1、 申请代码：E060407 受理部门：收件日期：受理编号：国家自然科学基金 申 请 书 国家自然科学基金 申 请 书(2 0 0 8 版)(2 0 0 8 版)资助类别：面上项目 亚类说明：附注说明：项目名称：循环型 NO 在 O2/CO2 循环燃烧条件下转化机理的研究 申 请 者：孙绍增 电话：0451-86412238 依托单位：哈尔滨工业大学 通讯地址：哈尔滨工业大学 457 信箱 邮政编码：150001 单位电话：0451-86414151 电子邮件： 申报日期：2008年3月11日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 2 页 版本 1.008.020 基
2、本信息基本信息 yoKWT/OQTnG 姓名 孙孙绍增 性别男 出生年月1963 年 6 月 民 族 汉族 学位 博士 职称教授 主要研究领域煤燃烧,燃烧污染物控制,生物质能 电话 0451-86412238 电子邮件 传真 0451-86412528 个 人 网 页 工 作 单 位 哈尔滨工业大学/能源科学与工程学院 申 请 者 信 息 申 请 者 信 息 在研项目批准号50576020 名称 哈尔滨工业大学 代 码 15000601 联系人 刘伟 电子邮件 依托单位信息 依托单位信息 电话 0451-86414151 网站地址 单 位 名 称 代 码 The University of N
3、ewcastle(Australia)00000000 合作单位信息 合作单位信息 项目名称 循循环型 NO 在 O2/CO2 循环燃烧条件下转化机理的研究 资助类别 面上项目 亚 类 说 明 附注说明 申请代码 E060407:燃烧污染物生成和防治 E060403:煤与其他固体燃料的燃烧 基地类别 预计研究年限 2009 年 1 月 2011 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 申请经费 32.8000 万元 摘 要(限 400 字)：摘 要(限 400 字)：技术经济对比表明，O2/CO2 循环燃烧技术是最具前景的 CO2 减排技术，深刻认识
4、 O2/CO2 煤燃烧中 NOx 排放特性具有重要意义。已有研究表明，循环型 NO 在 O2/CO2 循环燃烧中对最终的 NO 排放具有重要影响。本研究利用高温携带流反应模拟器模拟 O2/CO2气氛制取焦炭样品，利用 CH4/NH3 模拟挥发分。利用一维反应器，在研究 O2/CO2 气氛下煤中燃料 N 释放规律的基础上，分别研究煤中挥发分和焦炭还原循环型 NO 的规律。根据模拟挥发分试验结果，结合碳氢化合物还原 NO 的详细动力学机理和敏感性分析方法，建立挥发份还原循环型 NO 的同相反应机理；根据焦炭还原循环型 NO 的规律，建立焦炭还原循环型NO 的异相反应机理；总结 CO2，O2 浓度和
5、温度等因素在 O2/CO2 煤燃烧过程对燃料型 NO 还原循环型 NO 的影响规律，获得循环型 NO 在 O2/CO2 循环燃烧方式下综合转化路径。为发展O2/CO2 循环燃烧技术提供理论支撑。关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个)O2/CO2 循环燃烧；循环型 NO；燃料型 NO；煤 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 3 页 版本 1.008.020 项目组主要成员项目组主要成员（注:项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。）编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工 每年工作时间（月）1 Terry F W
6、all 1943-8-21 男 教授 博士 The University of Newcastle(Australia)0061-2-49216179 Terry.Wallnewcastle.edu.au 研究方案、理论指导 2 2 钱钱娟 1981-5-29 女 工程师 硕士 哈尔滨工业大学 0451-86413776 实验研究及理论分析 6 3 曹华丽 1983-2-4 女 博士生 学士 哈尔滨工业大学 0451-86412618-517 实验方案及理论建模 10 4 杨杨建成 1981-10-13 男 博士生 硕士 哈尔滨工业大学 0451-86412618-521 实验研究 6 5 胡
7、希东 1985-1-26 男 硕士生 学士 哈尔滨工业大学 0451-86412618-521 实验研究 6 6 王晓宇 1984-5-28 男 硕士生 学士 哈尔滨工业大学 0451-86412618-521 实验研究 6 7 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 7 2 1 2 2 说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。国家自然科学基金申请书 2008 版 第 4 页 版本 1.008.020 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经费 一.研究经费 22.700
8、0 1.科研业务费 10.2000 （1）测试/计算/分析费 2.5000计算 0.5，分析 100*0.02（2）能源/动力费 0.60003 年*0.2 万元/年 （3）会议费/差旅费 4.5000会议注册费：6*0.05+3*0.40，差旅费 10*0.3（4）出版物/文献/信息传播费 1.7000版面费 4*0.2，文献费 0.4，信息费 0.2+3*0.1（5）其它 0.9000办公耗材 3*0.2，邮电费 3*0.1 2.实验材料费 6.5000 （1）原材料/试剂/药品购置费 5.5000标定气样 5*0.3，试验气样 5*0.2+20*0.12+15*0.4（2）其它 1.00
9、00数据采集板 2*0.5 3.仪器设备费 4.2000 （1）购置 1.1000气瓶 10*0.08,耐高温循环风机 0.3（2）试制 3.1000遮热罩 1*1.5,抽气热电偶 2*0.6，取样器 0.4 4.实验室改装费 0.8000烟风道改装 5.协作费 1.0000 二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 5.2500 1.项目组成员出国合作交流 2.25001 人*（0.9 万元/人+30 天*70 澳元/天人）2.境外专家来华合作交流 3.00001 人次*（0.9 万元/人+15 天*0.1 万元/天人)三.劳务费 三.劳务费 3.2500项目组成员的津贴 四.管理费 四.
