氧燃烧（oxyfuel）技术是一项能对燃煤过程中产生的多种污染物（CO2、NOx、SO2等）进行有效控制并协同脱除的新型燃烧方式。本文重点针对该方式下钙基固硫及固硫产物的二次分解、煤焦氮的释放以及煤焦对 NO还原等问题，采用 AspenPlus模拟分析了 O2/CO2方式下煤粉燃烧废弃物的释放特性，结合多相平衡、气固反应动力学分析了直接固硫和间接固硫的特性、固硫及硫酸钙分解动力学机理，结合多工况下高温煤焦的燃烧、煤焦还原NO的量子化学计算，探讨了高浓度CO2气氛下煤焦氮的转化、煤焦对NO的还原作用规律。
采用Aspen Plus软件模拟了煤在富氧气氛（O2/CO2以及O2/RFG）和O2/N2气氛下的燃烧过程。比较了各气氛下不同燃烧温度以及脱硫剂添加对燃烧后污染物排放的影响。结果表明：O2/N2环境下 SO2释放量最大，烟气循环气氛下释放量最小，体积浓度最大。空气气氛下NOx转化率最高。炉温升高，三种气氛下SO2排放量和体积浓度均增加，高于1200℃时排放量趋于平衡。高温下NOx的释放量和转化率都不断增大。CO的生成受温度影响较大。添加钙基固硫剂大大抑制了污染物的释放，烟气循环下对污染物的控制效果更好。
对CaCO3的受热分解和直接固硫间接固硫过程进行了热力学分析，在考虑不同气体分压等条件下获得CaCO3分解的吉布斯自由能。利用热分析仪进行碳酸钙直接硫化实验，采用未反应收缩核模型推导出一种利用测试数据计算化学反应速率常数和SO2反应级数的办法，并得到反应级数为0.745。利用获得的参数模拟实验工况，发现模拟和实验相符合。
在SO2、O2气体扩散和氧化钙烧结的基础上建立了CaSO4高温煅烧转化数学模型。以程序升温惰性气氛下的实验数据为依据获得煅烧反应速率常数，借助模型研究了不易测量的物理参数变化，并对恒温工况下硫酸钙分解特性进行讨论。结果显示对程序升温和恒温，未反应核外层 SO2和 O2含量先增多后减少，恒温下曲线更为平缓。两种工况下产物层平均比表面积和平均孔隙率均逐渐减小。程序升温下减小趋势在初始和最终时间段较大，恒温下减小趋势缓慢下降。两种工况下提高气氛中不同气体的分压能有效阻止CaSO4高温转化，温度对CaSO4高温转化较灵敏。
利用热重分析以及热力学计算方式，探讨了空气和 O2/CO2工况下加入各种氧化物和煤灰对CaSO4高温转化的作用。结果显示添加不同添加剂均能减小硫酸钙的转化炉温，提高分解率。两种气氛下煤灰对 CaSO4转化的促进作用最强，CaO对 CaSO4转化的作用不明显。不同矿物质对CaSO4高温分解的影响规律不同。在氧燃烧条件下添加剂促使CaSO4分解向高温移动，分解率降低。采用热力学计算方法探讨了部分添加剂对硫酸钙高温分解的作用。结果发现添加 Fe2O3后温度为940℃时硫酸钙就开始分解，添加SiO2温度为1000℃时硫酸钙开始分解，而纯CaSO4分解温度达到1260℃。
在水平管式高温炉上采用恒温和程序升温方式在不同气氛下分析了原煤焦、去灰煤焦、添加矿物质去灰煤焦燃烧过程中氮的释放规律。同时还考察了氧燃烧条件下添加矿物质煤焦对气氛中NO的异相还原规律。结果表明，相同气氛下去灰煤焦NO释放量要多于原煤焦。恒温以及程序升温工况下添加KOH、NaOH、CaO促进了煤焦氮的释放，添加过渡金属氧化物Fe2O3抑制了煤焦氮的转化。提高碱金属和碱土金属的添加量的去灰煤焦，NO排放量提高。程序升温和恒温条件下改变O2、CO2浓度时矿物质对煤焦氮的释放影响均有变化，不同的矿物质下去灰煤焦氮的释放不同。提高温度，碱金属和碱土金属去灰煤焦促进煤焦氮的释放。但Fe2O3随温度升高，对NO的形成起到阻碍作用。
通过模拟氧燃烧条件下烟气进行了煤焦-NO异相还原实验。结果显示，添加剂对气氛中NO的还原有很强的催化作用。添加剂量大于一定值时对去灰煤焦和气体NO之间的还原反应的影响优势相对越来越小。最后采用量子化学密度泛函理论对NO分子在煤焦表层的分解进行了分析。结果表明，NO分子首先以二聚体形式吸附于煤焦表面，NO二聚体是NO在煤焦表面分解的重要中间体结构。对六种二聚体吸附结构的稳定性进行了比较，得出了最稳定性的吸附结构。
- 作 者：
- 闫志强
- 学科专业：
- 热能工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 华中科技大学
- 导师姓名：
- 邱建荣
- 学位年度：
- 2015
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
