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煤炭分级转化过程的基础研究

作者: 发布时间:2012-01-19

煤炭是我国主要能源的态势在短时间是不可改变的。我国煤炭主要用于直接燃烧,约占总用煤量的80%,而其中的一半左右为中小燃煤设备。其主要问题为热效率低,如工业炉窑的热效率只有40%左右,而工业及供暖锅炉的热效率也仅为60%左右,同时对环境的污染极其严重。由于小型燃煤设备没有污染控制手段,其排放量要比大型燃烧设备高得多。大量的原煤直接燃烧产生严重的烟尘、SO2、NOx、重金属及多环芳烃等污染。

从煤的结构组成来分析,煤炭直接燃烧产生热能的利用方式的最大缺陷在于该过程将高品位能降至极低品位的热能来利用。其理想的利用方式为分级、综合利用。

煤炭解耦燃烧技术是根据煤在燃烧过程中的转化特性提出的一种燃烧技术。在燃烧过程中,不同组份的逸出及燃烧特性差别很大。因此,在燃烧过程中,各种污染物的生成相互耦合,如,小型燃煤炉中一氧化碳和氮氧化物之间的耦合,流化床中二氧化硫和氮氧化物之间的耦合。由于这种耦合作用,很难采用调整燃烧的方式同时降低不同污染物的排放。根据煤炭在燃烧过程中所具有的阶段性,中国科学院过程工程研究所开发了解耦燃烧技术。

煤炭解耦燃烧技术目前可以解决小型燃煤设备NOx、CO、烟尘排放控制问题,但目前对降低NOx的机理并不十分清楚,直接影响到进一步规模放大的有效性,以及脱硝效率的进一步提高;另外,SO2的脱除并没有同时解决。循环流化床燃煤技术是各国大力发展的煤炭洁净燃烧技术,它可用石灰石脱硫,降低SO2排放。将煤炭解耦燃烧技术用于循环流化床燃烧可在炉内同时脱除NOx和SO2,而且可以实现煤炭解耦燃烧设备的大型化。

无论是解耦燃烧还是干法多种污染物同时脱除技术的开发和研究都需要了解煤在热场中的基本化学行为。煤的热转化过程是包含一系列复杂化学反应的过程。从煤组成结构上分析,煤在加热后首先受热分解。表现为煤中小分子化合物的析出和活泼官能团及烷基侧链的断键、分解为主的裂解反应。而后,根据热转化介质的不同,可分为热解、气化或燃烧。煤中的有机及无机组分根据转化方式的不同进行反应,得到不同的基本产品。如热解将产生气(热解气)、液(油品)和固体(半焦)产品;气化产生合成气;而燃烧则产生热。与此同时,其污染物前驱物元素,如硫、氮、芳烃物质等也将随转化过程的不同生成不同的最终产物。煤的热转化是一个复杂的过程。它不仅涉及转化过程中的物理、化学问题,同时还涉及到气-固两相流等理论问题。解决这些理论问题是成功地研究、开发解耦燃烧技术和干法脱硫、脱硝的关键。

本课题组正在开展煤炭解耦燃烧不同阶段的反应机理进行研究。拟建立热解气还原氮氧化物的化学动力学机理模型,根据煤热转化的化学基础,揭示均相和异相的反应规律;拟根据模型计算优化解耦燃烧过程的脱硫、脱硝过程;拟建立30kW规模的解耦循环流化床燃烧实验装置,对煤炭解耦循环流化床燃烧系统进行系统的实验研究,结合化学动力学模拟结果考察操作运行条件对解耦燃烧的影响;拟根据反应机理,研究解耦燃烧技术在链条炉中应用的条件。并计划与企业合作研制容量为1t/h以上的解耦燃烧层燃锅炉。

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