10、管理费 1.60005%合 计 合 计 32.8000 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配）与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 5 页 版本 1.008.020 报告正文 报告正文（一）立项依据与研究内容 1.项目的立项依据 研究意义 研究意义 温室效应是 21 世纪人类面临的最大规模的环境问题。以化石燃料为主要能源的电力生产中排出的 CO2约占所有人类活动引起 CO2释放总量的 25%，同时它也是最大的固定 CO2释放源，因此，控制和减缓电力生成过程中 CO2排放具有重要意义。减排 CO2的主要
11、措施有如下三个方面1：（1）提高能源转换效率；（2）促进能源替代；（3）CO2的收集、存储。中国在今后几十年内以煤为主的能源结构不会有太大的变化，要降低 CO2的排放量，只能从上述第三个方面寻求突破。因此，无论从减缓气候变化对我国的危害，还是树立我国的国际形象，或未来可能对我国温室气体排放量进行限制的角度来看，我国开展对减缓温室气体排放技术的研究都是非常必要的。常规空气燃烧方式产生的烟气中的 CO2含量约为 15%，使得分离 CO2过程复杂、成本过高。因此，获得高浓度的 CO2是实现高效减排 CO2的前提。富氧燃烧技术（Oxy-fuel），是一种既能直接获得高浓度 CO2，又能实现综合控制燃煤
12、污染物排放的新一代技术。这种燃烧方式是应用纯氧和一部分再循环烟气的混合物代替空气进行燃烧，烟气中 CO2浓度大为提高（90%以上），使得 CO2无须分离即可直接利用和处理，因而大大降低减排 CO2的成本。采用这种 O2/CO2循环燃烧方式还能大幅度地减少 NOx 和 SOx 的排放，既能实现污染物的综合控制，又能大大简化 CO2捕捉系统，是一项非常有前景的洁净煤技术。图 1 富氧燃烧技术原理图 与传统空气燃煤燃烧相比，富氧燃烧技术具有以下几点优势：（1）从排烟中回收 CO2 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 6 页 版本 1.008.020 变得容易；（2）通过减少烟气排放提高了锅炉效
13、率；（3）SO2、NOx 排放量大幅度地减少；（4）理想条件下，可直接压缩烟气，简化了烟气处理系统；（5）部分烟气再循环，使运行过程对煤种的适应性更为灵活。锅炉的效率因热量损失的减少而提高，而电耗较少，净效率有所增加，尽管氧气的生产设备及 CO2压缩设备增加了电耗，但技术经济可行性分析表明，富氧燃烧技术是切实可行的。对于燃煤电站而言，采用该燃烧方式改造现有传统空气燃烧电站锅炉在技术上是可行的，与常规空气燃烧结合尾部 CO2吸收和IGCC等技术相比，在运行经济性上有着相当的优势。在降低 CO2排放的同时，无论采取任何一种控制 CO2的处理方式，NO 依然是不可避免的重要烟气组分之一，为充分利用回
14、收的 CO2，简化烟气处理系统，需要使烟气更加洁净即大大减少 NOx、SOx 等腐蚀性气体；另一方面，控制 NOx 对抑制酸雨、光化学烟雾等危害人类生存环境的污染物的排放大有大有裨益。可见，无论是从安全性、经济性，还是从综合治理污染物排放方面，都需要针对O2/CO2循环燃烧条件下的 NOx 生成、抑制机理展开研究，探索在新型燃烧方式下的 NOx排放规律，从而达到安全生产、改善大气环境的目的。在 O2/CO2循环燃烧条件下，燃烧气氛由空气变为 O2/CO2，煤的燃烧特性与传统方式发生较大的变化。因此深刻揭示O2/CO2煤燃烧过程中 NOx 的脱除特性不仅是一个重要的科学问题，而且对于改进燃烧组织
15、，提高系统效率和可靠性，降低系统成本也有重要意义。国内外研究现状及分析 国内外研究现状及分析 O2/CO2燃烧技术首先是由 Horne 和 Steinburg于 1981年提出的，美国阿贡国家实验室(ANL)的研究证明，只需将常规锅炉进行适当的改造，就可以采用此技术2。关于煤在 O2/CO2气氛下燃烧和传热特性，国外研究者做了大量的工作。Croiset等3对比了 O2/CO2和空气气氛下煤燃烧特性，发现 O2浓度在 28%35%时，煤在 O2/CO2和空气气氛下的火焰温度是相同的。Tan等4在 0.29MW垂直燃烧装置上研究了 O2/CO2循环燃烧下的燃烧特性及污染物释放特性，发现调整 O2浓
