高浓度有机废液在流化床中焚烧处理研究

摘要

采用流化床焚烧处理高浓度有机废液时存在以下问题，当焚烧含高浓度碱金属盐的有机废液时，会出现床料烧结现象，严重的床层烧结最终将导致流化床在较短时间内停止流化；在流化床运行温度（800～900℃）下，向炉内直接送入钙基吸收剂（如石灰石等）去除HCl气体效率较低。本文针对上述问题，提出了双温双床气化氧化流化床焚烧新工艺，该项技术能够解决目前利用流化床焚烧高浓度有机废液遇到的难题。它将流化床低温气化与流化床高温氧化燃烧有机组合解决了流化床床料结团、烧结问题，有效地脱除了高浓度有机废液焚烧后产生的HCl、SO2和NOx等有毒有害气体，并且能够将废液中的有毒有机物彻底焚毁。
　　本文主要针对双温双床气化氧化流化床焚烧技术中的低温气化流化床焚烧技术进行理论机理和实验室研究，通过对含有机氯、碱金属盐、有机氮的高浓度有机废液在低温气化流化床中的焚烧特性和控制方法的研究，得到双温双床气化氧化流化床焚烧炉低温气化室的设计和运行的必要参数，解决该项焚烧技术中的关键性问题，为双温双床气化氧化流化床焚烧炉的设计和实际工程应用提供理论和实验依据。具体研究内容如下。
　　1．研究含氯有机废液在流化床中焚烧HCl生成与控制机理。在实验室规模的小型流化床实验台上，进行含三氯乙醛有机废液的焚烧及利用钙基吸收剂（CaO和石灰石）炉内脱除HCl的实验研究。研究结果表明只有温度高于600℃有机氯转化为HCl的转化率才能够达到95％以上，并且随着温度的升高转化率逐渐增大；钙基吸收剂去除 HCl的最佳工况是500～600℃，Ca/Cl摩尔比为3.5。通过对不同温度不同反应时间下的CaO颗粒表面进行扫描电子显微镜（SEM）分析，从微观上看到产物层的形成从晶体成核、晶体长大到产物层越来越致密，到最后开始断裂的整个过程。高温（>600℃）下CaO与HCl之间的反应受化学反应和产物层扩散共同控制。在低温下对CaO与HCl之间的气固反应进行反应动力学分析，计算得出化学反应活化能和产物层扩散活化能，分别为11.81kJ/mol和14.82kJ/mol。
　　2．建立流化床脱氯综合数学模型，该模型由单颗粒吸收剂脱氯子模型和流化床中颗粒磨损子模型组成。其中对单颗粒吸收剂内孔结构采用Bethe网络进行模拟，引入逾渗理论分析Bethe网络的各种逾渗特性并运用逾渗团的标度理论获得吸收剂孔隙可用表面积、有效扩散系数、可用孔隙率等关键参数的计算方法，详细描述孔隙变迁以及孔隙堵塞的过程。同时考虑流化床中由于颗粒运动和颗粒间的相互碰撞而造成的磨损对吸收剂转化率的影响，进而实现从孔隙、颗粒到流化床反应器由微观至宏观的三个尺度上对脱氯问题的模拟。模型预测的吸收剂CaO转化率与实验结果吻合较好。
　　3．研究含碱金属盐废液在流化床中焚烧烧结特性机理。在小型流化床实验台上，500～700℃温度范围内，进行含NaCl、Na2CO3、Na2SO4以及其中两种盐或三种盐混合的有机废液在流化床中焚烧烧结特性和添加剂对床料烧结影响的研究。研究结果表明在600～700℃下，添加少量廉价的添加剂（如Ca(OH)2、高岭粘土），能够有效地抑制床料烧结的发生，充分证明了双温双床气化氧化流化床焚烧技术采用降低焚烧温度和适量使用廉价添加剂相结合的方法控制床料烧结是行之有效的，适合于实际工程的应用。
　　4．研究含氮有机废液在流化床中焚烧分解特性机理。在500～700℃温度范围内，研究结果表明在炉内还原性气氛中燃烧分解的产物主要以HCN为主，NOx和NH3的排放浓度较低。

目录

摘要

Abstract

Contents

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 高浓度有机废液的分类

1.3 流化床焚烧处理高浓度有机废液存在的问题

1.4 双温双床气化氧化流化床焚烧技术

1.5 钙基吸收剂脱除HCl气体研究综述

1.6 本文研究的目的和主要内容

1.7 本章小结

第2章 含氯有机废液在流化床中焚烧机理研究

2.1 引言

2.2 实验装置及实验方案

2.3 含氯有机废液焚烧HCl排放特性研究

2.4 钙基吸收剂脱除HCl气体的实验研究

2.5 CaO与HCl反应的微观机理研究

2.6 CaO与HCl反应动力学研究

2.7 本章小结

第3章 流化床脱氯数学模型

3.1 引言

3.2 气固反应和固体的孔隙结构

3.3 逾渗理论

3.4 逾渗理论对固体孔隙网络的描述

3.5 气体在多孔固体吸收剂中的有效扩散系数

3.6 单颗粒吸收剂氯化子模型的建立

3.7 流化床中颗粒磨损子模型的建立

3.8 流化床脱氯数学模型对钙基吸收剂CaO转化率的预测

3.9 本章小结

第4章 含碱金属盐废液在低温气化流化床中焚烧烧结特性机理研究

4.1 引言

4.2 产生烧结的机理分析

4.3 抑制烧结的方法

4.4 实验装置及实验方案

4.5 含Na2SO4有机废液在低温气化流化床中焚烧烧结机理研究

4.6 含Na2CO3有机废液在低温气化流化床中焚烧烧结机理研究

4.7 含NaCl有机废液在低温气化流化床中焚烧烧结机理研究

4.8 含NaCl和Na2CO3有机废液在低温气化流化床中焚烧烧结机理研究

4.9 含NaCl和Na2SO4有机废液在低温气化流化床中焚烧烧结机理研究

4.10 含NaCl、Na2CO3和Na2SO4有机废液在低温气化流化床中焚烧烧结机理研究

4.11 添加剂对含钠盐有机废液焚烧烧结的影响

4.12 本章小结

第5章 含氮有机废液在低温气化流化床中焚烧特性机理研究

5.1 引言

5.2 氮氧化物的产生及形成机理

5.3 实验装置及实验方案

5.4 含乙腈有机废液在低温气化流化床中焚烧特性机理研究

5.5 含苯胺有机废液在低温气化流化床中焚烧特性机理研究

5.6 含硝基甲烷有机废液在低温气化流化床中焚烧特性机理研究

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历