关于预氧化调节对煤在O?/CO?/H?O气氛中加压条件下燃烧过程中挥发分释放及NO?排放影响的实验研究

《Fuel》：Experimental study on the effect of pre-oxidation regulation on coal devolatilization and NO x emission during char combustion in O 2/CO 2/H 2O atmosphere under pressurized conditions

本研究采用加压水平炉实验系统，探究预氧化温度（750–1000℃）、氧气浓度（0.5–10%）、气化剂及停留时间（1–7min）对煤粉解离阶段CO、CO2、CH4和NOx生成的影响，以及预氧化处理后chars在O2/CO2/H2O气氛中燃烧的NOx生成特性。结果表明，低氧浓度预氧化可有效促进CO生成并抑制NOx排放，最佳条件为1.3MPa下800℃、2%O2浓度，此时总NOx排放最低。预氧化策略通过调控解离阶段chars结构及燃烧阶段活性位点，协同抑制两阶段NOx生成，为加压富氧燃烧系统优化提供理论依据。

　　在当前全球能源结构转型和碳排放控制目标日益迫切的背景下，煤炭作为主要能源之一，其清洁高效燃烧技术的开发显得尤为重要。传统的空气燃烧方式由于氮气的稀释效应，导致二氧化碳捕集成本高、系统效率低，难以满足低碳发展的需求。相比之下，氧燃烧技术通过使用高纯度氧气代替空气，能够生成高浓度二氧化碳（体积分数>90%）的烟气，从而显著降低碳捕集的成本，成为碳捕集、利用与封存（CCUS）技术中备受关注的一种方式。随着技术的进步和应用场景的拓展，氧燃烧技术正逐步从示范和试点阶段向实际应用迈进，尤其是在煤炭资源丰富的国家，如中国和澳大利亚，其推广具有重要的现实意义。

为了进一步提升氧燃烧技术的性能，研究人员开始探索预氧化技术的应用。预氧化技术是一种创新的煤前处理方法，其核心在于在燃烧前对煤或焦炭进行氧化处理，以调控其孔隙结构、表面功能基团和燃料活性。这一过程能够在一定程度上提高燃烧效率，同时有效控制氮氧化物（NO?）的生成。预氧化技术最初应用于气体燃烧领域，通过回收废气热量对空气进行预热，从而实现低氧浓度下的燃烧，降低NO?排放。随后，该技术被引入到煤粉燃烧过程中，证实了其在减少NO?方面的有效性。基于这一理念，中国科学院工程热物理研究所开发了自持式预氧化燃烧技术，该技术通过在较低温度和较低空气当量比下预氧化煤粉，生成低NO?浓度但富含还原性气体的烟气，进而进入主燃烧室，实现超低NO?排放。

预氧化技术的引入不仅有助于提高燃烧效率，还能显著降低燃烧过程中NO?的生成。其作用机制主要体现在以下几个方面：首先，在预氧化阶段，较低的温度和氧浓度能够抑制煤中氮元素的氧化反应，从而减少NO?的生成；其次，预氧化过程中，煤中的碳和氢元素会生成丰富的还原性气体（如CO、H?和CH?），这些气体能够促进煤中释放的氮元素还原为氮气（N?）；最后，预氧化处理后的焦炭在主燃烧室中能够直接参与焦炭-NO的异相还原反应，同时，预氧化过程中产生的还原性气体与焦炭共同作用，进一步促进NO?的均相还原反应。这些机制使得预氧化技术成为控制氧燃烧过程中NO?生成的重要手段。

然而，尽管预氧化技术在降低NO?排放方面展现出良好的潜力，其在高压氧燃烧环境下的应用仍面临一些挑战。首先，高压环境改变了气固反应的动力学行为，影响了气体与固体之间的传质过程和反应路径。其次，预氧化与高压燃烧之间的协同机制尚未完全明确，需要进一步研究以优化其效果。此外，预氧化程度（包括温度、时间、气氛等）与高压燃烧参数之间的关系仍缺乏系统性的探讨，尤其是在复杂的压力场条件下，预氧化对NO?生成特性的影响机制尚不清晰。因此，针对高压氧燃烧环境，深入研究预氧化技术的作用机制，探索其在控制NO?生成方面的优化策略，对于推动清洁燃烧技术的发展具有重要意义。

本研究旨在探讨预氧化技术在高压氧燃烧环境下的应用潜力，特别是在减少NO?排放方面的效果。通过构建一个高压水平炉实验系统，研究人员对煤粉在预氧化阶段的脱挥发分过程进行了详细分析，并考察了不同预氧化条件（如温度、氧浓度、气化剂种类及停留时间）对脱挥发分阶段生成的CO、CO?、CH?和NO?的影响。此外，还研究了焦炭在高压氧/二氧化碳/水气氛下燃烧时的NO?生成情况。通过对脱挥发分阶段和焦炭燃烧阶段NO?生成的综合分析，研究人员提出了一种适用于高压氧燃烧的预氧化策略，以实现NO?的有效控制。