16、度及循环烟气比可实现炉内传热及温度分布特性与常规燃烧相似。Wall 等5，6总结对比 O2/CO2循环燃烧和常规燃烧特性，认为要达到常规空气燃烧相似的绝热火焰温度，O2浓度需达到 30%，对应着 60%的循环烟气量。煤在 O2/CO2气氛下 NOx 排放特性与在空气气氛下完全不同。O2/CO2循环燃烧条件下尾部 NOx 来源于两部分7，一部分是燃料型 NO，一部分是循环型 NO，见图 2。循 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 7 页 版本 1.008.020 环型 NO 是在循环部分烟气中所含有的 NO，在重新燃烧过程中，经过进一步反应后，所生成的 NO，是 O2/CO2循环燃烧中所特
17、有的，对总体 NO 排放有极大影响，例如，Yamadea 等8对工业实验炉煤粉燃烧测试表明，O2/CO2燃烧系统中 NOx 的排放与传统空气情况相比可以减少到 25%。对这部分 NO 在炉内的转化特性进行深入认识，有助于加深我们对 O2/CO2循环燃烧过程的理解。图 2 O2/CO2循环燃烧方式下 NO排放示意图 国外学者对这部分内容已开展了部分研究工作。日本的 Kiga 等9发现在 O2/CO2气氛下 NO 排放量减少是由于生成的 NOx 循环回炉内后被还原的缘故。Nozaki 等10在1.2MW 燃烧装置上进行了 O2/CO2煤燃烧实验。研究发现，在煤或焦炭燃烧初期，NOx在火焰中被快速还
18、原为 HCN 和 NH3；循环型 NO 在燃烧区被快速还原，NOx 生成量在O2/CO2燃烧条件下低于常规空气燃烧。Croiset 等11在 0.21MW 实验炉上对比研究常规空气燃烧、O2/CO2燃烧和真实循环烟气燃烧条件下污染物释放特性，发现再循环之后NO排放量相比于 O2/CO2燃烧要降低 40-50%，这部分 NO的还原是由于循环型 NO在进入炉膛内进一步被还原为 N2而引起的。上述研究者认识到循环型 NO对最终 NO排放量降低有一定的作用，但详细的机理研究结果未见报道。Okazaki 等8在小型实验台上研究了 1450K 下，O2浓度 21%时，O2/CO2煤燃烧过程中 CO2浓度、
19、循环型 NO脱除及燃烧 N与循环型 NO相互反应对最终 NO排放特性的影响。实验中用 CH4、NH3代替挥发分，喷入烟煤模拟焦炭燃烧，分别研究无循环型 NO时 CO2浓度对燃料 N转化率 CR的影响，无燃料 N加入时循环型 NO还原率 RR，同时考虑燃料 N及循环型 NO相互作用时 CR 与 RR相互关系。综合单因素实验结果，最后得到上述三个因素对最终 NOx 排放减少的贡献分别为10%，50%80%，10%50%。Hu 等12在携带流反应器上研究了 1273K-1573K 当烟气循环率较低时（0-0.4）循环 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 8 页 版本 1.008.020 型 N
20、O的还原规律。试验中用 O2、CO2和 NOx 的混合物模拟 O2/循环烟气燃烧，配气采用 CO2中 2%的 NO 作为循环型 NO，并测量 HCN、NH3浓度值。研究发现，1373K 下燃料当量比和烟气循环比对循环型 NO 还原效率均有影响，燃料当量比小于 0.5 时，循环烟气中被还原的 NO 不足 10%；当燃料当量比大于 1.4，还原率高达 60%。还原效率随循环率的增大而增大。NH3与循环率和循环型 NO浓度关系不大，HCN随循环率及循环型 NO浓度增大而降低，还发现温度对总的 NO脱除影响不大。此外，Hu 等13还对三种不同挥发分含量的煤在 1373K 时，O2/CO2燃烧条件下，循
21、环型 NO脱除特性进行研究。试验中先不加入循环型 NO研究烟气循环率对不同煤种 NO排放特性的影响。在入口气体中加入 1000ppmNO作为循环型 NO，研究循环型 NO的还原特性随燃料当量比及循环率的变化规律。研究发现，煤种的影响主要体现在：N在挥发分中释放速率以及挥发分 N与焦炭 N之比在贫燃料情况下对 NO排放有关键性影响；煤中 O/N 比和氧化钙含量也可能会有影响。研究发现，循环率对燃料 N 释放和循环型NO的还原有相反作用，详细机理还不清楚，有待进一步研究。近年来，国内也开展了对 O2/CO2燃烧技术的研究，如华中科技大学、华北电力大学、浙江大学、东南大学和哈尔滨工业大学等。但是，国
