煤热解过程中焦炭氮变化规律的试验研究

为研究煤中氮在燃烧第一阶段随挥发分析出进入均相反应与残留煤焦发生异相反应的比例,评估均相反应与异相反应对最终氮氧化物排放贡献的大小提供依据,建立了固定床反应系统并在低加热速率条件下研究了煤阶、温度、脱灰以及不同灰成分在热解过程中对焦炭氮转化率变化规律的影响.研究发现:当高阶煤热解时,氮更多地保留在煤焦中,而低阶煤中的氮则容易析出形成气态含氮产物;高温利于氮从煤焦中析出;脱灰对低阶煤中氮的析出有强烈的抑制作用,脱灰对高阶煤的影响不如低阶煤明显;煤中含Ti、Na、K、Fe和Ca等类矿物质在温度高于800℃时促进氮从煤焦中析出,Mg的存在使焦炭氮的转化率略有提高,Si和Al类矿物质对于氮的析出无明显作用.

在流化床燃烧条件下焦炭氮转化的实验研究

在小型电加热流化床实验台上对一种无烟煤焦炭燃烧过程中焦炭氮的转化进行了实验研究 .实验结果表明 ,在焦炭颗粒的燃烧过程中 ,焦炭中的氮会转化为 NO,N2 O,HCN和 N2 .在焦炭颗粒燃烧的初始阶段 ,即焦炭燃烬度在 0～ 0 .5 8之间 ,HCN析出 ,HCN的氧化反应是 N2 O生成的一条途径 ;在焦炭燃烬度在 0 .5 8到 1的阶段 ,HCN不再析出 ,因此存在另一条不同于 HCN氧化反应的 N2 O生成途径 .HCN在制焦温度高于燃烧温度的焦炭燃烧过程中析出 ,表明焦炭的气化反应是氢释放的一个来源 .

利用TG-FTIR研究O_2/CO_2气氛下焦炭氮的转化

在热重分析仪(TGA)上进行了O2/CO2及O2/Ar气氛下煤焦的燃烧实验,同时利用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)对燃烧产物进行实时检测。结果表明,在焦炭颗粒的燃烧过程中焦炭氮会转化为HCN、HNCO、N2O等。与O2/Ar气氛下的燃烧相比,O2/CO2气氛煤焦燃烧焦炭氮的转化时间延长,含氮产物的分布比例也存在差异。随着燃烧温度的升高,焦炭氮的转化时间缩短,N2O在含氮产物中的比例减少。

不同富氧气氛下焦炭氮转化及原位还原的数值模拟

在焦炭燃烧过程中,焦炭颗粒会对产生的氮氧化物起到一定的异相催化还原作用,但其机理仍不明确。基于焦炭颗粒内部有不同碳基和发达的孔隙结构,根据焦炭颗粒在富氧气氛下燃烧的特性,建立了焦炭氮转化的分子动力学模型和多种气体传质模型。使用FORTRAN语言编程模拟了不同富氧气氛下粒径为100μm的单颗粒焦炭的燃尽过程。结果表明:燃烧初期颗粒内部NO出现短暂的积聚现象,颗粒内部的还原能力较弱,随着反应的进行及温度的升高,还原能力增强,由于缺氧而产生了CO气体,有利于NOx的还原。对比了环境温度为1 200℃时,O2和CO2的体积分数比分别为20∶80,25∶75,30∶70的不同气氛下焦炭颗粒内部NO,CO和N2等气体的体积分数,表明O2和CO2的体积分数比为25∶75的气氛是最佳气氛,既保证了焦炭颗粒的高效燃烧,又有利于增强焦炭颗粒的还原能力。

黄铁矿脱除对燃煤挥发分氮和焦炭氮析出的影响规律探讨

本文研究了HNO3酸洗脱除黄铁矿对煤粉热解挥发分氮和焦炭氮析出的影响规律。分别对黄台煤和阳泉煤进行了HCL + HF酸洗和HNO3酸洗处理,在800℃,950℃和1100℃三个温度工况测取和分析原煤和酸洗煤挥发分和焦炭中NO的析出量。研究表明:温度升高,黄台煤和阳泉煤挥发分NO转化率fvol均有所增加,但是阳泉煤1100℃时fvol降低;三个温度下,脱除黄铁矿后焦炭NO转化率fchar均低于对应的脱灰煤;黄台煤和阳泉煤在三个温度工况下的煤粉NO转化率fcoal均大于与之对应的(fchar + fvol)。

