生物质焦与煤混合燃烧特性及动力学分析

利用热重分析天平,采用非等温燃烧的方法对生物质热解产物——生物质焦与两种无烟煤混合试样的燃烧特性及其反应动力学参数进行了实验研究,考察了不同配比的混合试样的着火温度、燃烧速率最大时温度、燃尽温度和最大燃烧速率等燃烧特征参数,求出了反应的动力学参数活化能Ea和指前因子A.结果表明:活化能和指前因子均随混煤中生物质焦比例的增加而降低,存在动力学补偿效应;煤中掺入生物质焦后,试样燃烧的第一阶段和第二阶段的活化能分别呈现出"U形"曲线和"阶梯形"曲线的规律,且对混合燃料热解过程的作用要优于对固定碳燃烧过程的作用;活化能的计算表明生物质焦的存在有助于改善煤的着火性能,对煤的燃烧有催化促进作用.     

燃烧化学动力学研究2013年度报告

燃烧为现代社会提供了约80%的能源,在工业、运输、国防等领域均具有不可替代的作用。当前,燃烧学逐步从宏观现象学转向注重亚微尺度的湍流模拟和原分子层次的燃烧化学动力学研究,深入了解燃料组分、分子结构和燃烧条件与燃烧效率及污染物排放等的关系。开展对于航空燃料和新兴生物质燃料的燃烧本质和机理研究,在国家安全和能源战略等方面都具有重要意义。该年度主要针对真空紫外光电离技术在燃烧研究中的应用、航空燃料重要组分和生物质燃料燃烧化学动力学等方面开展了研究工作。在真空紫外光电离技术在燃烧研究中的应用方面,课题组将同步辐射真空紫外光电离质谱技术应用于常压层流预混火焰、煤热解和生物质热解等方面的研究,并在国际权威燃烧学期刊刊登文章,介绍对基于同步辐射的燃烧诊断方法的突破性发展以及在燃烧研究中的开拓性应用。在航空燃料重要组分和生物质燃料燃烧化学动力学研究方面,针对航空燃料重要组分甲基环己烷的热解及燃烧开展了实验和动力学模型研究,针对仲丁醇的热解和燃烧、正丁醇掺混的甲烷同轴扩散火焰和丙酸甲酯的低压热解开展了实验和动力学模型研究,对这些热点生物质燃料的燃烧化学动力学问题开展了深入的探索。     

条浒苔与稻壳混烧过程的TG-MS-FTIR分析

为了研究海藻类生物质和陆生生物质的混烧特性,分别选择海藻类和陆生生物质中具有代表性的条浒苔和稻壳2种物质进行混合燃烧试验(质量比为1∶1),并采用TG-MS-FTIR联用分析仪研究条浒苔、稻壳及其混合物的燃烧过程,采用质谱仪在线监测了H_2O,NO,CO_2,NO_2,SO_2等气体产物,通过MS-FTIR综合分析了燃烧过程中的气体产物.结果表明:燃烧过程大致可分为3个阶段,即水分析出阶段、挥发分析出燃烧阶段、固定碳燃烧与燃尽阶段;混合燃烧可以较大程度地降低NO,NO_2,SO_2等有害气体的排放量;条浒苔完全燃烧的时间要滞后于稻壳,在稻壳燃烧过程中,加入条浒苔能使其提前着火燃烧.     

多组分重油单液滴着火与燃烧特性

该文研究了3种多组分重油单液滴在高温环境下的着火、微爆和燃尽特性。通过管式炉实验，记录了单液滴重油在着火和燃烧过程中的特征时间和特征直径的变化规律。实验发现重油的着火延迟时间和燃尽时间与组分、温度、初始直径密切相关。由于重油液滴的组分复杂且沸点不同，因此在燃烧过程中发生的膨胀对其燃烧特性有重要影响。热重质谱(thermogravimetric-mass spectrometry, TG-MS)分析的结果可以较好地解释膨胀的频率和幅度。实验结果表明：3种样品的膨胀次数与TG-MS结果中热解峰的数量一致，膨胀幅度与热解峰的高度呈正相关；多组分重油燃烧过程发生了明显的微爆现象。该文定义了液滴燃烧过程中的微爆强度，并发现其与重质组分占比、液滴初始直径和温度呈正相关关系。     

