流化床增壓富氧燃燒機理研究

Southeast

University1流化床增壓富氧燃燒機理研究匯 ：段倫博東南大學能源與環(huán)境學院Southeast

University背景介紹Poxy-FBC氣固流動Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒Poxy-FBC排放特性下一步工作展望12345Southeast

UniversityR&Dof

oxy-FBC

in

China6kWt

&

50kWtoxy-CFB

system2.0MWt

multi-functionaloxy-CFB

system2.5MWt

IBHX-CFBcombustor20142012201050kWt

warm-recycleOxy-CFB

systemSingles

particlecombustion

facility20102006Develop

the

in-bed

heatexchanger

for

high

O2

concentration

applicationThepilot

oxy-CFBwithflue

gas

recycle

in

China2.0MWt

oxy-CFBcombustor

with

a100kg/h

bubbling

bedpyrolysis

reactorStudy

combustioncharacteristic,emissionof

solid

fuelA

transparent

FB

to

studythe

mechanism

of

coalcombustion

in

oxy-FB50kWth

oxy-PFBCcombustor

for

the

2nd

generationdevelopment201450kWth

oxy-PFBC

combustorConceptual

design

oa

300MWe

USC

OxyCFB

Power

Plant2016常壓增壓背景介紹避免壓力先降后升的功損；避免漏風，降低CPU的功耗；提高水蒸氣

，易回收潛熱；改善煤焦燃燒速率；降低了鍋爐等設備的尺寸等。成本！市場

技術

科學Southeast

UniversityPoxy-FBC氣固流動壓力升高，氣泡尺寸較?。涣骰瘮?shù)升高，尺寸增大并趨于合并，穩(wěn)定性變差。增壓流化床（B類顆粒）臨界流化速度（最小鼓泡速度）的實驗研究；增壓流化床氣泡行為特性（大小、頻率、尾渦等）研究。Southeast

University0.51.50.00.10.20.30.40.51

0Pressure

(MPa)Umf

(m/s)0

85~1

0mm

quartz

sand

0

3~0

35mmquartz

sand0

1~015mm

iron

powder0.130℃，N2氣氛0

00.10

20

30.4Umf

(m/s)0

85~1

0mm

quartz

sand0

3~0

35mm

quartz

sand0

1~0

15mm

iron

powder0.12400℃，N

氣氛1

00

00.10

20

30.40

5Pressure(MPa)Umf

(m/s)0

85~1

0mm

quartz

sand

0

3~0

35mm

quartz

sand0

1~0

15mm

iron

powder0.1200℃，N2氣氛0

00.10

20

30

5

1.0Pressure

(MPa)Umf

(m/s)0

85~1

0mmquartz

sand

0

3~0

35mm

quartz

sand0

1~015mm

iron

powder0

5 1

0

0.1Pressure

(MPa)2800℃，N

氣氛壓力升高，Umf下降，且減小幅度隨著溫度的升高而降低；且壓力變化對大顆粒的Umf的影響較為明顯；0.01.00.00.20.30.5Pressure

(MPa)Umf

(m/s)0.3~0.35mm,

N20.3~0.35mm,

CO20.85~1.0mm,

N20.85~1.0mm,

CO2400℃Southeast

University同樣的溫度和壓力條件下，CO2氣氛下的Umf的要小于N2氣氛下；壓力升高，CO2與N2氣氛下Umf的差值逐步增加；對于不同的壓力和氣氛，氣體密度的差異是導致Umf不同的主要因素；Poxy-FBC氣固流動100001000001000000110100RemfAr計算值與試驗值的相對誤差：平均：3.70%;

最大：12.46%01007008009000.000.050.100.150.200.250.450.400.350.300.85~1.0mm實測0.85~1.0mm計算0.3~0.35mm實測0.3~0.35mm計算0.1~0.15mm實測0.1~0.15mm計算200300

400

500

600Temperature

(OC)Umf

(m/s)公式擬合與驗證基于試驗數(shù)據(jù)擬合得到的Umf計算式3Southeast

University2gpmfgdU

g

(

p

g

)

g32.062

0.037

32.06

dg p

Poxy-FBC氣固流動臨界流化速度（可視化）可視化流化床尺寸：截面：200mm*34mm視窗：100mm*200mm；N2氣氛下，用過量氣體將床層流化，并以0.125L/min的速度降低風量，直至氣泡完全

