颗粒大小对颗粒煤高温热改性特性影响的实验研究

《Fuel》：Experimental investigation of particle size effects on high temperature thermal modification characteristics of granular coal

该研究系统考察了0-4mm四类粒径煤颗粒在CFB预热燃烧系统（850-950℃）中的改性特征，发现0-4mm颗粒在850-900℃时燃烧效率达96.77%，因破碎过程延长停留时间抑制NOx生成；而0-2mm颗粒因孔隙结构优化（表面积增42%）在900℃时反应活性增强，但NOx排放升至231mg/m3。950℃高温下，颗粒结构趋于均质化，0-4mm颗粒燃烧效率波动缩小至<2.3%，但NOx生成加剧。微观表征表明，破碎过程（0-4mm）增加碳缺陷浓度，促进反应活性，而0-2mm颗粒因热应力导致孔隙退化。研究揭示了粒径与孔隙演化、燃烧效率及污染物排放间的关键权衡关系，为工业级CFB锅炉应用颗粒煤提供了理论支撑。

　　这项研究围绕着煤颗粒在循环流化床（CFB）预热燃烧系统中的改性特性展开，系统地分析了不同粒径（0–0.355 mm、0–1 mm、0–2 mm 和 0–4 mm）煤颗粒在850-950℃温度范围内的行为表现。通过实验观察和数据对比，研究揭示了煤颗粒在不同粒径和温度条件下对挥发分释放、孔隙演变以及污染物排放的影响。研究的核心在于探讨如何在提高燃烧效率和热值的同时，控制氮氧化物（NOx）等污染物的生成，以实现更环保、更高效的燃煤发电。

在850-900℃的温度区间内，0–4 mm的煤颗粒表现出最佳的燃烧性能。燃烧效率达到96.77%，气体热值达到2.86 MJ/Nm3。这种优异表现得益于煤颗粒在高温下的逐步破碎过程，延长了其在燃烧系统中的停留时间，同时有效抑制了热NOx的形成。相比而言，0–2 mm的煤颗粒在900℃时形成了更优化的孔隙结构，其表面积增加了42%，并提升了反应活性。然而，这种提升伴随着NOx排放的增加，达到231 mg/m3。这是由于燃料中的氮元素在高温下更活跃，导致氧化反应加剧，从而产生更多的NOx。在950℃时，热处理促使煤颗粒的结构趋于均匀，燃烧效率的变化范围缩小至2.3%以内，但0–4 mm颗粒的NOx生成量却有所上升。这表明，随着温度的升高，虽然燃烧效率更加稳定，但不同粒径的煤颗粒在污染物排放方面的表现存在差异。

研究还利用先进的表征技术，深入探讨了煤颗粒在热处理过程中的关键机制。例如，0–0.355 mm的煤颗粒在热应力下表现出孔隙结构的退化，这可能与其较小的粒径和较高的表面积有关。而通过拉曼光谱分析发现，破碎后的0–4 mm煤颗粒中碳缺陷浓度显著增加，这种变化与反应活性的提升密切相关。研究进一步揭示了燃烧性能与污染物排放之间的关键权衡关系：0–4 mm颗粒虽然能够实现分阶段的NOx控制，但需要优化其在系统中的停留时间；而较小的颗粒则更倾向于快速反应，但需要采取措施减少燃料氮的转化。这种权衡关系对于实际应用中如何选择合适的煤颗粒粒径、优化燃烧系统设计具有重要的指导意义。