生物质闪速热解挥发与温度的关系

分别在750K，800K，850K，900K温度下，对几种典型生物质材料在层流炉上进行了闪速热解挥发实验，利用灰分示踪法测定了挥发百分比，根据实验结果，分析了温度与生物质挥发百分比的关系，结果表明，挥发百分比与温度存在着一定的函数关系，为进一步研究生物质闪速热解液化提供了一定的理论基础。     

生物质燃料催化氧化燃烧机理

定性实验验证了两种固态催化氧化剂MnO2和KMnO4的催化氧化性能.选取有代表性的生物质燃料秸秆和锯末,探讨了MnO2固相催化氧化燃烧生物质燃料机理.采用热重分析法,对锯末这种生物质燃料在空气氛围中以MnO2为催化剂的燃烧过程进行了对比研究,结果表明,添加MnO2能显著改善生物质燃料的燃烧性能,降低燃料的着火温度,提高燃料的燃烧速度,使燃料的燃烧过程更集中.采用X射线衍射分析法, 证明了燃烧过程中氧化还原反应的发生.     

煤在流化床燃烧过程中硫的释放

评述了煤的化学组成和操作工艺条件对煤在流化床燃烧过程中硫释放的影响。研究表明，有机硫与黄铁矿硫的燃烧行为存在着重大差异。煤灰中含有多种固硫活性组分，煤灰固硫的数学模型有待于发展。     

复合生物质燃烧性能的数值模拟及实验

为探究复合生物质的燃烧性能,以圆筒形燃烧室的锅炉为例,利用FLUENT软件建立数学燃烧模型,并选取玉米秸秆、棉秆、木屑和稻秆4种生物质作为模拟燃烧的燃料。分析4种生物质单独燃烧时燃烧室中心截面的温度分布,结合分析结果将玉米秸秆分别和木屑、稻秆按照不同的质量配比方案进行混合燃烧模拟,并对4种生物质及复合生物质做单烧及混烧实验验证。研究结果表明：4种生物质燃烧时燃烧室中心截面最高温度的排序为玉米秸秆>棉秆>木屑>稻秆,玉米秸秆的最高温度比其它3种生物质高100K以上;生物质的燃烧性能受一次风速、风温及自身含水率的影响较大;混烧明显好于单烧,实验验证玉米秸秆与木屑、稻秆的最佳质量配比分别为3:1、7:3,此时燃烧室中心截面的最高温度混烧比单烧分别提高90K和92K,且复合生物质提高了单一生物质的燃烧性能。     

生物质与煤的混合燃烧实验研究

为了解生物质和煤的混燃特性,利用热天平对生物质、煤及其混合试样进行了热重实验研究,考察各试样的着火温度、燃烧速率最大时温度、燃尽温度和最大燃烧速率等燃烧特征参数,并对实验数据进行了分析处理,求出了反应的动力学参数活化能E和频率因子A.结果表明,同烟煤比较,生物质有较低的燃烧特征温度和较快的燃烧速率;在烟煤中加入生物质共燃后,着火燃烧提前,同时可以获得更好的燃尽特性.     

国外生物质发电技术研究进展

概述了生物质与煤混烧技术在国内外的应用现状,列举了欧洲几家煤粉炉和循环流化床生物质与煤混烧发电实例,指出生物质与煤混合燃烧是一种综合利用生物质能和煤炭资源并同时降低污染排放的新型燃烧方式,其大规模应用对我国发展生物质与煤混烧发电具有指导意义。     

城市生活垃圾在流化床中的流动特性

为了建立城市生活垃圾在循环流化床中燃烧的模型,该文选取了几种生活垃圾的典型组分,通过冷态流化实验研究了它们在流化床中的流动特性。实验发现床料的作用使得不同垃圾流化特性趋于一致,保持在密相区运动;垃圾对床料的流化有抑制作用。该文选取聚乙烯塑料颗粒做为生活垃圾的代表,建立了床料与塑料类物质相互作用模型,定量地描述了床料对于塑料颗粒的作用,并以此为基础,探讨了塑料颗粒在循环流化床密相区内的运动规律。     