研究结果表明，在脱挥发分阶段对煤粉进行低氧浓度的预氧化处理，能够促进还原性CO的生成，同时抑制NO?的形成。在1.3 MPa压力、800℃温度和2%氧浓度的条件下，NO?的生成量最低。而在预氧化后的焦炭燃烧阶段，2%氧浓度处理得到的焦炭表现出最低的NO?生成水平。这说明在脱挥发分阶段，通过适当调节氧浓度和温度，可以有效控制NO?的生成。此外，研究还发现，提高预氧化阶段的反应温度、延长脱挥发分阶段的停留时间（在脱挥发分程度达到80%的前提下）以及在低氧浓度范围内合理调节氧浓度，均有助于提高脱挥发分阶段的脱挥发分程度，从而进一步降低NO?的排放。

本研究不仅验证了预氧化技术在高压氧燃烧环境下的应用可行性，还为优化清洁燃烧系统的设计提供了理论依据。通过将预氧化技术与高压氧燃烧技术相结合，研究人员能够更有效地控制燃烧过程中NO?的生成，同时提升燃烧效率和系统整体性能。这为未来实现超低NO?排放的煤燃烧技术提供了新的思路和方法，同时也为推动碳中和目标的实现提供了技术支持。

为了更全面地评估预氧化技术在高压氧燃烧中的应用效果，研究人员还对实验材料进行了详细的准备。实验所使用的煤样为神华烟煤，其近似分析、元素分析和发热量数据均在表1中给出。这些数据为后续实验提供了基础参数，有助于准确评估不同预氧化条件对燃烧产物的影响。实验方法分为两个阶段：脱挥发分阶段和预氧化焦炭燃烧阶段。在脱挥发分阶段，研究人员考察了不同氧浓度、温度和停留时间对气体产物生成的影响，同时关注了碳转化为不同气体产物的效率。在焦炭燃烧阶段，实验条件包括1.3 MPa的压力和O?/CO?/H?O气氛，以模拟实际燃烧环境。

通过实验分析，研究人员发现，预氧化温度和氧浓度是影响脱挥发分阶段气体产物生成的关键因素。在1.3 MPa压力下，800℃温度和2%氧浓度的组合能够最大程度地降低NO?的生成，同时提高还原性气体的产量。此外，实验还表明，不同气化剂对脱挥发分过程中的气体产物生成具有显著影响。例如，使用O?/CO?/H?O混合气氛进行预氧化，能够促进焦炭氮元素的迁移，使其更容易转化为HCN和NH?等还原性气体，从而减少NO?的生成。然而，当水蒸气浓度过高（超过10%）时，会释放出更多的氢自由基，这些自由基可能促进碳基质的凝聚，降低焦炭表面的活性结构，从而影响NO?的生成。因此，合理控制预氧化气氛中的氧和水蒸气浓度，对于优化NO?的生成具有重要意义。

在焦炭燃烧阶段，研究人员进一步探讨了预氧化处理对NO?生成的影响。实验结果显示，经过预氧化处理的焦炭在高压氧燃烧环境下表现出更低的NO?生成水平。这表明，预氧化不仅能够改变煤的物理化学特性，还能在燃烧过程中有效抑制NO?的形成。同时，实验还发现，延长焦炭在主燃烧室中的停留时间，有助于进一步降低NO?的排放，因为更多的反应时间可以促进NO?的还原反应。此外，通过调整主燃烧室中的氧气浓度，可以进一步优化燃烧过程，提高NO?的控制效果。

本研究的结论表明，预氧化技术在高压氧燃烧过程中具有显著的NO?控制作用。通过在脱挥发分阶段对煤粉进行适当的预氧化处理，可以有效减少NO?的生成，并提高燃烧效率。研究还提出了一种适用于高压氧燃烧的预氧化策略，即通过调节预氧化温度、氧浓度和停留时间，优化煤粉的脱挥发分程度，从而实现NO?的定向控制。这一策略不仅为未来清洁燃烧系统的优化提供了理论支持，也为实际工程应用提供了可行的方案。

综上所述，预氧化技术在高压氧燃烧环境下的应用，为实现超低NO?排放的煤燃烧技术提供了新的发展方向。通过深入研究预氧化过程中的物理化学变化，以及其与燃烧阶段之间的协同作用，研究人员能够更全面地理解NO?的生成机制，并提出针对性的控制策略。这不仅有助于提高燃烧效率，还能显著降低污染物排放，为实现碳中和目标提供了有力的技术保障。未来，随着对预氧化技术研究的不断深入，其在实际工程中的应用前景将更加广阔。