化石燃料燃烧是排放CO2的主要来源。在传统的煤燃烧过程中，煤与空气直接接触，导致烟气中CO2的浓度较低，烟气中CO2的捕集成本较高。基于循环载氧体的煤化学链燃烧通过不同品位能的梯级利用，具有比传统燃烧方式更高的能源利用效率，而且能够在燃烧过程中实现CO2的高浓度富集，是一种尚处于起步阶段、具有良好应用前景的变革性燃烧方式。它不再直接使用空气中的氧分子，而是基于循环载氧体在两个反应器（空气反应器和燃料反应器）内实现氧的转移，避免煤与空气直接接触。煤在燃料反应器内燃烧生成CO2和H2O，只需经过低能耗的冷凝过程就能实现CO2的高浓度富集。氮氧化物是燃煤电站主要大气污染物之一，目前有关煤化学链燃烧过程中氮氧化物的释放特性的研究鲜有报道，且燃料氮在煤化学链燃烧过程中的迁移机理更是尚未可知。因此，本文围绕燃煤化学链燃烧过程中氮氧化物生成及演变机理研究的目标，首次针对燃料氮在煤化学链燃烧过程中的迁移机理进行了系统研究。
首先基于化学热力学分析，研究了不同载氧体对燃料氮迁移机理的影响，研究表明，载氧体的化学组成显著影响煤化学链燃烧过程中燃料氮的转化特性。基于镍基载氧体，在1kWth串行流化床反应器上，将煤化学链燃烧过程中的挥发分氮和焦氮释放过程进行分隔，针对煤中的挥发分化学链燃烧阶段燃料氮的迁移机理和释放特性，以及煤焦与NiO载氧体的固-固反应过程中焦氮的释放特性开展研究。研究表明，在燃料反应器内，燃料氮释放的中间产物HCN被NiO载氧体中的晶格氧氧化，导致NO的生成，而中间产物NH3向着N2生成的方向进行;在空气反应器内，氮氧化物的构成主要是燃料型NO，其来源于随循环载氧体进入空气反应器内燃烧的燃料反应器内未转化的焦炭;燃料反应器温度越高，燃料反应器内焦炭转化的份额越大，随循环载氧体进入空气反应器内燃烧的焦炭量越少，空气反应器内焦炭燃烧排放的NO越低。
在1kWth串行流化床反应器上，以南菲赤铁矿石和纽曼赤铁矿石作为载氧体，分别开展了20h和40h的长时间煤化学链燃烧实验研究，研究了不种煤基燃料（神华烟煤、淮北无烟煤、徐州烟煤、煤焦）的化学链燃烧特性，考察了铁矿石载氧体在串行流化床内交替氧化还原过程中的物化性能，以及燃料氮的释放规律。研究表明，赤铁矿石载氧体在长时间煤化学链燃烧过程中，再生性能优良，与煤气化产物具有较强的亲和力，并未发生明显的烧结，体现了良好的抗磨损性能;揭示了燃料反应器出口烟气中未转化的可燃性气体主要来自于煤中的挥发分;煤中的挥发分含量越高，煤颗粒在燃料反应器内转化的份额越大，CO2捕集效率越高;在燃料反应器温度为880℃～970℃时，燃料反应器出口烟气未检测到NO和NO2，仅有微量的N2存在，并且在燃料反应器内煤中燃料氮转化为N2的比例随碳捕集效率升高而增加。受煤热解气化产物与载氧体的气-固反应动力学速率的影响以及化学热力学的制约，燃料反应器出口烟气含有少量的可燃还原性气体，能够在燃料反应器的稀相区将NO还原为N2;在燃料反应器内，煤颗粒和气化介质进行强烈的气化反应，形成的煤灰质地松软，比重较轻，漂浮在燃料反应器床层上部，被气流携带出燃料反应器，煤灰中未完全转化的焦炭，反应活性高，能将烟气中的NO还原为N2。
为深入揭示煤化学链燃烧过程中燃料氮的迁移转化行为，在小型单流化床反应器上，开展煤挥发分和焦炭的化学链燃烧研究，探讨挥发分氮和焦氮在化学链燃烧过程中的转化特性，首次提出了基于煤化学链燃烧过程中燃料反应器内燃料氮转化的多相反应机理，即:在煤化学链燃烧过程中，挥发分以及焦炭气化产物与载氧体颗粒接触，燃料氮转化的中间产物HCN和NH3吸附在载氧体颗粒表面，被载氧体晶格氧中的活性O*原子氧化，实现燃料氮的非均相转化。
化学链氧解耦燃烧是化学链燃烧的一种方式，利用具有释氧功能的金属氧化物作为载氧体，载氧体在燃料反应器内高温分解，释放的氧气和煤进行燃烧反应。以钙铝水泥为惰性载体，采用机械混合-挤压成型造粒法，制备了新型CuO载氧体，在小型单流化床反应器上，分别考察了煤在空气燃烧和氧解耦燃烧过程中燃料氮的转化特性，首次揭示了燃料氮在氧解耦燃烧过程中迁移转化机理;和常规的煤流化床燃烧相比，发现了化学链氧解耦燃烧过程会导致较多的NO2的生成，其主要原因是在化学链氧解耦燃烧过程中，燃料反应器存在大量的CuO载氧体，NO会吸附在CuO表面，被CuO表面的高活性O*原子所氧化生成NO2;另外，氮氧化物前驱物HCN和NH3与载氧体颗粒中的CuO以及Cu2O接触，进行异相反应，生成NO2。
- 作 者：
- 宋涛
- 学科专业：
- 动力工程及工程热物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 东南大学
- 导师姓名：
- 沈来宏
- 学位年度：
- 2014
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