22、内研究多是研究 O2/CO2气氛下 NO生成特性，很少对循环型 NO的进一步还原有深入研究。华中科技大学王宏等14在卧式管式电炉上，对 O2/CO2和空气气氛下堆积状态煤粉在 7001000时 NOx 释放特性进行了研究。华北电力大学刘彦丰15在气体携带炉上对单颗粒煤焦在高浓度 CO2下的燃烧与气化特性进行了系统的研究。东南大学陈传敏等16利用一维沉降炉研究了 O2/CO2和 O2/N2气氛煤燃烧 NOx 的排放特性。徐敏、邱建荣17利用立式管式电加热炉分析了CH4火焰中CO2的浓度以及过量空气系数对NO降解的影响。于岩、阎维平18，19在气体携带炉上对 O2/CO2和空气气氛下反应温度、反应
23、时间、O2浓度、过量空气系数对 NOx 排放特性的影响进行了研究，从均相和异相反应的角度对 NOx 排放特性进行定性解释。哈尔滨工业大学裴克毅20用数值模拟的方法对比分析了四角切圆锅炉空气燃烧和 O2/CO2燃烧的煤燃烧特性。浙江大学李彦、岑可压等21在一维沉降炉上研究了温度、煤种、过量空气系数对 O2/CO2煤燃烧 NOx 释放特性的影响。实验过程中还利用 CH4、NH3代表挥发分成分，少量煤粉作为固相含氮物质，研究气态、固态两相含氮物质对 NO析出的影响，并对循环烟气中 CO2、NO对最终 NOx 生成作用有一定研究。研究发现，燃料 N与循环型 NO 相互作用对 NO生成率的影响与过量空气
24、 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 9 页 版本 1.008.020 系数、循环型 NO浓度及是否加入煤量有关。综上所述，就研究内容而言，目前研究者对 O2/CO2煤燃烧过程 NOx 排放规律研究较多，但对于循环型 NO 回到炉内重新被还原的特性研究还不完善。有的研究者12，13用 O2、CO2、NO混合物模拟 O2/CO2气氛，有的研究者8，20在用 CH4、NH3代表挥发分成分的同时，用少量煤粉作为固相含氮物质。这两种研究方法均具有不完善的地方，O2、CO2、NO 混合物不能真实反映 O2/CO2煤燃烧条件；用煤粉来考虑焦炭燃烧，煤中挥发分 N被重复考虑。而且研究的温度范围、烟气再
25、循环比、煤种特性都具有局限性。研究循环型NO在O2/CO2循环燃烧方式下被挥发分和焦炭还原的同相及异相反应机理具有很重要的意义，但是针对此所开展的研究工作还并不多见，因此有必要在前人研究基础上，进一步深入探索循环型 NO 在 O2/CO2循环燃烧方式下的生成和消耗机理，为结合我国国情发展富氧燃烧技术提供理论支撑。参 考 文 献 1 H Herzog,E Crake.Long Term Advanced CO2 Capture Options,IEA Greenhouse gas R&D Prog.,Cheltenham,UK,1993 2 A M Wolsk,E J Daniels,B J J
26、ody,Air Waste Manage.Assoc.,1991.41:449-454 3 Yamadea,T Kiga,T Okaua,et al.JSME International Journal,1998.41:1017-1022 4 Yewen Tan,E Croiset,M A Douglas,et al.Fuel,2006.85:507-512.5 B J P Buhre,L K Elliott,C D Sheng,et al.Progress in Energy and Combustion Science,2005.31:283-307.6 T F Wall.Proceedi
27、ngs of the Combustion Institute 31,2007 7 K Okazaki,T Ando.Energy,1997.22:207-215.8 E Croiset,K V Thambimuthu.Greenhouse Gas Control Technologies,1999 Elsevier Science Ltd.:581-585.9 T Nozaki,S Takano,T Kiga,et al.Energy,1997.22:199-205.10 N Kimura,K Omata,T Kiga,et al.Energy Conversion&Management,1