；氣泡采用1000幀/秒快速CCD拍攝；Poxy-FBC氣固流動Southeast

UniversityPoxy-FBC氣固流動序號 作者 關聯(lián)式 實驗條件1Wen

&

Yu2Richardson3Babu4Grace5Chitester6Saxena7Thonlimp8Sangeetha9Barbosa10chev11擬合公式Southeast

University1barSoutheast

University2bar3bar4bar5bar6barPoxy-FBC氣固流動473K573K673K773K373K隨著壓力和溫度升高，臨界流化速度均有下降，且下降速率降低；通過可視化以及差壓計算測得的臨界流化速度可靠性較好。Southeast

UniversityPoxy-FBC氣固流動Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒兩色測溫+熱電偶測溫（兩根）可視化增壓流化床；視窗:100*200

mm；溫度:＜950

℃；壓力:1.6MPaSoutheast

University12溫度的測量與修正兩色測溫與熱電偶測溫相互結合與驗證兩色測溫：脫揮發(fā)分時間、揮發(fā)分火焰溫度分布、焦炭燃燒溫度、焦炭燃燒時間等。熱電偶測溫：顆粒燃燒全過程溫度（顆粒中心與近表面）、脫揮發(fā)分時間、焦炭燃燒時間，不同時刻顆粒溫度梯度分布。顆粒加熱過程中、揮發(fā)分火焰均會對熱電偶測溫產(chǎn)生影響，需修正！Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒Southeast

University13LE

,T

,T

1

E

,T

1

L

,T2

2

A

R

GGln

L

,T

,T

R

C2

1

G

1

R

L

ln

A

5ln

T

,TSoutheast

University1452

C1E

exp

C

T

1兩色測溫原理溫度T的灰體中發(fā)射的輻射強度(Eλ,T)與輻射波長(λ)的關系為對同一灰體，灰體輻射率相同，聯(lián)立2個不同波長下(λ1，λ2)方程求解，

,1

,2特定波長下的輻射強度與對應顏色值關系每個像素點選取紅、綠、藍三種顏色中任意兩色值，A為相機與操作等帶來的誤差值，通過黑體爐標定擬合公式。相機狀態(tài)的調(diào)整，保證測溫范圍內(nèi)選用的顏色值低于255（即不飽和）。Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒100011001300140010001100120013001400溫度（K）1200溫度（K）標準值實驗值驗證A值準確性擬合A值公式最大誤差小于7

K，溫度大于1273

K區(qū)域（燃燒反應集中區(qū)域）誤差小于3.2

K。-2-1210301

2

3

4

5y

=

-0.0105x4

+

0.1351x3

-

0.6395x2

+

0.442x

+

2.3747R2

=

0.99976850-1075Ky

=

59.037x5

-

96.201x4

+

59.005x3

-

16.979x2

+

1.8731x

+

2.5165R2

=

0.9912Southeast

University152.62.552.52.452.42.35-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.71100-1275KPoxy-FBC單顆粒富氧燃燒揮發(fā)分火焰尾部有少量未完全燃燒碳煙，煤焦燃燒過程中表面局部有殘留的灰分，均會對這些點的測溫有影響，但不影響對揮發(fā)分和焦炭燃燒的研究。Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒Southeast

University管內(nèi)流體溫度測量修正修正公式：式中，α1,α2—顆粒內(nèi)外介質(zhì)對熱電偶的放熱系數(shù)；λ1,λ2—熱電偶的熱導率，λ1=λ2

；U1,U2—熱電偶的截面周長，U1=U2；F1,F2—熱電偶的截面積，F(xiàn)1=F2;L1,L2—顆粒內(nèi)外熱電偶的長度。降低熱電偶管套的厚度、熱導率以及增加埋在顆粒中熱電偶的長度均可以降低熱電偶測溫誤差。熱電偶測溫修正Southeast

UniversityPoxy-FBC單顆粒富氧燃燒020040060014001200100080023000340320360400380420480460440500溫度（℃）24

