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循环流化床富氧燃烧技术的试验和理论研究

毛玉如

  全球变暖、温室效应是由于以CO_2为代表的温室气体的大量排放导致的温室效应的加剧而造成的。在各种温室气体中,CO_2以其较长的寿命年限及超高的排放量而对“温室效应”的贡献最大。CO_2主要产生于矿物燃料的燃烧过程,随着社会经济飞速发展而带来的能源需求日益增多,化石燃料的燃烧利用也同时在不断增长,这样导致CO_2排放量也在不断增大。在降低CO_2排放所带来的影响的策略上,不外乎控制CO_2的产生和回收处理CO_2两种策略。通过调整能源结构,提高发电效率,提倡节能和开发可再生能源与新能源等措施可控制CO_2的大量排放。CO_2的回收可分为从燃烧排气中分离处理和从大气中分离固定两方面。目前,采取捕集、储存和利用由矿物燃料燃烧产生的CO_2的方法被认为是近期内减缓CO_2排放较为可行的措施与技术。从锅炉排烟中分离CO_2将在一定程度上使电站效率降低,发电成本增加,其主要原因是燃煤电站锅炉排烟中CO_2浓度一般仅为3~15%,在较低的压力下从以氮气为主要成分的混合气体中分离较低浓度的CO_2气体的难度很大,从而导致分离设备复杂,成本较高。如果能在燃烧过程中大幅度的提高燃烧产物中的CO_2浓度,将会使CO_2分离回收成本降低。组织燃料在氧气和二氧化碳混合气体中燃烧的所谓富氧燃烧技术就是在这一背景下提出来的。富氧燃烧技术也称为O_2/CO_2燃烧技术,或空气分离/烟气再循环技术。富氧燃烧技术不仅能使分离收集CO_2和处理SO_2容易进行,还能减少NOx排放,是一种能够综合控制燃煤污染物排放的新型洁净燃烧技术。富氧燃烧技术在火电厂的各种CO_2减排控制方法中技术经济性较好、应用潜力较大。循环流化床富氧燃烧技术将循环流化床和富氧燃烧技术的优点结合起来,有可能取得更好的效果。本论文主要采用热天平、小型流化床试验台和循环流化床多功能综合试验台三套试验装置。在热天平上进行O_2/N_2气氛与O_2/CO_2气氛下的煤焦热解、着火与燃烬反应动力学及石灰石煅烧分解特性研究;在小型流化床试验台上进行石灰石在O_2/CO_2气氛下的煅烧与硫化反应特性研究;在设计、搭建的循环流化床多功能综合试验台上进行O_2/N_2气氛与O_2/CO_2气氛下的煤燃烧特性与污染物排放规律研究。采用热天平(TGA)对两种煤焦颗粒和两种石灰石颗粒分别在O_2/CO_2气氛、O_2/N_2气氛下的反应特性进行了研究,得出了处在化学动力学控制区域内煤焦和石灰石的反应动力学参数,以及O_2与CO_2(N_2)比例关系的变化对煤焦和石灰石热重反应的影响,并且对试验结果通过理论分析进行了模拟计算。热力学角度和小型流化床试验台上研究了空气和O_2/CO_2气氛下的石灰石煅烧分解与硫化反应特性,并对煅烧过程和硫化反应过程中的石灰石样品结合压汞仪和扫描电镜进行了微观分析,得出了O_2/CO_2气氛下石灰石煅烧与硫化反应特浙江大学博士学位论文点,探讨了02/CO:气氛下石灰石的硫化反应机理。设计、搭建了循环流化床多功能综合试验台架及其电器控制与监控系统,对Oz/CO:气氛和02加2气氛下的煤燃烧特性与污染物排放规律进行了多工况试验,得到了在Oz/CO:和02舰2比例关系、运行条件等变化下的循环流化床煤燃烧特点与污染物排放规律。在浙江大学多年来在循环流化床试验和理论研究领域取得的研究成果的基础上,结合富氧燃烧在烟气再循环、煤焦反应、 50:与NO;生成、反应气氛物性等方面的独特性,综合考虑了循环流化床流体动力特性、煤焦燃烧与气相反应、50:排放与NO、生成降解规律、传热特点和分离器效率等方面,在质量平衡和能量平衡的基础上建立了循环流化床富氧燃烧模型。模拟计算结果与试验台实测结果进行对比,同时从循环流化床富氧燃烧技术应用的角度出发,运用这一模型对浙江大学为某钢铁企业设计的75比循环流化床锅炉进行了模拟计算与预测,得到工业循环流化床锅炉采用富氧燃烧技术的相关特点,结合试验与模型预测结果总结归纳了循环流化床富氧燃烧技术的优势并对当前富氧燃烧技术试验研究和应用领域存在的几个主要问题进行了阐述,为循环流化床富氧燃烧技术的实际工业化应用做了前期必要的试验和理论准备。……