加压富氧燃烧技术在常规富氧燃烧技术的基础上将燃烧单元增压,实现了压力梯级利用,系统净效率可提高3%～5%。尽管许多研究者已经从理论计算的角度分析论证了加压富氧燃烧技术的经济性优势,但相关实验还主要局限在加压热重、加压管式炉等一次性投料的小型装置上对燃料的反应动力学、着火/燃尽等燃烧特性进行基础研究。关于加压富氧燃烧系统搭建及运行的研究几乎处于空白状态,关键设备的设计、运行及放大经验还相当匮乏。加压富氧燃烧时燃烧压力和气氛的改变会对燃烧系统内的化学反应、传热传质及流动结构产生显著影响,但目前无论是设备尺度还是颗粒尺度的研究均不完善,对于煤燃烧过程的压力和气氛效应及其作用机理认识不足,严重阻碍了加压富氧燃烧技术的进一步发展。本文首先在加压管式炉和一次性投料小型加压流化床上分别开展了煤热解和煤焦燃烧实验,从颗粒尺度研究了燃烧压力和气氛对煤颗粒燃烧的影响规律并构建了适用于描述加压流化床内煤焦颗粒燃烧过程的数学模型,采用模拟计算的方法对煤焦颗粒在加压富氧条件下的燃烧机制进行了细致研究;随后,设计构建了热输入30 k W的加压流化床煤富氧燃烧系统,并在此基础上开展了大量实验研究,从设备尺度探索了系统的运行特性及主要污染物排放特性;最后,设计了热输入为1 MW的加压流化床富氧燃烧装置并进行了过程模拟预测,综合性基础上提出了优化的设计参数,为加压富氧燃烧技术的放大设计工作提供了参考。主要内容及结论如下:在加压管式炉和一次性投料小型加压流化床上开展了煤热解和煤焦燃烧实验,从颗粒尺度研究了燃烧压力和气氛对煤热解过程中焦产率、成焦特性及煤焦燃烧过程中反应性、燃尽时间和成灰特性的影响规律。实验结果表明氮气气氛下提高热解压力会增加成焦率,二氧化碳气氛下则会减少成焦率;空气气氛和O2/CO2气氛下提高燃烧压力均可增加煤焦反应性、减少煤焦燃尽时间;燃烧压力对煤灰组成成分没有明显影响,但加压燃烧后形成的煤灰粒径更小。构建了适用于描述煤焦颗粒在加压流化床内燃烧过程的数学模型,通过模拟计算的方法对煤焦颗粒在加压富氧条件下的燃烧机制进行了细致研究。研究结果表明常压时毫米级别煤颗粒的燃烧反应主要属于动力学-扩散控制区域,燃烧速率随压力增加而增加。随着燃烧压力逐渐增大,燃烧反应由动力学-扩散控制区域转变至扩散控制区域,继续增大压力对燃烧反应的影响明显减小;压力对燃料颗粒着火特性的影响与着火机理有关:不含挥发分的煤焦颗粒在着火前主要通过高温气体和床料的传热进行加热,因此加压有利于缩短着火时间。此外,加压燃烧会明显增强煤焦颗粒富氧燃烧时的气化反应,气化反应消耗的总碳量随压力增加而增加。设计搭建了热输入30 k W的加压流化床煤富氧燃烧系统。该系统可平稳完成增压和燃烧气氛切换过程。在不同燃烧压力条件下,富氧燃烧工况尾部干烟气中二氧化碳浓度均可达90 vol%以上,满足了加压富氧燃烧技术路线中后续碳捕集工序的要求。基本掌握了燃烧压力、燃烧气氛及床层温度、过量氧气系数等关键运行参数对系统运行特性的影响规律。此外,实验结果表明增加燃烧压力有助于减少飞灰中未燃尽碳的比例并提高燃烧效率;增加燃烧压力可以减少富氧燃烧NOx排放量,但N2O排放量则有所上升;燃烧压力对富氧燃烧SO2排放量没有明显影响,但增加压力可以提高钙基脱硫剂在流化床内的脱硫效率。设计了热输入为1 MW的加压流化床煤富氧燃烧装置并进行了过程模拟研究,预测了未燃尽碳比例、氧气/二氧化碳浓度和热负荷沿反应器高度方向上的分布情况并探讨了二次风入口高度、一/二次风配比对反应器运行的影响,综合性基础上提出了优化的设计参数。