O_2/CO_2气氛下焦炭氮转化的实验研究

利用热重-傅里叶红外联用(TG-FTIR)的方法对O_2/CO_2和O_2/Ar气氛下大同煤焦燃烧过程中焦炭氮的转化进行了实验研究。结果表明,两种气氛下煤焦燃烧过程中焦炭氮会转化为HCN、HNCO、N_2O等。与O_2/Ar气氛下的实验结果相比,O_2/CO_2气氛下焦炭氮的转化时间延长,含氮气体产物的质量分数也存在差异。热解制焦温度影响着含氮气体产物的分布。高温下制备的煤焦含氮气体产物的释放时间较长。

焦炭矿物质对燃料氮转化及NO异相还原影响机制研究进展

焦炭氮转化及焦炭异相还原NO是燃煤锅炉中含氮组分转化的关键环节,而焦炭中的矿物质对二者有显著催化作用。本文总结实验和量子化学计算相关研究,总结煤种、矿物质分散度、流动性对矿物质催化焦炭氮转化,以及焦炭异相还原NO的影响。综合已有研究,Ca存在形式及分散度都影响HCN和NH_(3)的分布,对NO_(x)生成表现出促进和抑制双重作用。Fe在焦炭异相还原NO的反应中表现出优异的催化性能。关于量化计算,需要探索能够采用更复杂焦炭分子模型并引入元素化合物进行计算的可行方法,系统探究各矿物质之间协同作用,完善矿物质催化作用机理。

煤热解过程中氮分配规律的试验研究

利用热重分析仪对煤的热解过程进行试验研究,考察不同终止温度和试样粒径对烟煤或无烟煤中挥发分氮和焦炭氮转化率的影响。结果发现:碳化程度深的煤热解时,氮更多地保留在煤焦中,反之氮更容易随挥发分析出,形成气态含氮产物;高温有利于氮从煤焦中析出;煤的粒径对挥发分氮析出作用明显,煤粉越细,挥发分氮转化率越高。

生物质热解过程中氮迁移转化机理研究进展

生物质热解产物中热解气和热解油具有较高能源利用价值,可作为替代燃料或化工原料,但伴随热解过程迁移至热解气/油中的氮元素不仅会影响其品质,热解气/油进一步利用后也会污染大气环境。该研究围绕生物质资源制备清洁能源的总目标,系统分析生物质热解过程中氮迁移转化机理,重点论述气相氮、液相氮和焦炭氮的生成与转化机理。通过总结前人研究,得出生物质热解气中的含氮物质主要为HCN、NH3等,其中NH3主要来源于氨基酸热解释放的氨基以及HCN在焦炭表面的水解转化;HCN主要来源于腈、含氮杂环等一次热解产物的二次裂解;热解油中的含氮物质主要为含氮杂环、腈与酰胺,其中含氮杂环主要由部分氨基酸片段或氨基酸间的脱水缩合反应产生;腈主要来源于氨基酸分子脱H2反应以及酰胺脱H2O反应;酰胺主要来源于NH3与羧基的置换反应。不同生物质种类与热解工况下氮的迁移转化特性复杂多样,生物质种类以及热解过程中的压力、停留时间、升温速率、温度、热解气氛、粒径、催化剂等因素均会影响热解过程中氮的迁移转化路径,最终影响生物质热解气/油中含氮物质的组成及分布。进一步提出生物质热解过程中氮排放控制未来研究方向,以期为实现农村生物质资源高效清洁利用提供参考。

温度对燃煤挥发分和焦炭NO生成及相互关系的影响研究

燃煤过程中燃料型氮氧化物主要包括挥发分和焦炭的贡献,其各自贡献比率以及各种燃烧因素,如煤质、燃烧温度、气氛等对贡献比率的影响仍缺乏研究,尤其是在和实际工业煤粉燃烧条件的高温环境下的比率规律更是研究甚少。然而,挥发分和焦炭NO生成的相互关系对燃煤NO生成和控制机理是非常重要的,一方面,为燃煤低NOx排放控制技术发展提供了直接理论依据;另一方面,可为NOx精确模拟计算提供基础数据的验证和模型发展。为此,通过在高温自动进料固定床实验系统上设计了一套特殊实验,可以把挥发分和焦炭的燃烧分离以便记录各自的NO生成量。同时也进行了二者无分离的传统燃烧作为对比。实验结果显示,分离燃烧中,随温度升高,NO释放速率提高,燃料NO释放量减少,挥发分NO占燃料NO比例先增后减,各温度条件下,随煤阶升高挥发分NO比例依次降低。

