广的碳捕集、利用与封存技术之一。相比传统富氧燃烧，先进的增压富氧燃烧技术能大幅提高能源利用效率，降低发电成本，是富氧燃烧技术未来的发展方向。富氧燃烧方式下非惰性的CO2替代N2与煤粉发生气化反应影响燃烧反应进程，加压条件下影响尤甚，此外，加压条件下非均相煤燃烧反应受扩散过程控制，反应机制复杂。因此，本项目着眼于增压富氧燃烧方式下CO2气化反应对燃烧反应的影响机制，借助于多尺度的分析测试及分子模拟技术，详细考察增压富氧燃烧方式下CO2取代N2对典型煤种热解脱挥发分特性的改变机制，以期建立加压条件下CO2气化反应与扩散控制区O2燃烧反应耦合的动力学模型，揭示CO2/O2竞争反应机理，从而更深层次阐明富氧燃烧的反应历程。

加压富氧燃烧技术由于具有发电效率高、污染物排放低等优势，被认为是一种更加高效清洁的二代富氧燃烧技术。受限于实现高温高压条件的实验台架搭建困难，目前对于煤颗粒在高升温速率、较宽压力范围内的燃烧特性实验研究鲜有报导，项目团队在基金资助下自主搭建了一套加压聚光光热快速升温实验平台，可以实现热解和燃烧过程中颗粒形态、温度、燃烧动态图像、产气信息等多参量实时测量，对增压富氧燃烧煤焦CO2气化与燃烧耦合作用机理进行了深入探讨。研究结果表明：1）相同压力下，CO2气氛下制备的煤焦孔隙结构更发达，随着压力的增加，N2和CO2气氛下制备的煤焦的化学结构都趋于更加稳定，压力变化对煤焦物理化学结构的差异性影响导致煤焦燃烧反应性显著不同；2）不同反应压力及氧分压下煤颗粒的富氧燃烧着火机理发生演变：随着压力以及氧气浓度的提高，颗粒的着火模式呈现异相着火→均相着火→均异相联合着火模式的演变趋势，通过建立干燥模型、脱挥发分模型、挥发分燃烧模型以及煤焦燃烧模型，描述了煤颗粒快速升温燃烧过程中的温度变化过程，模型对不同氧分压条件下煤颗粒快速升温燃烧的温度变化过程预测有良好的适用性；3）气体流速对于煤颗粒着火机理的影响主要体现在低压条件下，在高压条件下颗粒的着火机理主要受氧气浓度影响。低压下，随着气体流速的增加，颗粒着火会有所提前，而在高压条件下，颗粒的着火时间则随着气体流速的增加而增加。低氧浓度时，气体流速的增加会使得焦炭不完全氧化增加，CO生成增加，促进NO和CO/焦炭的还原；而对于高氧气浓度，流速的增加则相应减少烟气停留时间，导致NO和CO/焦炭的还原受到抑制。