基于深度氧分级解耦的富氧燃烧NOx生成特性及控制机理研究

Oxygen staged combustion is one of the highest potential methods to control the emission of NOx during oxy-fuel combustion, while it will reduce the combustion efficiency. To realize the high efficient oxy-fuel combustion with low NOx emission, a novel method that the enhanced oxygen-staged combustion is decoupled by post-combustion has been put forward in this proposal. The enhanced oxygen-staged decoupling combustion (EOSDC) can enhance the conversion from fuel nitrogen to N2 via enhanced oxygen staging and keep the high combustion efficiency via post combustion. In order to provide fundamental knowledge about the conversion mechanism from fuel nitrogen to N2 under EOSDC, the interaction between operating parameters and conversion rates from fuel nitrogen to N2 will be investigated in the present proposal. Besides, the characteristics of NOx formation during high-temperature gaseous and solid fuel mixtures combustion will be taken into consideration as well, aiming to guarantee the low NOx combustion with high combustion efficiency during post combustion. Based on the above results, the project can provide the theoretical supports for both fuel nitrogen conversion during coal combustion coupling gasification and the process of clean and efficient oxy-fuel combustion.

氧分级是富氧燃烧特有的NOx排放控制方法，具有显著技术优势和发展潜力，但同时存在燃烧效率低等问题。本申请创新性提出深度氧分级解耦富氧燃烧新方法，并对此衍生出的基础科学问题展开研究，具有重要学术价值与工程实际意义。本项目采用实验研究与理论分析相结合的手段，重点对深度氧分级后低氧浓度下燃料氮的析出规律、强还原性气氛下NOx向N2的转化特性、以及高氧浓度下高温气固燃料燃烧NOx生成机制展开研究，以期阐明深度氧分级条件下燃料氮向N2转化与反应条件之间的内在关联，揭示深度氧分级解耦富氧燃烧过程燃料氮迁移转化机理，获得高温气固燃料高氧浓度后燃过程低氮燃烧组织方法及全流程强化燃料氮向N2转化的控制方法，为深度氧分级解耦富氧低氮高效燃烧的实现提供技术手段，研究成果将丰富和完善富氧条件下气化-燃烧耦合控制燃料氮迁移的相关理论体系，为富氧清洁高效燃烧技术的实际应用奠定理论基础并提供技术支撑。

富氧燃烧是燃煤电厂二氧化碳捕集的重要技术之一，但是由于烟气再循环，导致NOx在循环回路中不断累积，造成管道腐蚀，危害系统运行稳定性。氧分级是一类重要的燃烧中NOx排放控制技术，但存在燃尽与降氮的矛盾，如何兼顾高效燃烧与低氮排放是亟待克服的核心关键问题。本项目提出了基于深度氧分级解耦的富氧燃烧NOx排放控制方法，通过利用低氧浓度强化还原，实现燃烧过程NOx排放控制。通过项目研究发现，在低氧浓度下存在强烈的CO2与焦炭的气化效应，且该效应与温度密切相关，即低温下（800ºC以下）CO2与焦炭气化作用微弱，而高温下CO2极易扩散到焦炭颗粒内部，并与无定型碳及3-5环的芳香族化合物发生反应，诱导焦炭内部产生丰富微孔和介孔结构，提升焦炭反应活性。同时，该气化效应还会促进燃料氮的析出并强化其向NH3的转化。此外，在低氧浓度下循环灰颗粒表面存在强烈的NH3催化氧化反应特性，且灰颗粒表面的含Fe物质是该催化反应的活性位点，双齿和桥联硝酸盐活性基团是该氧化反应的重要中间体。NO还原受到高温固体颗粒催化转化与均相NH3-NO还原协同影响，其中，与均相还原相比，固体颗粒增强了NH3吸附中间体的氧化，从而一定程度上抑制了NO还原。最后，项目还提出了基于加压氧化耦合液体CO2循环的NO脱除新方法，并结合化工流程模拟进行了性能验证，结果表明该系统具有硫/氮协同脱除的效果，通过调节系统参数，可实现联产硫酸、硝酸以及高纯度工业级CO2。