在背景部分，研究指出随着碳中和目标的不断推进，中国电力行业正在增加可再生能源发电的比例。然而，目前的可再生能源发电仍存在一定的局限性，包括装机容量不足和经济性不强等问题。因此，燃煤发电仍然是中国电力供应的主要来源，约占总发电量的60%。鉴于此，配备循环流化床锅炉的燃煤发电机组成为实现负荷调节的重要手段。循环流化床锅炉因其独特的循环结构和热能储存能力，在负荷调节方面展现出显著优势。例如，Zhu J等人[7]开发了一种预热燃烧耦合系统，使得240 t/h锅炉的负荷调节范围能够从50%降至32%，同时将NOx排放降低至29 mg/m3，并提高了主蒸汽温度22℃。Tong F等人[8]则通过火焰熄灭的负荷调节试验，在350 MW超临界机组上实现了85分钟的接近零负荷运行，保持了床温下降速率的控制在1.7℃/min以内，并确保了干运行状态下过热度超过38.9℃。Zhang C等人[9]进一步优化研究发现，将一次风比降低至42%，并实施烟气再循环（40-60 km3/h）可使NOx排放减少27%；同时，调整钙硫比至2.2能够有效控制SO?的排放。此外，煤颗粒的细化（小于8 mm）还能减少飞灰中的碳含量达3%。Qiao等人[10]验证了火焰熄灭的热备用技术，使得在1 MW负荷下实现110分钟的稳定运行，但同时也发现高压缸的温度差为56℃，成为主要的运行限制。这些研究结果表明，通过先进的燃烧控制策略和系统优化方法，现代燃煤发电系统在实现灵活、低排放运行方面具有良好的技术可行性。

尽管如此，循环流化床锅炉在负荷调节方面仍然面临一定的挑战。例如，其负荷响应速度较慢，控制策略较为复杂，且在蒸汽参数与机组功率输出之间的动态协调方面存在困难，这使得自动化水平的要求更高。此外，由于设备如高压流化风机在低负荷状态下仍需持续运行，导致辅助功率消耗较高，进而提高了电厂的用电成本。同时，频繁的负荷变化可能加速加热面和耐火材料的磨损，对机组的长期可靠性构成潜在威胁。因此，如何在提高燃烧性能的同时，有效控制污染物排放，成为当前研究的重点。

在燃料改性方面，中国科学院工程热物理研究所开发的预热燃烧技术表现出良好的燃料适应性，并具有较快的反应动力学特性。小规模煤粉炉的实验结果表明，其负荷调节速率可高达4.17%/min。然而，工业规模的CFB锅炉通常使用0–10 mm的煤颗粒，而该技术最初是为煤粉设计的，这可能导致一定的操作挑战。因此，研究通过对比分析不同粒径煤颗粒与煤粉在预热燃烧中的性能差异，探讨了其在负荷调节、经济性和环境影响方面的表现。研究结果表明，使用粒径煤颗粒的CFB锅炉在经济性方面表现更优，并在负荷调节方面具有更大的潜力。

研究进一步指出，将预热燃烧技术应用于粒径煤颗粒可以显著提升负荷调节能力，同时降低燃料准备成本。然而，粒径煤颗粒的燃烧动力学和传热特性与煤粉存在明显差异，这可能对实际运行带来一定的限制。目前，关于粒径煤颗粒预热燃烧的研究仍显不足。因此，本研究采用双阶段的研究方法：第一阶段是对粒径煤颗粒在预热燃烧过程中的基本特性进行分析；第二阶段则是开发先进的应用技术，以实现深度负荷调节和快速负荷调整。本研究重点聚焦于第一阶段，通过对改性后的粒径煤颗粒燃烧性能的实验评估，为后续研究奠定基础。与以往研究主要关注单一燃料粒径下的煤颗粒改性不同，本研究强调对不同粒径煤颗粒在不同温度条件下的改性特性进行系统分析。通过量化粒径对热处理过程中孔隙缺陷演变的影响，以及燃烧过程中污染物排放的权衡关系，本研究为将模块化的预热燃烧系统扩展到工业规模的CFB锅炉提供了重要的参考价值。

在实验装置方面，研究构建了一套预热改性装置（PMD）和CFB反应器，以及相应的辅助支持系统，其设计热功率为65 kW。该系统采用Cr25Ni20耐热钢制造，并配备100 mm厚的隔热棉，以减少热损失并保持运行稳定性。燃料改性过程首先在PMD中进行，其中原料煤在受控条件下经历气化和部分燃烧。这一过程能够有效调节煤颗粒的物理和化学特性，从而提升其在后续燃烧阶段的性能表现。

