高压、高H2O浓度对流化床内煤/生物质燃烧特性的影响

Compared with the regular oxy-fuel combustion, the proposed pressurized O2/H2O combustion technology in fluidized bed can achieve stable fuel feeding, high system efficiency and water recovery. How the high pressure and high steam concentration influence the combustion characteristics of fuel is one of the key issues needed to be addressed. By introducing “two-color thermometry” and “buried thermal couple” temperature measurement techniques on an existed visualized setup, the accurate on-line measurement of the temperature field around the fuel particle will be obtained. By means of “isotopic tracing” and “in-situ gas sampling”, also the gas products can be monitored on-line. Combined with the characterization on the physicochemical property of the nascent char, the influence mechanism of pressure and atmosphere on the devolatilization, ignition, structure and combustion behavior of the nascent char will be clarified. Also the interactive routines among the O2-char, CO2-char and H2O-char reactions under pressurized Oxy-FBC condition will be revealed. Then by building up a single-particle combustion model, how the pressurized O2/H2O mode affect the combustion by diffusion and/or heterogeneous reaction will be finally solved. The successful implementation of this project will enrich the knowledge on pressurized oxy-fuel combustion and provide database for the reactor design and further scale-up of the pressurized O2/H2O combustion technology in fluidized bed.

相对于常规富氧燃烧，流化床增压O2/H2O燃烧具有给料稳定、系统效率高和回收利用H2O的优势。高压、高H2O环境对流化床内燃料颗粒燃烧特性的影响是实现本技术的关键问题之一。在现有高温可视化实验装置上采用“双色测温”和“热电偶埋入测温”手段实现燃料颗粒内部及周围温度场的准确在线测量，在连续加料实验装置上通过“同位素示踪”和“气体原位取样”实时监测气体产物，结合新生焦物理化学特征表征，研究流化床O2/H2O气氛下压力对燃料脱挥发分、着火行为和新生焦结构及燃烧行为的影响机理，解析增压流态化条件下焦炭-O2、焦炭-H2O与焦炭-CO2的反应动力学及其竞争促进机制，建立颗粒尺度燃烧模型揭示高压水蒸气通过组分扩散和非均相化学反应实现燃烧反应调控的途径。项目的实施将建立流化床增压O2/H2O燃烧理论，为反应器设计和系统放大提供依据。

富氧燃烧技术是十分具有发展前景的CO2捕集技术之一，但是目前限制其商业化应用的瓶颈是能耗过高。作为新一代的富氧燃烧技术-增压O2/H2O燃烧具有系统效率高和污染物排放低等优势而逐渐引起关注。高压、高H2O环境对流化床内燃料颗粒燃烧特性的影响是实现本技术的关键问题之一，本项目围绕这一关键问题开展燃烧机理研究。搭建多功能可视化流化床燃烧实验平台，并引入“双色测温”和“热电偶埋入测温”手段实现燃料颗粒燃烧过程中火焰和颗粒温度场的准确测量，突破了燃料颗粒内部和周围的温度场测量难题，并结合图像与温度等信息获取丰富燃烧信息实现对燃烧阶段的准确区分，定量揭示高压、高H2O气氛对燃料颗粒燃烧过程的影响机制；通过开展流化床热解和燃烧实验，探索了不同气氛等条件下焦炭的物化结构特性差异，并通过真实流态化条件下燃烧实验获取O2/N2、O2/CO2以及O2/H2O条件下煤焦的燃烧反应动力学；结合同位素示踪等先进手段实现加压富氧燃烧条件下气化反应与氧化反应的交互作用的定量分离；结合实验数据，建立可用于真实流态化条件下的可靠的颗粒尺度燃料燃烧模型，获得了压力、氧浓度、气氛以及温度等操作参数对燃烧过程中着火、脱挥发分、焦炭燃烧以及颗粒温度等的影响机制，揭示了高压、高H2O条件对燃料颗粒燃烧过程影响的根本途径。项目的完成丰富了流化床增压富氧燃烧理论，为反应器设计和系统放大提供依据。项目执行期间，研究成果以本项目为第一致谢发表SCI论文11篇；申请发明专利4项，其中授权2项；培养博士后2名，博士研究生2人，硕士研究生3人。在项目执行期间项目负责人入选第四批国家万人计划青年拔尖人才，获2019年国家自然科学基金优秀青年科学基金资助，并荣获2018年教育部自然科学奖二等奖1项（排1）。

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