6

8

0時間（s）200400溫度（K）600時間（s）床層溫度顆粒外表面溫度020080010001200200400600800100012001400溫度（K）400

600時間（s）顆粒外表面溫度（10%O2/90%CO2）修正后溫度曲線顆粒中心溫度800

1000

1200測溫誤差來源于加熱與干燥過程（顆粒內(nèi)外溫差）以及揮發(fā)分燃燒過程（火焰溫度引起溫差）。結合熱電偶測溫曲線與燃燒過程的

圖片，判斷不同燃燒過程的持續(xù)時間以及各個過程溫度分布信息；燃燒三個過程會有不同程度交叉。Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒Southeast

University揮發(fā)分燃燒（單顆粒）褐煤10%O2/90N2煙煤21%O2/79N2煙煤10%O2/90N2褐煤21%O2/79N2煙煤30%O2/70N2煙煤10%O2/90CO2煙煤21%O2/79CO2煙煤30%O2/70CO2Southeast

University褐煤30%O2/70N2煤焦燃燒（單顆粒）褐煤10%O2/90N2煙煤21%O2/79N2煙煤10%O2/90N2褐煤21%O2/79N2煙煤30%O2/70N2褐煤30%O2/70N2煙煤10%O2/90CO2煙煤21%O2/79CO2煙煤30%O2/70CO2Southeast

University著火延時（干燥時間）10%30%0246810121421%氧氣濃度時間/s10%30%101520253035404550時間/s21%氧氣濃度10%30%100011001200130014001500160017001800溫度/K21%氧氣濃度

褐煤O2/N2煙煤O2/N2煙煤O/CO2

2揮發(fā)分析出及燃燒著火延時-

；揮發(fā)分析出特性與 種類相關，碳化程度越高，析出越慢；干燥時間-溫度曲線（120-180℃）；隨著氧濃度升高，析出速率加快（火焰溫度升高，對顆粒輻射著火延時與 種類（水分含量等）加熱增加）；相關，幾乎不受氣體組分影響。氧濃度增加，揮發(fā)分火焰面積、峰值和平均溫度均有提高；干燥過程與揮發(fā)分析出過程有所！脫揮發(fā)分時間火焰溫度峰值Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒Southeast

University10%30%02004006008001000120014001600180021%氧氣濃度時間/s煤焦燃燒焦炭燃盡時間焦炭表面溫度峰值10%30%100011001200130014001500160017001800溫度/KSoutheast

University21%氧氣濃度褐煤O2/N2煙煤O2/N2煙煤O2/CO

2富氧燃燒過程中，煤焦燃盡時間低于空氣下燃燒；煤階越低，煤焦越容易燃盡，煤焦表面溫度越高；氧濃度越高，煤焦燃盡時間越短，隨著氧濃度升高，提升速率降低；富氧氣氛下，焦炭表面溫度低于空氣氣氛，隨氧濃度升高差異減小。Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒實驗裝置20kWth

增壓流化床（批次加料）內(nèi)徑:50

mm；高度:1300

mm溫度:＜950

℃；壓力:2.0

Mpa煤/生物質(zhì)燃燒、熱解及污染物排放10kW

增壓流化床（連續(xù)加料）流化床內(nèi)徑：26mm；燃燒段高度：1000

mm溫度:＜950

℃；壓力:2.0

MpaNOx、SOx、顆粒物及重金屬排放特性研究Poxy-FBC排放特性Southeast

University煤加壓熱解實驗020406080100

HCN

concentration

(mg/Nm3)0

12

24

36

48

60

72

84

96

108

120

132

144

156

168

180Time

(s)0.1MPa0.3MPa0.5MPa0.7MPa80100120HCN

concentration

(mg/Nm3)Time

(s)0

1MPa0

3MPa0

5MPa0

7MPa108642012141618SO

concentration(mg/Nm3)20

12

24

36

48

60

72

84

96

108

120

132

144

156

168

180Time/(s)0

1MPa0

3MPa0

5MPa0

7MPa150002000020

25000

CO

concentration

(mg/Nm3)Time

(s)0

1MPa0

3MPa0

5MPa0

7MPa80100

etration

(mg/Nm3)HCN,

CO

atmosphere2HCN,

N2

atmosphereNH

,

CO

atmosphere3

2NH3,

N2

atmosphere0

1MPa 0

3MPa 0

5MPa 0

7MPa64202220Fuel-N

conversion

rate

(%)750oC800oC850oC900oC850℃不同溫度下的煙氣中HCN濃度曲線CO2氣氛下的 氮轉(zhuǎn)化率CO2氣氛下煙氣中SO2/CO濃度曲線(850℃)Time

