矿井乏风燃煤锅炉混烧氧化机理与应用基础

The usage of coal mine ventilation air methane (VAM) (concentration less than 0.75%) instead of air to oxidize in the coal-fired boilers of power plant closed to the portal of coal mine is an effective way to gain heat and reduce emission. However, there is no relevant research available on this topic. This project focuses on the mechanism and basic research on mixed-combustion and catalytic oxidation of VAM and coal. The heat-increasing mechanism of mixed combustion with VAM and coal is revealed and concentration and temperature limits of the mixed combustion and the changes of oxidation rate and heat generation rate are studied. The impact mechanisms of coal-fired boiler operation and heat production when VAM accesses is revealed and the distribution patterns of gas flow field and thermal field in the coal-fired boiler and the optimal matching parameters for the mixed combustion of VAM and coal is studied. The catalytic oxidation mechanism and intoxication and deactivation mechanism of VAM is revealed and a highly efficient catalytic oxidation system suitable for the complex components of the VAM and the high temperature conditions of coal-fired boiler is built. The expected results can fill the gaps of the basic research in this field. At the same time, an integrated experimental platform for mixed combustion of VAM and coal is developed. Comprehensive simulation is used to obtain relevant basic parameters. The theoretical and basic experimental results were validated. It lays the foundation for industrial application of mixed combustion and oxidation of VAM in power plant’s coal-fired boilers.

矿井乏风瓦斯（浓度低于0.75%）通入坑口电厂燃煤锅炉混烧氧化是实现增热减排的有效途径，但没有相关研究。本项目围绕矿井乏风与燃煤的混烧氧化、催化氧化两个方面开展机理与应用基础研究。揭示矿井乏风-煤混烧增热机理，研究乏风瓦斯与煤混烧的浓度、温度极限，以及乏风瓦斯氧化率与热贡献率变化规律；揭示矿井乏风通入燃煤锅炉对锅炉运行及产热的影响机制，探明乏风通入燃煤锅炉的气体流场与热动力场分布规律，以及矿井乏风通入燃煤锅炉混烧的最佳配伍参数；揭示矿井乏风瓦斯催化氧化机理与中毒失活机制，构建适用于乏风复杂成分与燃煤锅炉高温条件的高效催化氧化体系，预期成果可填补该领域基础研究的空白。同时，开发乏风瓦斯与燃煤混烧增热综合实验平台，以综合仿真实验手段获取相关基础参数，验证理论与基础实验分析结果，为矿井乏风通入坑口电厂燃煤锅炉混烧氧化的工业化应用奠定基础。

本研究以600MW机组直流锅炉为研究对象，将矿井乏风通入燃煤锅炉，利用数值模拟的方法对掺烧后的燃烧特性进行研究，分析了乏风中甲烷的浓度、乏风四种不同的进入方式、燃尽风的风率对燃烧特性产生的影响以及掺入乏风的贫燃极限和混烧的最佳配伍参数。结果表明，当乏风中甲烷浓度0.25%、燃尽风风率33.51%、锅炉负荷564.11MW时，此条件下的温度响应值为1691.41，NO浓度响应值为0.00031589，预测值与实测值吻合度较好。. 采用溶胶凝胶法、配位聚合物方法等制备了缺陷型LaMnO3、有序介孔Pd/Al2O3、双金属Pd-Pt/分子筛、LaxCoO3 和Co3O4/SiO2 型催化剂，并对催化剂进行了表征，通过 CH4氧化活性测试评价了催化剂的催化性能。建立催化剂与催化低浓度甲烷燃烧性能之间的构效关系，筛选出最优催化剂。将最优催化剂应用于催化低浓度甲烷与煤共燃体系，揭示低浓度甲烷与煤催化共燃机理。结果表明，优选的Co3O4/SiO2-500作为可弃催化剂，当反应温度为700℃时，矿井乏风与锅炉燃煤在催化剂的作用下可实现共燃体系的完全燃烧。. 利用密度泛函理论，采用VASP量化软件包，建立LaCoO3的体相结构并进行结构优化，对优化好的结构进行能带分析和分态密度分析。得到了LaCoO3体相性质及LaCoO3 (001)表面对甲烷分子和氧气分子的吸附机理。考察了催化剂LaMnO3-90和1%Pd-La/Al2O3在H2O/SO2气氛下甲烷催化燃烧性能。研究表明，钙钛矿LaMnO3-90的抗H2O/SO2中毒性能要远远强于1%Pd-La/Al2O3。这归因于钙钛矿具有良好的结构稳定性。在LaCoO3的B位掺杂Fe元素后，可抑制H2O/SO2中毒反应。 . 设计和搭建了乏风瓦斯与燃煤混烧实验系统及预处理系统，研究了低浓度乏风瓦斯燃烧时甲烷的浓度对乏风瓦斯着火温度，甲烷转化率的影响。研究了乏风瓦斯与燃煤混烧过程中煤粉种类的变化对耦合体系着火温度、甲烷转化率的影响。研究结果表明：当乏风瓦斯在炉膛内氧化燃烧时，随着甲烷浓度的不断增加，其在炉膛内的着火温度在不断降低，甲烷的转化率不随乏风甲烷浓度的改变而改变，温度越高，甲烷转化率越大，甲烷的转化率最终均可达到98%。乏风瓦斯与不同种类煤粉的混烧，对甲烷燃烧的促进效率是不同的。