煤粉着火

华中科技大学

本科生毕业设计（论文）开题报告

题目：典型煤种在高温低氧条件下的着火和脱挥发份

特性

学号：012006018516

姓名：杨明

指导老师：柳朝晖教授

院系专业：能源与动力工程学院

华中科技大学教务处制

一、研究背景

能源是支持社会发展和经济增长的重要物质基础和生产要素，充足稳定的能源供应不仅为工业提供动力，为农业提供保障，推动技术进步，保障国民经济的发展，而且还促进了人民生活质量的改善，促进人类社会的发展和进步。而世界经济的快速发展，又促进了能源的开发和利用技术水平的提高，两者既相互促进，又相互制约。能源的结构形式、利用效率及与环境的亲和能力是实现人类、社会和环境可持续发展的基本条件。

当今世界一次能源生产和消费以化石能源为主导，以可再生能源和新能源为补充，化石能源占一次能源的90％以上。随着世界经济的不断发展，能源的需求与日俱增，关于谋求经济、社会、资源、环境与发展协调有序和可持续共进的呼声越来越高，强调清洁能源/技术和可再生能源的替代已逐步成为一种发展趋势。能源生产和消费方式对环境造成的影响日益突出，当前，世界各国面临着经济发展和环境保护相互协调的问题。

煤炭在世界能源结构中占有非常重要的地位，在中国更是如此。煤是中国的主要能源，在资源消费结构中约占75%,我国煤炭消费总量约为世界煤炭总消费量的四分之一。但是长期以来，我们在享有煤炭为我们带来的能量的同时，也极大地影响和破坏了人类赖以生存的环境，造成了一系列严重的污染。如：硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳、粉尘、以及一些有机污染物等。其中二氧化碳是造成温室效应的主要因素（占64％），越多越多的研究[1-3]已经证实，大气中温室气体浓度的增加是引起全球变暖和极端天气频繁发生的重要原因。

全球变暖、温室效应是由于CO2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。CO2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CO2排放量也在不断增大。在降低CO2排放所带来的影响的策略上，不外乎控制CO2的产生和回收处理。在燃烧所产生的烟气中回收和利用CO2的技术既是必须的，又是很有潜力的。而O2/CO2循环燃烧技术作为一种新型的燃烧技术，正是从燃烧所产生的烟气中回收和利用CO2这一类技术的较为突出的代表。

二、富氧燃烧技术及MILD燃烧简介

富氧燃烧技术也叫O2/CO2循环燃烧技术，采用烟气再循环的方式，以烟气中的CO2与空气分离获得的O2代替空气作为矿物燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排气中的CO2浓度。最早在1986年由美国Argonne 国家实验室(ANL)的Wolsky等[4]提出来的，它是采用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混和气代替空气作为燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排放气中的CO2的浓度，从而便于从烟气中回收利用CO2。富氧燃烧技术不仅能使分离收集CO2和处理SO2更加容易进行，还能减少NOx的排放，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。

O2/CO2燃烧系统与传统的空气环境中的燃烧系统相比，具有排烟损失减小，锅炉效率提高的优点，但由于制氧设备和CO2压缩设备需要耗费大量的电力，因此，总的电站效率有所下降。但是，与使用空气燃烧系统同时加装喷氨脱硫设备的机组相比，使用O2/CO2燃烧系统的电站效率更高，同时研究还表明，该系统优于其他的CO2回收系统。对O2/CO2燃煤方式的经济性分析表明，无论是将CO2液化还是CO2回收处理，发电设备的初投资费用和运行费用都会大幅度的降低。这是由于不需要采用烟气脱硫和脱硝装置所致，另外燃料价格的下降也会使发电效率提高。比较结果表明，脱除二氧化碳技术的可行性是很高的，出人意料的是，它甚至高于可再生能源利用技术的可行性，而且在公众接受方面肯定优于核聚变。

然而在此燃烧方式下，由于工质特性和运行状况都发生了重大变化，故对化石燃料的燃烧利用必然产生巨大影响。高浓度的CO2气氛下，火焰传播速度、燃烧稳定性、煤的燃尽特性、辐射对流传热特性、污染物的排放特性等都会发生相应改变。有效实现氧燃烧方式存在的主要困难是：燃烧稳定性差，机械和化学为燃烧损失大幅增加，导致运行效率降低，而带来的安全经济问题；化石燃料中的非主量组分的迁徙转化行为的变化，所引发的环境问题；以及制氧成本居高必然造成的经济问题。这些困难和问题已经成为制约新型燃烧方式完善和发展，乃至走向应用的关键瓶颈。

MILD燃烧（Moderate or Intense Low oxygen Dilution Combustion）是近十余年国际燃烧领域发展的一种最新的燃烧方式，又被称为无焰燃烧(Flameless Oxidation, FLOX)。在MILD燃烧设备中，燃烧可以发生在1100-1700K这样相对较

低的温度范围，并具有热流分布均匀和温度波动小的特点，实现容积燃烧。相比传统燃烧方式，这种燃烧的效率可提高（甚至超过）30%，NOx和CO等污染物的排放降低70%。该技术由于集节能减排于一身，被国际燃烧界誉为21世纪最有发展前途的燃烧技术之一。目前MILD燃烧多是针对气体燃料或者液体燃料，针对煤等固体燃料的研究和应用非常少。如果能将MILD燃烧与具有高温烟气再循环特点的富氧燃烧方式相结合，可望提高富氧燃烧方式的燃烧效率，强化燃烧的稳定性，改善燃尽程度，降低污染排放，从而在根本上有效解决富氧燃烧方式安全经济运行问题。所以对固体燃烧在高温低氧浓度条件下的着火、脱挥发份及燃尽特性开展研究是很重要的。

三、国内外研究现状

1.常规条件下煤粉着火的研究

目前，已经有很多研究者对常规气氛下煤焦的燃烧特性以及动力学特性开展了卓有成效地研究，围绕煤燃烧特性(包括煤着火、挥发分释放、燃烬、积炭、结渣特性、磨损和污染物的排放特性等)人们进行了大量的研究工作，得出了很多有意义的结论，也总结出了很多实用的研究方法。具体来说，研究煤焦燃烧特性的方法主要有：热重分析(TGA)、管式垂直沉降炉DTFS(drop-tube furnace system)、用石英玻璃管流化床和电加热、用脉冲激光点燃记录其燃烧的全过程。

2.O2/CO2条件下煤粉着火的研究

国内外关于煤粉颗粒在燃烧气氛中脱挥发份和粉煤颗粒热分解的研究，初见于1981年在国际燃烧会议上的两篇文章。W.J.Mclean等[5]对燃烧气氛下粉煤颗粒的脱挥发份进行了直接观察研究，采用高速相机捕捉了平面火焰携带流反应器中颗粒图像。W.R.Seeker[6]采用平面火焰下行炉开展了实验研究，采用高速相机捕捉了煤粉颗粒图像，并采用双色高温计对煤粉颗粒温度进行了采集。

Kiga等[7]、Takano S.I[8]、Toshipuki Suda等[9]、K.Okazaki和D.Yossefi[10]利用微重力设备测量煤粉云中火焰的传播速度来研究着火特性，微重力设备能保证煤粉颗粒分布均匀，防止自然对流的影响，他们发现O2/CO2气氛下煤粉的火焰传播速度远比在O2/N2和O2/Ar下有明显的下降，下降了1/3~1/5。且火焰传播速度随着氧浓度的提高而提高。这主要是由于CO2体积比热容比N2的高，导致了火焰传播速度的减慢。