28、995.36:805-808.11 E Croiset,K V Thambimuthu.Fuel,2001.80:2117-2121.12 Y Q Hu,N Kobayashi,M Hasatani.Fuel,2001.80:1851-1855.13 Y Q Hu,N Kobayashi,M Hasatani.Energy Conversion&Management,2003.44:2331-2340.国家自然科学基金申请书 2008 版 第 10 页 版本 1.008.020 14 王宏,邱建荣,郑楚光.燃料化学学报,2001.29(5):458-462 15 刘彦丰.煤粉在高浓度CO2下的
29、燃烧与汽化,博士学位论文,华北电力大学,2001 16 陈传敏,赵长遂.东南大学学报（自然科学版）,2005.35(5):738-741.17 徐敏,邱建荣,李骏.环境科学与技术,2002.25(2):1-3 18 于岩.O2/CO2燃烧技术中NOx排放特性的实验研究及机理分析,硕士学位论文,华北电力大学,2003 19 于岩,阎维平.华北电力大学学报,2004.31(2):28-31.20 裴克毅.火力发电厂CO2减排技术的研究,硕士学位论文,哈尔滨工业大学,2005 21 李彦.O2/CO2煤粉燃烧脱硫及NO生成特性实验和理论研究,博士学位论文,浙江大学,2004 22 W Chen,L
30、D Smoot,T H Fletcher,et al.A Computational Method for Determining Global Fuel-NO Rate Expressions.Part 1.Energy&Fuels,1996.10:1036-1045.23 W Chen,L D Smoot,S C Hill,et al.Global Rate Expression for Nitric Oxide Reburning.Part 2.Energy&Fuels,1996.10:1046-1052.2.项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题 主要研究内容主要研究内容 1.
31、研究煤中燃料 N 在 O2/CO2气氛下转化为 NO 的规律。用 CH4，NH3这两种物质代表挥发分成分，同时利用高温携带流反应模拟器(SHEFR)制得 O2/CO2气氛下的焦炭作为固相含氮物质，在一维反应炉中，分别对煤燃烧过程气态、固态两相含氮物质转化为 NO的特性进行研究，研究 CO2，O2浓度和温度等因素对其转化率的影响规律。2.研究循环型 NO 在 O2/CO2气氛被挥发分还原的规律。在一维反应炉中，模拟 O2/CO2气氛的循环烟气，研究循环烟气中 NO被挥发分还原的特性；并用碳氢化合物再燃还原NO的详细反应机理模拟 O2/CO2气氛下 NO 还原特性以及反应过程中间产物浓度，用敏感性
32、分析方法得到 NO 还原过程中限速反应。求解该限速反应的微分速率方程得到反应速率，获得循环型 NO 同相反应机理。3.研究循环型 NO 在 O2/CO2气氛下被焦炭还原的规律。利用高温携带流反应模拟器在O2/CO2气氛下制得的焦炭，在一维反应炉中研究焦炭还原循环型 NO的规律，得到循环型 NO异相反应机理。国家自然科学基金申请书 2008 版 第 11 页 版本 1.008.020 4.研究循环型 NO在 O2/CO2气氛下被燃料型 NO还原的规律，在一维反应炉中研究挥发分和焦炭共同还原循环型 NO的反应机理，研究 CO2，O2和温度等因素对 NO影响规律。研究目标研究目标 深化认识 CO2，
33、O2浓度和温度等因素在 O2/CO2气氛下对燃料的释放和循环型 NO与燃料 N相互作用的影响规律；了解各影响因素间的相互关系，认识循环型 NO被挥发分和焦炭还原的同相和异相反应机理；获得循环型 NO 在 O2/CO2循环燃烧方式下综合转化路径。拟解决的关键问题拟解决的关键问题 揭示 O2/CO2循环燃烧方式下燃料的释放和循环型 NO 与燃料 N相互作用的规律；建立 O2/CO2循环燃烧方式下挥发分还原循环型 NO的同相反应机理；建立 O2/CO2循环燃烧方式下焦炭还原 NO的异相反应机理。3.拟采取的研究方案及可行性分析 研究方案研究方案 1.利用高温携带流反应模拟器（SHEFR）制取 O2/
