流化床增壓富氧燃燒機(jī)理研究

Southeast

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

University背景介紹Poxy-FBC氣固流動(dòng)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(fēng)，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(shè)備的尺寸等。成本！市場(chǎng)

技術(shù)

科學(xué)Southeast

UniversityPoxy-FBC氣固流動(dòng)壓力升高，氣泡尺寸較??；流化數(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(lèi)顆粒）臨界流化速度（最小鼓泡速度）的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)于不同的壓力和氣氛，氣體密度的差異是導(dǎo)致Umf不同的主要因素；Poxy-FBC氣固流動(dòng)100001000001000000110100RemfAr計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)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(shí)測(cè)0.85~1.0mm計(jì)算0.3~0.35mm實(shí)測(cè)0.3~0.35mm計(jì)算0.1~0.15mm實(shí)測(cè)0.1~0.15mm計(jì)算200300

400

500

600Temperature

(OC)Umf

(m/s)公式擬合與驗(yàn)證基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的Umf計(jì)算式3Southeast

University2gpmfgdU

g

(

p

g

)

g32.062

0.037

32.06

dg p

Poxy-FBC氣固流動(dòng)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(guò)量氣體將床層流化，并以0.125L/min的速度降低風(fēng)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(dòng)Southeast

UniversityPoxy-FBC氣固流動(dòng)序號(hào) 作者 關(guān)聯(lián)式 實(shí)驗(yàn)條件1Wen

&

Yu2Richardson3Babu4Grace5Chitester6Saxena7Thonlimp8Sangeetha9Barbosa10chev11擬合公式Southeast

University1barSoutheast

University2bar3bar4bar5bar6barPoxy-FBC氣固流動(dòng)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(guò)可視化以及差壓計(jì)算測(cè)得的臨界流化速度可靠性較好。Southeast

UniversityPoxy-FBC氣固流動(dòng)Poxy-FBC單顆粒富氧燃燒兩色測(cè)溫+熱電偶測(cè)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(cè)量與修正兩色測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫相互結(jié)合與驗(yàn)證兩色測(cè)溫：脫揮發(fā)分時(shí)間、揮發(fā)分火焰溫度分布、焦炭燃燒溫度、焦炭燃燒時(shí)間等。熱電偶測(cè)溫：顆粒燃燒全過(guò)程溫度（顆粒中心與近表面）、脫揮發(fā)分時(shí)間、焦炭燃燒時(shí)間，不同時(shí)刻顆粒溫度梯度分布。顆粒加熱過(guò)程中、揮發(fā)分火焰均會(huì)對(duì)熱電偶測(cè)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(cè)溫原理溫度T的灰體中發(fā)射的輻射強(qiáng)度(Eλ,T)與輻射波長(zhǎng)(λ)的關(guān)系為對(duì)同一灰體，灰體輻射率相同，聯(lián)立2個(gè)不同波長(zhǎng)下(λ1，λ2)方程求解，

,1

,2特定波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)顏色值關(guān)系每個(gè)像素點(diǎn)選取紅、綠、藍(lán)三種顏色中任意兩色值，A為相機(jī)與操作等帶來(lái)的誤差值，通過(guò)黑體爐標(biāo)定擬合公式。相機(jī)狀態(tài)的調(diào)整，保證測(cè)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(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗(yàn)值驗(yàn)證A值準(zhǔn)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(yīng)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(guò)程中表面局部有殘留的灰分，均會(huì)對(duì)這些點(diǎn)的測(cè)溫有影響，但不影響對(duì)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(cè)量修正修正公式：式中，α1,α2—顆粒內(nèi)外介質(zhì)對(duì)熱電偶的放熱系數(shù)；λ1,λ2—熱電偶的熱導(dǎo)率，λ1=λ2

；U1,U2—熱電偶的截面周長(zhǎng)，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(zhǎng)度。降低熱電偶管套的厚度、熱導(dǎo)率以及增加埋在顆粒中熱電偶的長(zhǎng)度均可以降低熱電偶測(cè)溫誤差。熱電偶測(cè)溫修正Southeast

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

6

8

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

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

1000

1200測(cè)溫誤差來(lái)源于加熱與干燥過(guò)程（顆粒內(nèi)外溫差）以及揮發(fā)分燃燒過(guò)程（火焰溫度引起溫差）。結(jié)合熱電偶測(cè)溫曲線(xiàn)與燃燒過(guò)程的

圖片，判斷不同燃燒過(guò)程的持續(xù)時(shí)間以及各個(gè)過(guò)程溫度分布信息；燃燒三個(gè)過(guò)程會(huì)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(shí)（干燥時(shí)間）10%30%0246810121421%氧氣濃度時(shí)間/s10%30%101520253035404550時(shí)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(shí)-

；揮發(fā)分析出特性與 種類(lèi)相關(guān)，碳化程度越高，析出越慢；干燥時(shí)間-溫度曲線(xiàn)（120-180℃）；隨著氧濃度升高，析出速率加快（火焰溫度升高，對(duì)顆粒輻射著火延時(shí)與 種類(lèi)（水分含量等）加熱增加）；相關(guān)，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(guò)程與揮發(fā)分析出過(guò)程有所！脫揮發(fā)分時(shí)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(shí)間/s煤焦燃燒焦炭燃盡時(shí)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(guò)程中，煤焦燃盡時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)CO2氣氛下的 氮轉(zhuǎn)化率CO2氣氛下煙氣中SO2/CO濃度曲線(xiàn)(850℃)Time

(s)熱解過(guò)程中含氮?dú)鈶B(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(shí)驗(yàn)原煤及不同壓力下熱解殘焦XPS分峰擬合曲線(xiàn)(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?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物，且高CO2分壓促進(jìn)熱解過(guò)程中氮的轉(zhuǎn)化率；高濃度CO2通過(guò)影響揮發(fā)分產(chǎn)量及硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率來(lái)影響硫的遷移。高CO2分壓加速煤中硫鐵礦的分解，并促進(jìn)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(shí)驗(yàn)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?yàn)楦邏涸鰪?qiáng)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(shì)。且壓力升高對(duì)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(fēng)板高度/cmO2

濃度/%O20306090120150180NH32N

OHCNSO2濃度/ppmNO0060123456O2NON

O2SO2O2濃度/%0120

180

240

300

360

420

480

540

600時(shí)間/s270240210180150120906030300濃度/ppm0

60012345O2NON

O2SO2120

180

240

300

360

420

480

540

600時(shí)間/sO2濃度/%0煤加壓燃燒實(shí)驗(yàn)330

6

270306090120150180210240濃度/ppm060012345678O2NON

O2SO2120

180

240

300

360

420

480

540

600