研究还指出，粒径煤颗粒在热处理过程中的性能变化具有显著的粒径依赖性。不同粒径的煤颗粒在高温下的行为表现存在差异，这种差异可能与颗粒的表面积、孔隙结构以及热传导特性有关。通过对比分析，研究发现粒径煤颗粒在热处理过程中的挥发分释放效率、孔隙结构演变以及污染物排放特征均受到粒径的影响。例如，0–4 mm的煤颗粒在热处理过程中表现出较高的挥发分释放效率，而0–0.355 mm的煤颗粒则在高温下出现了孔隙结构的退化。此外，粒径较大的煤颗粒在热处理过程中可能更倾向于形成稳定的孔隙结构，从而提升其反应活性。然而，这种提升往往伴随着NOx排放的增加，这可能与燃料氮的氧化反应增强有关。

研究进一步强调了燃烧性能与污染物排放之间的权衡关系。例如，粒径较大的煤颗粒虽然能够实现更高效的燃烧，但其在高温下的破碎过程可能导致NOx排放的增加。而粒径较小的煤颗粒虽然具有更快的反应动力学特性，但其在高温下的氧化反应可能更加剧烈，从而产生更多的NOx。因此，在实际应用中，如何在提高燃烧效率的同时，有效控制NOx排放，成为一项重要的研究课题。

在实验分析中，研究发现不同粒径的煤颗粒在热处理过程中的行为表现存在显著差异。例如，0–4 mm的煤颗粒在850-900℃时表现出最佳的燃烧效率和热值，而0–0.355 mm的煤颗粒则在高温下出现了孔隙结构的退化。这种差异可能与煤颗粒的物理特性、热传导能力以及反应动力学有关。此外，研究还指出，粒径较大的煤颗粒在热处理过程中可能更倾向于形成稳定的孔隙结构，从而提升其反应活性。然而，这种提升往往伴随着NOx排放的增加，这可能与燃料氮的氧化反应增强有关。

研究进一步探讨了不同粒径煤颗粒在不同温度条件下的改性特性。例如，在850-900℃时，0–4 mm的煤颗粒表现出最佳的燃烧性能，而在950℃时，其NOx排放量有所上升。这表明，随着温度的升高，虽然燃烧效率更加稳定，但不同粒径的煤颗粒在污染物排放方面的表现存在差异。因此，在实际应用中，如何在不同温度条件下优化煤颗粒的粒径选择，成为一项重要的研究课题。

此外，研究还指出，不同粒径的煤颗粒在热处理过程中的行为表现可能受到其物理和化学特性的影响。例如，粒径较大的煤颗粒在热处理过程中可能更倾向于形成稳定的孔隙结构，从而提升其反应活性。然而，这种提升往往伴随着NOx排放的增加，这可能与燃料氮的氧化反应增强有关。因此，在实际应用中，如何在不同粒径的煤颗粒中找到最佳的燃烧性能与污染物排放之间的平衡点，成为一项重要的研究课题。

研究还指出，不同粒径的煤颗粒在热处理过程中的行为表现可能受到其物理和化学特性的影响。例如，粒径较大的煤颗粒在热处理过程中可能更倾向于形成稳定的孔隙结构，从而提升其反应活性。然而，这种提升往往伴随着NOx排放的增加，这可能与燃料氮的氧化反应增强有关。因此，在实际应用中，如何在不同粒径的煤颗粒中找到最佳的燃烧性能与污染物排放之间的平衡点，成为一项重要的研究课题。

综上所述，这项研究系统地分析了不同粒径煤颗粒在CFB预热燃烧系统中的改性特性，探讨了其在不同温度条件下的行为表现，并揭示了燃烧性能与污染物排放之间的关键权衡关系。研究结果表明，粒径较大的煤颗粒在热处理过程中表现出较高的燃烧效率和热值，而粒径较小的煤颗粒则在高温下出现了孔隙结构的退化。同时，粒径较大的煤颗粒在热处理过程中可能更倾向于形成稳定的孔隙结构，从而提升其反应活性，但这种提升往往伴随着NOx排放的增加。因此，在实际应用中，如何在不同粒径的煤颗粒中找到最佳的燃烧性能与污染物排放之间的平衡点，成为一项重要的研究课题。