34、CO2气氛下焦炭样品。用 CH4和 NH3代替煤中挥发分成分，用焦炭样品代替煤粉喷入甲烷火焰中形成焦炭燃烧，从而实现煤粉燃烧过程气相反应和焦炭燃烧分别考虑。2.利用一维反应器研究 O2/CO2气氛下煤中燃料 N转化为 NO的规律。煤中燃料 N用挥发分中 NH3和焦炭 N模拟。先分别研究挥发分 N和焦炭 N在 O2/CO2气氛的释放规律，再综合研究 CO2，O2和温度对燃料 N的释放规律的影响。3.利用一维反应器研究 O2/CO2气氛下挥发分还原循环型 NO 的特性。利用 CO2、O2、NO混合物模拟循环烟气，分别研究不加入 NH3和加入 NH3对还原循环型 NO 的影响。4.采用碳氢化合物再燃
35、还原NO的详细反应机理模拟O2/CO2气氛NO还原特性以及反应中间产物浓度，采用敏感性分析方法得到 NO 还原过程中限速反应。求解该限速反应的微分速率方程得到反应速率，获得挥发分还原循环型 NO 的同相反应机理（Smoot et al 22,23）。5.利用一维反应器研究在 O2/CO2气氛下 SHEFR制得的焦炭还原循环型 NO的特性，建 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 12 页 版本 1.008.020 立焦炭还原循环型 NO 的异相反应机理。6.利用一维反应器研究 O2/CO2气氛下循环型 NO被燃料型 NO还原的规律，考虑挥发分-N和焦炭-N共同还原循环型 NO，研究 CO2
36、、O2浓度和温度对其 NO影响规律，确定循环型 NO 在 O2/CO2循环燃烧方式下总的转化路径。试验所涉及的仪器：试验所涉及的仪器：1.高温携带流反应模拟器SHEFR（Simulator of High temperature Entrained Flow Reaction）图3 高温携带流反应模拟器SHEFR系统简图 SHEFR上装有美国Mckenna平流火焰燃烧器（FFB），对其做适当修改，加入了适用于煤粉通入的内燃烧器。利用FFB作为外燃烧器，组织CH4/CO/O2火焰产生的热烟气模拟反应环境来加热煤粉颗粒，可实现各种不同气氛的配比，模拟出不同的O2/CO2气氛下的燃烧条件，制取的焦炭
37、用来模拟煤中固相含氮物质。SHEFR的参数：颗粒加热速率可达105/s；加热温度可达1600；颗粒停留时间为10-2000ms。国家自然科学基金申请书 2008 版 第 13 页 版本 1.008.020 供入内燃烧器的气体和粉粒 外燃烧室 保护气供给 烧结铜盘 燃烧器室 水/乙二醇的冷却循环 外燃烧室火焰平焰前沿 带有煤粉的内燃烧器火焰 内燃烧器气体与外燃烧室气体混合76mm 60.7 mm10.9 mm 图4 修改后的燃烧器示意图 2.一维反应炉 冷却油进 急冷 N2 旋风分离器过滤器加热炉 反应管 取样枪 给粉机烟气冷却 排气 烟气分析 干燥瓶 冷却油出 二次反应气CO2,O2,NO）预
38、热炉冷却水进冷却水出一次反应气（O2,CO2,CH4,NH3）图5 一维反应炉系统图 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 14 页 版本 1.008.020 利用O2、CO2、CH4、NH3的混合物模拟一次反应气体，用CO2、O2、NO模拟二次反应气体，可以模拟煤粉颗粒在真实O2/CO2下循环燃烧的气氛。该一维反应炉最高温度可达1350，加热段长度900mm。3.GASMET便携式FT-IR多组分气体分析仪 分辨率：8cm-1；波长范围：900-4200cm-1；扫描速度：10次/秒；测量时间范围：1秒-5分钟；同时定量显示 H2O、CO2、SO2、NO、NO2、N2O、CO、NH3、C