富氧条件下碱金属对煤与生物质混烧特性的影响

将贫煤与生物质及去碱金属生物质混合进行热重燃烧实验,研究了生物质中碱金属和富氧气氛对煤燃烧特性的影响。实验结果表明,富氧条件能够有效降低固定碳燃烧部分的着火温度和燃尽温度,30%氧浓度的O2/CO2气氛下煤的综合燃烧特性指数S与空气气氛相比从1.93% 2/℃ 3·min 2提高到3.05% 2/℃ 3·min 2,掺混生物质后燃烧性能进一步得到改善,综合燃烧特性指数提高到了5.57% 2/℃ 3·min 2;当贫煤中掺混去碱金属生物质后,综合燃烧特性指数介于原煤和掺混生物质煤之间;对煤掺混Na、K、Ca     

煤与生物质掺混燃烧特性

为实现能源高效清洁利用,利用热重分析法分别研究不同煤(兰炭、大同无烟煤)和生物质(稻壳、烟梗和玉米芯)以及二者混燃性能,分析生物质掺混种类、水洗预处理、掺混比例和升温速率对煤与生物质掺烧的着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性以及动力学特性的影响。结果表明:相比于煤单独燃烧,生物质与煤掺烧的着火温度和燃尽温度降低,煤的燃烧性能有所改善;预处理使燃烧曲线向高温区偏移,碱金属元素对燃料热解燃烧存在催化作用;随着稻壳掺混比例的提高,煤与生物质掺烧特性得到进一步提升,混合燃料反应活化能降低;提高升温速率,兰炭与稻壳燃烧曲线向高温区移动,综合燃烧特性指数增大,混合燃料反应活化能进一步减小;30%稻壳和70%兰炭混合燃料在升温速率20℃/min下燃烧产生协同效应。实验结果为煤和生物质在火力发电行业的应用提供参考和理论依据。     

武汉郊区农村民用生物质燃烧PM2.5排放特征

选取武汉市木兰乡的木柴、竹子、油料作物秸秆(大豆秸秆和花生秸秆)4种当地典型民用生物质进行炉内燃烧实验,对燃烧排放的细颗粒物(PM_(2.5))进行采集和分析。结果表明,不同生物质的PM_(2.5)排放因子相差较大,油料作物秸秆的PM_(2.5)排放因子明显高于竹子和木柴,并且木柴的PM_(2.5)排放因子随含水率增加而增大。碳组分是4种生物质燃烧烟气PM_(2.5)的主要成分,TC占PM_(2.5)的55. 55%～87. 91%。油料作物秸秆的TC排放因子最高达5. 61 g/kg,为木柴的12. 5倍。油料作物秸秆有机碳/元素碳(OC/EC)比值最高达10. 69,远远高于木柴燃烧烟气PM_(2.5)的OC/EC比值(1. 88),表明油料作物秸秆燃烧对二次气溶胶形成具有重要影响。4种生物质燃烧烟气PM_(2.5)中重金属元素Cr、Mn、Ni、As、Cd、Pb的排放因子有较大差异,其中油料作物秸秆的重金属排放因子均明显高于木柴。研究表明,当地普遍使用的木柴的燃烧烟气PM_(2.5)及其碳组分和重金属的排放因子远低于其他3种生物质,且干木柴的排放因子明显低于湿木柴。因此,建议当地村民使用风干状态下的木柴进行炊事活动,对油料作物秸秆利用其他方式处理,以减少对大气环境的不良影响。     

煤在流化床燃烧过程中硫的释放

评述了煤的化学组成和操作工艺条件对煤在流化床燃烧过程中硫释放的影响.研究表明.有机硫与黄铁矿硫的燃烧行为存在着重大差异.煤灰中含有多种固硫活性组分.煤灰固硫的数学模型有待于发展.     