(s)熱解過程中含氮氣態(tài)產(chǎn)物濃度（

0.5MPa

，850℃

）Poxy-FBC排放特性Southeast

University17417217016816616416216040060080010001200S5S4S3S2S1SumIntensity/(a

u

)B

E

(eV)Envelope708090100S5S4S3S2S1SumIntensity/(a

u

)Envelope708090S5S4S3S2S1SumIntensity/(a

u

)Envelope壓力/MPa原煤0.10.30.50.7w(硫含量)/%2.722.371.931.751.64原煤B

E

(eV)煤焦0.1MPaB

E

(eV)煤焦0.5

MPa煤加壓熱解實驗原煤及不同壓力下熱解殘焦XPS分峰擬合曲線(850℃,CO2氣氛)原煤及不同壓力下熱解殘焦中的硫含量HCN是煤增壓CO2氣氛下熱解的主要含氮氣態(tài)產(chǎn)物，且高CO2分壓促進熱解過程中氮的轉(zhuǎn)化率；高濃度CO2通過影響揮發(fā)分產(chǎn)量及硫轉(zhuǎn)化反應速率來影響硫的遷移。高CO2分壓加速煤中硫鐵礦的分解，并促進氣態(tài)硫和硫鐵礦硫向噻吩硫的轉(zhuǎn)化。Poxy-FBC排放特性Southeast

University煤加壓燃燒實驗020408010012010121416182022O

vol.(

%)2O2CONOSO260Time

(s)0200400600800CO

concentration

(

mg/m3)0200400600800NO

concentration

(

mg/m3)02004006008001000

1000

10003SO2

concentration

(

mg/m

)020408010012012141618202224O

vol.(%)2O2

CO

NO

SO260Time

(s)050010001500200025003000CO

concentration

(

mg/m3)02004006008001000NO

concentration

(

mg/m3)020040060080010003SO2

concentration

(mg/m

)0.7

MPa,

21%O2/79%CO2富氧氣氛下NO、SO2的排放濃度要低于空氣氣氛；富氧氣氛下NO/SO2濃度隨著壓力的增加而逐步降低；在0.7MPa附近，SO2濃度降幅較大，可能是因為高壓增強了灰的自固硫能力。020408010012002040608010012014016060Time

(s)NO

concentration

(mg/m3)0.1MPa0

3MPa0

5MPa0.7MPa0204080100

120040801203Southeast

UniversitySO2

concentration

(mg/m

)0.1MPa0.3MPa0.5MPa0.7MPa(a)NOTime

(s)(b)SO221%O2/79%CO2氣氛下NO/SO2濃度隨壓力變化規(guī)律0.7MPa,

空氣氣氛Poxy-FBC排放特性Southeast

University270.10.30.50.7050100150200250濃度/ppm壓力/MPa

NON2OSO2N2O、SO2和NO濃度隨著燃燒壓力的增加而呈現(xiàn)降低趨勢。且壓力升高對SO2及NO排放影響較為明顯；壓力N2O、SO2和NO排放濃度的影響在低壓段（＜0.3MPa）較為明顯，在高壓段的影響較小。2060012345640距離布風板高度/cmO2

濃度/%O20306090120150180NH32N

OHCNSO2濃度/ppmNO0060123456O2NON

O2SO2O2濃度/%0120

180

240

300

360

420

480

540

600時間/s270240210180150120906030300濃度/ppm0

60012345O2NON

O2SO2120

180

240

300

360

420

480

540

600時間/sO2濃度/%0煤加壓燃燒實驗330

6

270306090120150180210240濃度/ppm060012345678O2NON

O2SO2120

180

240

300

360

420

480

540

600