煤焦燃烧过程中N_NO转化规律的研究

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1、博士学位论文煤焦燃烧过程中N/NO转化规律的研究STUDYONCONVERSIONOFNITROGENTONODURINGCHARCOMBUSTION徐杰哈尔滨工业大学2018年4月国内图书分类号：X511学校代码：10213国际图书分类号：621.18密级：公开工学博士学位论文煤焦燃烧过程中N/NO转化规律的研究博士研究生：徐杰导师：孙锐教授申请学位：工学博士学科：热能工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年4月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:X511U.D.C:621.18DissertationfortheDoctoralDeg

2、reeinEngineeringSTUDYONCONVERSIONOFNITROGENTONODURINGCHARCOMBUSTIONCandidate：JieXuSupervisor：Prof.RuiSunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ThermalEngineeringAffiliation：SchoolofEnergySci.&Eng.DateofDefence：Apr.,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnolo

3、gy摘要摘要目前，我国电站燃煤锅炉排放的NOx对环境造成了严重污染。现有的锅炉通常采用空气分级及低NOx燃烧器等技术对煤燃烧过程中的NOx进行控制。空气分级及低NOx燃烧器等技术通过改变空燃比形成富燃料区将NOx还原为N2。尽管这些技术可以将煤中的大部分挥发分NOx还原为N2，但对焦炭燃烧过程生成的NOx却很难脱除，这主要因为焦炭NOx的转化机理和释放规律和挥发分NOx有很大的区别。为了解决焦炭NOx的脱除，首先有必要对煤焦燃烧过程中N/NO转化规律进行研究。本文利用机理试验台和数值模拟对影响煤焦燃烧过程中NO转化规律的一些关键影响参数进行详细分析研究，为新型低NOx燃烧器

4、的设计和开发提供理论基础和数据支持。本文首先利用XPS（X-rayphotoelectronspectroscopy）技术分析了煤焦中氮，碳和氧元素的相对含量及相应官能团的分布和演变，并研究了煤焦中含氮量及含氮官能团与N/NO转化的关系。发现高温条件热解后，煤焦中氮官能团以砒咯（N-5）氮与砒啶（N-6）氮为主。随着热解温度提高，质之化砒啶（N-Q）含量不断减小，而N-6含量整体上呈现增加趋势，N-5含量略有减小，表明N-6具有更高的热稳定性。热解温度增加会导致高石墨化程度提高，进而造成煤焦反应性下降。N-6含量与N/NO转化有着很好的相关性，表明煤焦中更多的N-6参与NO

5、的还原。利用随机孔模型（RPM,Randomporemodel）研究了煤焦氧化和还原反应中孔隙结构的变化规律，发现相比于煤焦-NO反应过程，焦炭-O2反应过程中孔隙结构经历了较大的发展。利用反应动力学模型研究O2和NO在孔隙内的传质过程时，发现煤焦初始孔隙越发达，越有利于反应气体在颗粒内的扩散。对于煤焦-O2反应过程，有效因子先增加而后略有减小主要归因于煤焦反应过程中孔隙结构的变化。利用水平管式反应器（HTF,Horizontaltubefurnace）在700~1100℃范围内，研究了氧浓度对焦炭N/NO转化的影响。发现混合石英砂可以有效抑制NO在煤焦颗粒间的二次反应。在

6、700℃-900℃范围内，增加氧浓度，NO转化率降低。而在1100℃时，增加氧浓度，NO转化率略有上升趋势。这表明从动力控制向扩散控制过渡时，氧浓度对N/NO转化的影响机制是不同的。在900°C~1400°C范围内，进一步研究了粒径对焦炭N/NO转化的影响。发现粒径变化不会显著改变煤焦本征反应性，但会影响O2在颗粒内的扩散。在不同的氧浓度和温度下，增加粒径，N/NO转化整体上都呈现上升趋势。利用动力学-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文模型计算了不同氧浓度和粒径下的有效反应面积和O2在颗粒的扩散深度，发现有效反应面积和扩散深度减小会直接导致N/NO转化的下降，模拟结果成功的

7、解释了实验结果。利用XPS分析了不同粒径煤焦表面O/C随碳转化率的变化，发现粒径越小，O/C比值越大，这意味着更多的O2扩散到颗粒孔隙表面，进一步验证了模型计算结果。利用沉降炉和固定床反应器研究了不同热解条件对N/NO转化的影响。发现相比于一次热解煤焦，二次热解煤焦具有更大的孔隙面积，但热钝化导致了煤焦石墨化程度提高，反应性变差。煤焦的本征反应性越高，N/NO转化越低，表明本征反应性对N/NO转化有着重要影响。燃烧后期，NO/(CO+CO2)的显著增加主要归因于反应面积的下降和N元素的富集。最后，利用Matlab编