加压富氧煤粉燃烧模式下灰颗粒和SO3的演化及耦合作用机理

Pressurized oxy-coal combustion (POCC) is one of the most applicable technologies for CO2 control of coal combustion because of its higher net power generation efficiency. However, under POCC condition, affected by the combustion pressure and temperature, the partial pressure of SO3 and mineral vapor significantly increases. This might significantly aggravate the corrosion and ash deposition, while very little attention and fundamental research has been focused on this risk under POCC conditions. This project aims to explore the evolution and interaction of ash particle and SO3 under POCC conditions, by using reaction kinetics, dynamic modeling and quantum calculation based on experimental results. A pressurized staged flat flame burner system for solid fuel combustion will be built. The evaporating of minerals, the physical-chemical evolution and deposition of ash particle under POCC condition will be studied coupled with the fundamental research of ignition and burnout process. The detailed and global reduced reaction mechanism predicting SO3 and sulfate aerosols will be developed. Aiming at the interaction between ash particle and SO3, the aggravating effect of high concentration SO3 and sulfate aerosol on ash deposition, and the effect of ash composition and environment on the adsorption and reaction on ash particle surfaces will also be studied. The implement of this project is able to quantifiably assess the risks of SO3 enrichment, ash deposition, and fine particle emission, and provides a theory basis on risk control in POCC process.

加压富氧煤粉燃烧技术由于净发电效率高被认为是最有可能得到应用的燃煤CO2控制技术之一，但受燃烧压力和温度影响，烟气中SO3和矿物蒸气分压显著提高，腐蚀和积灰存在加剧的风险，而目前对该问题相关的基础研究很少。本项目以实验为基础，结合反应机理和动力学模型计算，探索加压富氧煤粉燃烧模式下灰颗粒和SO3的演化及耦合作用机制。本项目将建立固体燃料的加压分级平面火焰燃烧系统，结合着火和燃尽过程分析，研究加压富氧煤粉燃烧模式下矿物组分的挥发动力学、灰颗粒的演化机理和沉积特性，发展加压富氧条件下可预测SO3和硫酸盐气溶胶的详细及简化机理；并针对灰颗粒和SO3的耦合作用机理，分别研究高浓度SO3和硫酸盐气溶胶对积灰的影响，以及灰成分和环境因素对灰颗粒表面SO3吸附和反应动力学特性的影响。本项目的开展可实现对加压富氧煤粉燃烧模式下SO3富集、积灰和细颗粒物排放风险的量化评估，并为该类风险的控制提供理论支撑。

加压富氧燃烧是一种很有前景的碳捕集技术，而目前对加压富氧高温燃烧技术中潜在的SO3生成、腐蚀、积灰和细颗粒物排放问题研究还不够深入。本项目以实验为基础并结合理论分析，探索加压富氧高温燃烧模式下灰颗粒和SO3的演化及耦合机制。本项目取得的重要结果包括：（1）利用Chemkin发展了加压富氧燃烧模式下SO3生成的动力学机理，并借助加压柱塞流反应器开展了加压富氧燃烧下SO3生成的实验研究，发现加压富氧燃烧模式下SOx和NOx强耦合促进SO3生成，会造成设备腐蚀加剧等问题，并发展了预测加压富氧模式下的预测SO3生成特性的简化机理；（2）在固定床上研究了富氧气氛下Fe2O3对SO3生成的催化作用，并利用密度泛函分析方法对其进行了机理分析，研究发现灰颗粒中的Fe2O3会显著催化SO3的生成；（3）在加压固定床上研究了加压富氧燃烧固体燃料的灰迁徙特性，随着压力的增加，成灰率则呈上升趋势，灰中K元素和Cl元素的含量随之上升，由于压力对碱金属挥发的抑制作用，在1000℃时加压富氧条件下的KCl并未完全挥发；（4）在加压热重上研究了加压富氧模式下生物质/生物质焦的燃烧特性，结果显示加压富氧模式下生物质的着火温度降低、燃烧特性变好；（5）发展了加压富氧燃烧模式下生物质KCl冷凝析出机理，研究发现随着烟气压力的升高，细颗粒物数目浓度增加，峰值处粒径向大粒径方向偏移，气相KCl均相成核起始温度明显提前，异相凝结速率增加；（6）在沉降炉研究了富氧气氛下煤粉燃烧颗粒物的生成特性，发现富氧燃烧下颗粒物排放浓度低于空气燃烧；（7）利用Chemkin对加压富氧模式下燃烧的碳烟生成进行了模拟，研究发现随压力上升，H2摩尔分数上升、C2H2摩尔分数下降，碳烟产率上升；（8）在加压沉降炉上研究了煤粉的热解，随着压力的升高，挥发分产率逐渐下降，然而CO2气氛条件下的总体产率要略小于N2气氛下，这可能是由于煤焦在高浓度的CO2气氛条件下表面发生气化作用导致。.本项目深入揭示了加压富氧燃烧模式下灰颗粒和SO3的耦合机理，对加压富氧燃烧系统的优化设计具有指导意义。