层燃炉煤燃烧碳黑形成机理的实验研究与排放控制方法

摘要

煤燃烧排放的碳黑颗粒对环境的污染和人类健康的影响越来越受到广泛关注，空气中的碳黑颗粒与人类的急性和慢性疾病有很大关系，对人类生活有很大危害。到目前为止，多数研究工作集中在简单烃、液体燃料和煤粉燃烧生成碳黑的研究，层燃条件下煤燃烧生成碳黑的研究却鲜有报道。我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭消费国；我国有五十多万台工业锅炉，蒸发量一百二十多万吨，其中燃煤的工业锅炉占85％，以层燃方式为主；效率较低、污染物排放高。研究层燃炉煤燃烧的碳黑形成机理，对减少污染物排放和提高燃烧效率有重要意义。 在层燃炉煤燃烧过程中，煤的挥发分与空气的流动方向平行，二者的混合程度有限，会出现炉膛内由于局部缺氧而导致的挥发分热解过程：本文在设计的可移动式-固定床实验台上，研究煤的挥发分在热解过程中碳黑的形成机理；研究温度、气体停留时间和煤种对碳黑形成的影响；采用玻璃纤维膜收集碳黑气溶胶试样，采用二氯甲烷溶液分离焦油和碳黑；分别采用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子光谱仪(ICP-AES)和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)测试碳黑气溶胶官能团含量、微观尺寸结构、灰分的含量和热解气成分。研究结果显示：碳黑的生成量与热解气中的芳香烃含量存在必然联系，热解气中的部分芳香烃是脂肪烃浓缩、环化的结果；随着温度的升高，碳黑生成量增多，焦油生成量减少；热解气中饱和脂肪烃浓度降低，芳香烃浓度升高，部分饱和脂肪烃经历了浓缩和环化反应转化成芳香烃；碳黑气溶胶中-O-H、-N-H键含量升高，-C≡C、-C≡N含量降低，苯环(C=C)含量增加；碳黑气溶胶的平均颗粒直径增大，聚合过程较明显。随着气体停留时间的延长，碳黑生成量增多，焦油生成量减少：热解气中饱和脂肪烃浓度降低，芳香烃浓度升高；碳黑气溶胶中-O-H、-N-H键含量升高，-C≡C、-C≡N含量升高，苯环(C=C)含量先升高后降低；碳黑气溶胶的颗粒直径增大，聚合过程明显。在相同条件下，挥发分较高的煤热解时生成更多的碳黑；热解气中含有更多的芳香烃；原煤中的C-H键的含量普遍大于相应煤种热解生成碳黑气溶胶中C-H键的含量，C≡CC≡N键形成能力较强的是含C≡CC≡N键较多的大同煤，碳黑气溶胶芳香(C=C)键形成能力较弱的是大同煤，碳黑气溶胶中的苯来自于烷烃的环化和煤挥发分中的苯，煤种不同，该键含量不同，与煤的微观化学结构有关；煤的挥发分含量越高，团聚越明显。 针对层燃炉内煤燃烧过程中局部缺氧导致的挥发分不完全燃烧，本文在设计的可移动式-固定床实验台上，研究煤的挥发分在不完全燃烧过程中碳黑的形成机理；采用正交试验法研究温度、气体的停留时间、煤种和氧量对碳黑生成的影响；实验方法与煤的挥发分热解实验方法相同，研究结果显示：碳黑的生成量是碳黑在有氧的环境或含氧基存在的条件下生成和被氧化的一个相互竞争的过程；随着氧量的增加，碳黑和焦油的生成量减少；烟气中的碳含量增大，饱和脂肪烃和芳香烃含量降低；碳黑气溶胶中氢键含量减小，苯环(C=C键)含量减小；碳黑气溶胶团聚越来越不明显，结构由致密变得疏松。随着温度的升高，碳黑和焦油的生成量先增加后减少；烟气中饱和脂肪烃浓度降低，芳香烃浓度升高；碳黑气溶胶中氢键含量增大，C≡C、C≡N键含量增大，苯环(C=C键)含量减小；碳黑气溶胶颗粒平均直径减小。随着气体停留时间的延长，碳黑的生成量先增加后减少，焦油的生成量减少；烟气中饱和脂肪烃含量降低，芳香烃含量升高；碳黑气溶胶苯环(C=C键)含量减小；碳黑颗粒平均直径增大，聚合趋势增大，团聚趋势较小。挥发分较高的煤不完全燃烧时碳黑的生成量较高；烟气中的芳香烃含量较高；煤种不同，苯环(C=C键)含量不同，与煤的微观化学结构有关；煤的挥发分含量越高，团聚越明显。 在层燃炉煤燃烧碳黑形成机理研究的基础上，采用现场测试和数值计算相结合的方法对二次风减少碳黑排放的效果进行了模拟；采用现场测试的方法确定产生碳黑的挥发分成分、含量和速度边界条件，采用气体燃烧的PDF模型和碳黑二步生成模型进行数值模拟；计算结果显示，二次风能够有效地减少碳黑的排放。在单元体炉上研究不同煤块粒度、在闷炉启动和冷炉膛点火时碳黑的生成情况；并且验证了二次风减少碳黑排放的作用。通过在单元体模型炉上的实验，在闷炉启动比室温炉膛点火时的碳黑浓度小，闷炉启动时温度高，燃烧更充分；通入二次风，有利于炉膛气体的湍动，加强了燃料与氧气的混合，有利于完全燃烧，减小了碳黑浓度；小颗粒煤块的挥发分析出速度快，如果混合不好，更容易形成碳黑；二次风降低小颗粒煤燃烧碳黑排放的效果更明显。 结合层燃炉煤燃烧碳黑形成机理的研究结果和理论分析，提出减少碳黑排放的措施，并在实际2t/h层燃炉上就部分减少碳黑排放的措施进行了实炉验证；结果表明，依据挥发分的析出规律，及时调整空气量，可以有效减少碳黑排放。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2碳黑的研究现状

1.3本论文的研究内容和研究方法

参考文献

第二章层燃条件下煤热解碳黑形成机理的实验研究

2.1前言

2.2层燃条件下煤热解形成碳黑的实验方法

2.3碳黑、焦油生成量随特性参数的变化

2.4热解气成分随特性参数变化的GC-MS分析

2.5碳黑气溶胶结构随特性参数变化的官能团测试分析

2.6碳黑气溶胶随特性参数变化的微观尺寸分析

2.7本章小结

参考文献

第三章层燃条件下煤燃烧碳黑形成机理的实验研究

3.1前言

3.2层燃条件下煤燃烧碳黑形成的实验方法

3.3固定床上煤燃烧碳黑形成的正交试验

3.4固定床上煤燃烧碳黑形成机理的实验研究

3.5本章小结

参考文献

第四章二次风降低层燃炉碳黑排放的数值模拟和实验研究

4.1前言

4.2层燃炉碳黑排放的数值模拟

4.3单元体炉上煤燃烧碳黑形成的实验

4.4本章小结

参考文献

第五章减少层燃炉煤燃烧碳黑排放的措施及实炉验证

5.1层燃炉煤不完全燃烧碳黑产生的原因

5.2减少煤在层燃炉燃烧碳黑排放的措施

5.3层燃炉碳黑排放治理技术现场运行调试及验证

第六章全文总结

6.1结论

6.2创新点

6.3展望与建议

作者攻读博士学位期间发表的论文、参加的科研项目和获奖情况

致谢