39、H4、HCN 等多种气体组分的分析结果；误差范围：标定量程的 2%；可行性分析可行性分析 上述研究方案的实验部分利用现有实验装置，经过大量实验是可以完成的。根据申请者对碳氢化合物和非碳氢化合物的混气（CH4/CO/H2）还原 NO 的研究，在化学当量比接近于氧化性气氛条件下，CO 和 H2对 NO还原的作用比较弱，因此本研究用 CH4来模拟煤热解产生的挥发分。本研究借鉴 Okazaki8的研究思路并加以改进，将燃料 NO与循环型 NO相互作用的影响因素分开考虑研究。用挥发分（CH4+NH3）和利用 SHEFR制得焦炭的燃烧来分别考虑煤燃烧的气相和固相反应，研究挥发分和焦炭还原循环型NO的规律。
40、在 SHEFR 中，利用 CH4/CO/O2燃烧火焰产生的热烟气来加热煤粉颗粒，可实现不同气氛的配比，能够模拟出不同 O2/CO2气氛下的燃烧条件，制得相应条件下焦炭。在同相反应机理的建立过程中采用 Smoot 等人22,23研究总包速率的计算方法，他们把该方法应用于研究 NO再燃过程(如图 6所示)取得了满意的效果。国家自然科学基金申请书 2008 版 第 15 页 版本 1.008.020 图 6 燃料 N转化途径 实验涉及到的技术和理论在国内或国外均有大量论述及应用。申请者多年来从事和指导煤燃烧实验和数值模拟工作；项目组主要成员 T F Wall 教授（The University of
41、 Newcastle，Australia）是国际著名能源领域专家，是澳大利亚煤科学研究的领军人物，一直从事煤燃烧工作。T F Wall 教授在许多国际燃烧会议上被邀做关于富氧燃烧的报告，在国际能源署（IEA）和亚太气候合作体中从事着富氧燃烧系统研究工作，已发表多篇关于富氧燃烧的文章。该项目组具备完成研究的基本条件。4.本项目的特色与创新之处 本项目的特色在于，针对 O2/CO2煤燃烧过程中循环型 NO还原机理进行深入研究，采用 SHEFR 制得 O2/CO2气氛下焦炭，用挥发分和焦炭来分别考虑煤粉在 O2/CO2气氛下还原 NO 的特性。充分考虑温度及烟气再循环比对循环型 NO还原特性的影响规
42、律，弥补在这一领域研究不足的现状。本项目的创新点有两个：（1）利用 SHEFR 所制焦炭喷入甲烷火焰中代替直接喷入煤粉，反应环境（气氛、温度）接近实际火焰。（2）应用 Smoot 等研究燃料型 NO总包速率的计算方法获得 O2/CO2循环燃烧方式下挥发分还原循环型 NO 的同相反应机理。5.年度研究计划及预期研究结果 年度研究计划年度研究计划 2009 年年 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 16 页 版本 1.008.020 1、文献综述及煤样的收集；2、在 SHEFR 上制备 O2/CO2气氛的焦炭样品；3、一维反应器上 O2/CO2煤燃烧过程燃料 N转化率的实验研究；4、向高水平
43、刊物和 33届国际燃烧会议投送论文 1-2 篇。2010 年年 1、一维反应器上挥发分还原循环型 NO的实验研究；2、建立 O2/CO2气氛下挥发分还原循环型 NO的同相反应机理；3、一维反应器上焦炭还原循环型 NO 的实验研究；4、向高水平刊物投送论文 2-3 篇，参加国际燃烧会议。2011 年年 1、同相反应机理的验证和异相反应机理的建立；2、一维反应器上燃料型 NO还原循环型 NO的实验研究；3、确定循环型 NO在 O2/CO2循环燃烧方式下综合转化路径；4、向高水平刊物和 34届国际燃烧会议投送论文 1-2 篇；5、撰写研究报告，准备结题。预期研究结果预期研究结果 获得 O2/CO2气
44、氛下 O2、CO2浓度和温度对燃料 N转化为 NO的转化率的影响规律；获得 O2/CO2气氛下挥发分还原循环型 NO的特性和同相化学反应机理；获得 O2/CO2气氛下焦炭还原循环型 NO的影响规律和异相反应机理；得到 O2/CO2气氛下循环型 NO被燃料型 NO 还原的规律和循环型 NO在 O2/CO2循环燃烧方式下综合转化路径。（二）研究基础与工作条件 1.工作基础 哈尔滨工业大学近二十年来致力于从事煤粉的低 NOx 燃烧技术的理论与实验研究工作。提出水平浓缩煤粉燃烧方式的构思，“风包粉”和“浓淡燃烧”相结合的思想，发明了系列浓淡煤粉燃烧技术。提出复合低 NOx 排放系统的概念，完成国家电力