碳质石煤与生物质混合焙烧过程的热分析研究

以湖北襄樊的碳质石煤为原料，通过热力学理论分析和热分析实验对石煤与生物质混合共焙烧过程进行研究。结果发现：混合焙烧过程中，各种物质反应的先后顺序为有机质的氧化反应→黄铁矿的氧化反应→钒的氧化反应；生物质的加入为打破石煤中的云母晶格提供了大量的热量，使石煤中的还原性物质反应温度降低且反应时间缩短，对石煤的脱碳与焙烧起相应的促进作用。     

生物质垃圾与煤混烧污染特征的研究

对不同配比复合垃圾衍生燃料做实验试烧,并对燃烧产生的NOx、SO2等燃烧排放污染物进行了监测.利用扫描电镜(SEM)和能谱(EDX)结合联用技术观察了生物质垃圾与煤混合压制燃料的燃烧颗粒的微观形态特征.结果表明,随着生物质比例的加大,发现飞灰颗粒有细化的现象.Cl元素的排放主要出现在燃烧初期.钾的主要存在形式是氯化钾.飞灰颗粒的所有能谱分析中并没有检测到重金属元素的存在.     

塑料和生物质在循环床内燃烧特性的实验研究

以PVC和木屑分别作为塑料和生物质燃料的典型代表,通过实验研究观察影响燃烧过程产生的可燃气体CO、 CH4、 H2等分布特征的主要因素,充分分析了这两种燃料在循环流化床内的燃烧特性.实验结果表明: PVC和木屑表现出了强烈的挥发分燃烧特性,即挥发分在高温条件下迅速热解,然后随气流分布在整个炉膛内燃烧;炉膛内的温度呈"凸抛物线"型分布;木屑燃烧过程中,随着一次风率的提高,炉膛出口CH4、 H2和CO浓度提高;PVC燃烧过程中,炉膛出口CO和CH4浓度极低.实验过程中还在实验台炉膛出口发现一定浓度的H2, 与260 t/d垃圾焚烧的工业测试中发现的情况一致.     

输液管与典型医疗废物组分的混合热解特性

为研究聚氯乙烯(PVC)类与其他典型医疗废物组分的混合热解特性,利用差热热重分析仪在氮气气氛下对输液管(TT,含PVC)和塑料、橡胶、生物质、蛋白质及合成纤维类废物样品分别进行了混合热解实验,研究其混合热解行为与规律.结果表明:输液管与其他废物样品混合热解后,均发生了明显或微弱的相互反应;混合反应机制归因于输液管中主要成分PVC在热解时的HCl析出现象,并分别在自由基转移作用、添加剂影响、酸碱中和驱动引起的Ca+对氯的固定作用、酸催化作用下程度不同地促进了各混合物的热解,使对应的失重峰比单独组分的失重峰都要提前;较高温度时PVC的共轭烯烃链裂解在混合物中的影响较小,对应的失重峰与单独组分的失重峰相比没有太大变化.     

面向碳中和与先进动力的燃烧反应动力学研究方法进展

氢、氨、电子燃料、生物燃料等零碳及低碳燃料的清洁燃烧是实现碳中和目标的客观选择；而合成航煤、稠环烃类、多元混合燃料的高效燃烧与先进空天动力的发展息息相关。这些新型燃料的燃烧反应动力学是深入理解其燃烧过程、发展新的燃烧组织模式及燃烧器的基础。当前，建立新型燃料的可预测性动力学模型依然存在诸多挑战：一方面迫切需要宽范围条件尤其是极端条件及多物理场条件下的准确的实验数据；另一方面需要高效的燃烧反应动力学模型分析和优化方法。该文综述了近年来本研究团队发展的燃烧反应动力学基础实验方法和模型分析及优化方法，包括更为详细的燃烧组分信息的获取、更低温度下燃料点火数据的测量、等离子辅助燃烧的组分诊断等实验方法，以及燃烧反动动力学模型的降维、灵敏性及不确定性分析、实验设计、模型优化和简化方法等。