低挥发分碳基燃料无焰燃烧特性实验研究

Flameless combustion is an important way to achieve efficient and clean use of low volatile carbon-based fuel, and preheating is a key method to realize flameless combustion of low volatile carbon-based fuel. In the process of preheating, low volatile carbon-based fuel will be converted into high temperature gas-solid fuel. By experimental study and theoretical analysis, the condition of flameless combustion realization of high temperature gas-solid fuel will be illustrated, and the optimization criteria of flameless combustion will be established. In this study, the flameless combustion characteristics of high temperature gas-solid fuel will be analyzed, and the transformation mechanism of coal char as well as temperature distribution and energy release process will also be researched. At the condition of flameless combustion, the coal-N release and conversion process will be studied to establish the transformation model of coal-N. Based on the above results, the strategy of controlling NOX emission will be proposed to realize the ultra low NOX emission. The completion of this project helps to reveal the fundamental theory of flameless combustion, and to provide a theoretical support for efficient and clean use of low volatile carbon-based fuel.

无焰燃烧是实现低挥发分碳基燃料高效和清洁利用的重要途径，预热是低挥发分碳基燃料实现无焰燃烧的关键技术。低挥发分碳基燃料预热后产生高温的气固两相燃料。本申请通过实验研究和理论分析相结合的方法，阐明高温气固两相燃料无焰燃烧实现机制，建立高温气固两相燃料无焰燃烧优化准则；分析高温气固两相燃料无焰燃烧特性，探索高温气固两相燃料无焰燃烧中焦炭析出和转化特性，剖析无焰燃烧中温度分布和能量释放规律；研究无焰燃烧中煤N向NOX转化机制，建立高温气固两相燃料无焰燃烧煤N转化模型，探索无焰燃烧NOX控制方法和基本原理，实现低挥发分燃料燃烧NOX超低排放。本申请的完成有助于建立低挥发分碳基燃料无焰燃烧基本理论，为实现低挥发分碳基燃料的高效、清洁燃烧提供理论支撑。

细粉半焦、气化细粉灰及无烟煤等低挥发分（Vdaf<10%）碳基燃料，其具有着火点高、燃烧稳定性差等缺陷，在传统锅炉中难以被有效利用。由于这些低挥发分燃料产量巨大，随意丢弃只会造成巨大的能源浪费。另外，我国的环保标准不断提高，NOX的排放指标也不断严格。如何高效利用低挥发分碳基燃料，并实现NOX超低排放，是一个值得深入研究的问题。. 本项目依据预循环流化床预热的煤粉燃烧技术，实现低挥发分碳基燃料的稳定燃烧，并在此基础上，探索高温气固两相燃料无焰燃烧的实现机制，研究高温气固两相燃料无焰燃烧的基本特性，并阐明高温气固两相燃料无焰燃烧过程中NOX的生成转化机制，最终实现低挥发分碳基燃料的高效燃烧及NOX的超低排放。. 研究结果表明，在通入预热燃烧器（循环流化床）的空气量为理论燃烧空气量的25%~40%时，低挥发分燃料在预热燃烧器中部分燃烧所释放的少量化学热足以将自身预热至800℃以上。同时，部分燃料发生气化反应，生成CO和H2等煤气成分，有利于高温气固两相燃料在下行燃烧室中的稳定燃烧。. 经预热后的高温气固两相燃料进入下行燃烧室，与加入的空气发生均匀、高效的燃烧反应。下行燃烧室温度分布均匀，没有局部高温区和局部低温区，峰值温度均低于1200℃。燃烧区域透明可见，无明显火焰锋面，是典型的无焰燃烧状态。两相燃料的燃烧处于动力学控制和扩散控制的混合控制区，其燃烧效率可高达96%以上。.经过预热燃烧器，燃料中部分挥发分及氮析出，并且燃料氮主要转化为N2，极少部分转化为NOX的中间产物HCN和NH3，从源头上抑制了NOX的生成。在下行燃烧室内，通过合理分级配风，使高温气固两相燃料与助燃空气在燃烧反应前充分混合，降低燃烧区域内的氧浓度，扩大燃烧空间，可以使得两相燃料沿着下行燃烧室缓慢而均匀燃烧，热量释放也较为均匀。如此，通过实现无焰燃烧，可以进一步控制NOX排放，实现预NOX的超低排放。实践证明，在无焰燃烧模式下，NOX排放可以低至50 mg/m3（6%O2）。. 在无焰燃烧模式下，继续探索了一次风当量比、二次风速、二次风及预热燃料喷口结构、二三次风配比等因素对NOX排放的影响。. 通过对本课题进行系统地研究，阐明了高温气固两相燃料NOX的生成与控制机制，获得了NOX超低排放的控制策略，完成了本基金的研究内容，取得了重要研究成果。