45、公司重大课题“低 NOx 排放高稳燃性的煤粉燃烧技术的研究”支持下的示范工作。提出了超细化煤粉再燃的技术路线，完成国家十五“863”计划目标导向类项目“超细化煤粉再燃 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 17 页 版本 1.008.020 低 NOx 燃烧技术研究”，研究开发了具有我国自主知识产权的低成本的 NOx 减排技术，已经在 600MW褐煤锅炉上完成示范并获得推广应用，获得良好的效果。利用快速热天平、一维炉以及高温夹带流反应模拟器（SHEFR）对超细煤粉的燃烧、热解及 NOx 再燃进行了大量的实验研究工作，获得了煤粉再燃的规律。利用高温一维反应器进行多组分气体高温还原条件下再燃还
46、原 NOx 的特性的实验研究，在此基础上进行气体还原 NO化学动力学研究，获得了碳氢化合物和非碳氢化合物混合气体在高温条件下还原 NO 的动力学模型。正在利用一维炉和 SHEFR 对高温还原条件下燃料 N 的转化及焦炭和 NOx 之间的反应规律进行研究。2.工作条件 哈尔滨工业大学燃烧工程研究所拥有煤粉燃烧机理性实验研究所需的先进实验台和测试系统。包括一维沉降炉、高温携带流反应模拟器、一维煤粉燃烧实验台、着火指数炉、瑞士生产的Q851热天平、美国热电尼高力的FTIR、美国安捷伦生产的气相色谱和质谱联用仪（GC-MS）、煤气分析仪、烟气分析仪、便携式红外光谱仪、煤质成分分析的成套测试设备。此外，
47、还拥有本实验将使用的Chemkin软件的使用许可。哈尔滨工业大学分析测试中心还有扫描电子显微镜（SEM）微观结构分析仪、表面X射线能谱仪（EDX）和 X-射线衍射仪（XRD）等设备。3.申请人简历 孙绍增教授孙绍增教授，博士生导师，分别于 1984、1987和 1995年获得哈尔滨工业大学工学学士、硕士和博士学位。1998年作为访问学者在英国 Cardiff University(UWCC)机械工程和能源研究系进修一年，现任哈尔滨工业大学燃烧工程研究所副所长。多年来致力于燃烧理论和燃烧技术，生物质能利用，两相流动以及燃煤大气污染物控制等方面的研究，先后负责国家自然科学基金项目、国家科技部重点科
48、技攻关项目和国家 863重点项目 5项，参加国家 973课题、国家自然科学基金项目和国家科技部重点科技攻关项目 4项，负责国家电力公司重点科技项目 1项。全面负责本课题的研究工作。近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况：近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况：1.秦裕琨，吴少华，孙绍增孙绍增，李争起，马春元，孙锐，李瑞扬等“风控浓淡煤粉燃烧 国家自然科学基金申请书 2008 版 第 18 页 版本 1.008.020 技术”，2001年2月获得国家技术发明二等奖 2.秦裕琨，孙绍增孙绍增，吴少华，王志金，李争起，邢春礼，孙恩召“高效稳燃防结渣低污染煤粉燃烧新构思
49、-浓缩煤粉燃烧的研究”（国家自然科学基金项目），获得1998年航天部科技进步三等奖 3.秦裕琨，孙绍增孙绍增，邢春礼，吴少华，孙恩召“一种浓缩煤粉燃烧设备”，22003年中国专利优秀奖 4.孙绍增孙绍增固体燃料的燃烧任泽霈，蔡睿贤主编，热工手册 北京：机械工业出版社，2002年3月，ISBN7-111-09734-3：6-366-48，6-566-62 5.王志强，孙绍增孙绍增，张晓辉，邱朋华，孙锐，吴少华，秦裕琨中二次风水平摆角对炉内流场的影响机械工程学报2007：43(8)：165170 6.王志强，孙绍增孙绍增，钱琳，曹华丽，秦裕琨煤气再燃还原氮氧化物的特性研究中国电机工程学报20072
50、7(20)：4245 7.孙绍增孙绍增，王志强，姜文龙，张晓辉叶片转动角度对百叶窗浓缩器性能的影响热能动力工程200722(4)：423426 8.邱朋华，刘辉，吴少华，孙绍增孙绍增，杨龙滨，王国忠，刘栗煤粉再燃对600MW锅炉NOx排放的影响工程热物理学报200728(增刊2)：149152 9.张晓辉，孙锐，孙绍增孙绍增，秦明燃尽风与水平浓淡燃烧联用对NOx生成的影响中国电机工程学报200727(29)：5661 10.Feng Ren,Zhengqi Li,Yubin Zhang,Shaozeng Sun,Xiaohui Zhang,Zhichao Chen.Influence of t