半焦和烟煤混合燃料挥发分释放和氮转化特性

为实现半焦在煤粉锅炉中的大比例掺烧、降低NOx的排放,以管式沉降炉为例,研究了烟煤和半焦不同比例混合后的挥发分释放特性和氮转化特性。研究结果表明,在温度一定的条件下,混合燃料挥发分的释放率与半焦的掺混比例、在炉内的停留时间相关:挥发分的释放率随半焦掺混比例的提高而降低,随停留时间的增加而提高,最大挥发分释放率大于其工业分析值;同时,随着半焦掺混比例的增加,混合燃料的焦炭氮呈上升趋势,挥发分氮呈减少趋势;当掺混的半焦超过混合煤粉质量的50%时,焦炭氮占比较其在原煤中的占比增加了6.08%,NOx排放的控制难度会增大。

预热对煤中氮转化的影响研究

分析了挥发分氮与焦炭氮在预热过程中的转化规律,利用XPS仪器对实验中所使用的样品煤的含氮官能团的变化情况进行了研究,同时采用热重-红外色谱连用分析仪对实验样品煤预热过程中的NOx前驱物的析出特性进行分析。结果表明:预热处理有助于降低NOx的产生,且预热温度越高效果越好;预热对晋城无烟煤NOx减排的作用优于陕西烟煤。

大同烟煤空气分级燃烧NO_x生成特性的试验研究

在20kW下行燃烧炉上进行大同烟煤的空气分级燃烧试验研究,研究了影响空气分级燃烧效果的因素和NO_x的生成与还原路径,分析了不同工况下的飞灰的残余氮含量。结果表明:在不分级燃烧条件下,NO_x的生成量随着过量空气系数的增加而增大,在控制总过量空气系数的条件下,通过提高分级深度或者推迟燃尽风的投入能够进一步降低NO_x生成,但这种降低程度存在上限。空气分级燃烧过程中存在明显的挥发分氮还原现象,同时焦炭氮的析出也受到抑制。

O_2/CO_2气氛下基于反应面积的Char-N转化模型的建立

目前,研究者普遍认为焦炭氮(Char-N)向NO转化时Char-N反应速率与焦炭燃烧速率成正比,这种处理方式忽略了焦炭颗粒燃烧过程中焦炭和Char-N反应面积变化的差别,与实际情况相差较大。针对此问题,本文充分考虑了焦炭燃烧时碳基和Char-N由于存在形式不同导致的反应面积变化的差别,在通过随机孔模型处理焦炭颗粒燃烧的同时采用收缩模型的思维处理Char-N的转化,建立了一个具有两种模型优势的综合模型。模拟了粒径为100μm的焦炭颗粒在O_2/CO_2气氛下的燃烧过程,以及颗粒内部Char-N向NO的转化过程。通过Fortran自主编程并进行计算。结果表明,新建立的模型计算结果能够与实验数据吻合,具有较好的适用性。同时新模型具有表征Char-N转化过程中各参数变化的能力。环境O_2浓度的增大和焦炭颗粒粒径的增大都会导致反应过程中NO生成量增多,同时由于焦炭和Char-N反应面积变化不同,NO的生成曲线存在二次升高的现象。

燃烧过程中煤氮热迁移特性研究进展

燃烧过程中煤氮的热迁移特性决定着NOx的生成与最终排放量,并对控制和治理燃煤过程中NOx污染具有重要指导意义。将煤氮的热迁移过程分为挥发分氮及焦炭氮2个不同热迁移路径进行讨论,归纳了在燃烧过程中挥发分氮及焦炭氮热迁移的特性及相关影响因素。最后提出了"定量解析煤氮热迁移过程"这一国际学术难题的研究突破口。