低挥发份劣质燃料循环流化床燃烧特性研究

摘要

能源紧缺、环境污染是整个人类社会面临的两个重大问题，低挥发份燃料的高效综合利用日益受到重视。本文对多联产半焦和石煤等低挥发份燃料的着火燃烧特性、CFB燃烧及污染物排放特性、循环流化床飞灰回燃特性进行了研究，从而为工业应用提供指导。采用SEM、氮吸附、压汞、固体压片红外光谱相结合的方法研究了多联产半焦的物理化学特性，结果表明：半焦和原煤相比，孔隙结构更发达，尤其是小尺度的大孔显著增多；氢键缔合的-OH或-NH、=CH等官能团减少，脂肪族CH、CH2和CH3减少，饱和酯、醛类、酮类、羧酸、烯烃、芳环及杂环化合物等物质减少，C-O基团化合物及乙烯类物质减少，甲基/亚甲基的数量比增大，含氧基团与芳香度含量之比降低。利用常压、加压热天平研究了不同半焦的着火燃烧机理，结果表明：随着热解温度或升温速率的升高，半焦的着火温度(Ti)升高，燃烧产物释放特性指数(r)减小，燃烧稳定性(Rw)降低，燃尽性能(Cb)提高，活化能(Ea)降低；随着反应压力的提高，半焦的着火温度降低，燃烧产物释放特性指数r增大，燃烧稳定性提高，燃尽温度先升后降，活化能先降后升，在压力0.8MPa时燃尽温度最高，活化能最低；粒径增大，则半焦着火温度升高，燃烧产物释放特性指数增大，燃烧稳定性先升后降，燃尽特性非单调变化，活化能非单调提高；焦煤比增大，则其着火温度先降后升，燃烧产物释放特性指数减小，燃烧稳定性降低，燃尽性能提高，活化能升高。另外，DAEM模型计算结果显示，半焦的活化能Ea随着质量损失率的增加而降低。
　　 本研究在小型CFB试验台上进行了半焦燃烧及污染物排放特性试验，结果表明：焦煤比越大，SO2、NO、N2O的排放浓度越低；从850℃到940℃，随着温度的升高，NO排放量逐渐升高，N2O排放量逐渐降低，但降低的趋势变缓；提高过量空气系数会导致NO、N2O排放量增大；增大二次风率可降低NO、N2O的排放；风量增大，炉膛烟气表观流速提高，NO排放浓度减小，N2O排放浓度增大。针对有些循环流化床锅炉存在飞灰含碳量高和石灰石利用率低的问题，进行了劣质燃料水活化飞灰回燃特性研究。飞灰回燃不仅可以降低飞灰含碳量，而且可以提高脱硫剂的利用率。本文在小型循环流化床实验台上进行了一系列的飞灰回燃试验，研究了灰煤比(Ca/S比)、运行温度、飞灰活化方式、循环倍率、表观烟气速度等因素对脱硫效率和飞灰含碳量的影响，寻求合理运行参数，得到的试验结果可以指导工业运行。在前人研究的基础上，结合循环流化床流动特性、煤焦反应、污染物的生成与分解规律，建立了考虑飞灰再燃的CFB燃烧总体数学模型，并利用该模型对试验工况进行了模拟，分析显示计算结果与试验结果基本吻合。同时，运用该模型对CFB燃烧进行了预测，得到了采用飞灰回燃时，CFB系统的运行特点，为工业生产提供理论依据。最后，对CFB焙烧石煤灰渣提钒进行了初步探索，在一台小型流化床燃烧试验台上研究了不同配方灰渣料团的焙烧特性，着重考察了焙烧温度、焙烧时间、表观烟气速度、添加剂种类对焙烧成球率的影响，并对飞灰、底渣、床料进行收集采样，利用多种酸溶液对各种样品浸取提钒，研究了焙烧温度、焙烧时间、浸取方式对转浸率的影响。结果表明：采用水泥为添加剂，温度为930℃，焙烧时间为90 min，可得较高焙烧成球率和转浸率，钒总回收率约为55.1％。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图目录

表目录

1 绪论

1.1 中国及世界的能源利用现状

1.2 能源消耗对环境的影响

1.3 低挥发份劣质燃料在能源环境系统中的地位

1.4 低挥发份劣质燃料的利用现状

1.4.1 直燃发电

1.4.2 用于冶金

1.4.3 灰再燃

1.4.4 综合利用

1.4.5 其它利用形式

1.5 本文选题及研究内容

1.5.1 本文选题及意义

1.5.2 本文的研究内容

1.5.3 本文的总体结构

1.6 项目支持

2 典型低挥发份燃料燃烧特性及飞灰再燃技术的研究进展

2.1 半焦燃烧特性及相关模型的研究现状

2.1.1 半焦燃烧特性的研究方法

2.1.2 半焦燃烧特性的判别指标

2.1.3 半焦着火特性

2.1.4 半焦燃尽特性

2.1.5 半焦燃烧过程中的污染物排放特性

2.1.6 半焦孔隙特性

2.1.7 不足之处

2.1.8 半焦燃烧模型的研究现状

2.2 循环流化床飞灰再燃研究现状

2.2.1 飞灰再燃

2.2.2 飞灰增湿活化脱硫

2.2.3 不足之处

2.3 本章小结及衍生的问题

3 典型低挥发份劣质燃料半焦的物化特性研究

3.1 前言

3.2 多联产装置和半焦来源

3.2.112MW热电气焦油多联产装置

3.2.22半焦样品

3.3 半焦理化特性测定说明

3.3.1 微观形貌测定

3.3.2 孔隙结构测定

3.3.3 红外光谱测定

3.4 半焦中的微孔、介孔及表面特性

3.4.1 吸附/脱附等温线

3.4.2 各因素对半焦微观结构的影响

3.4.3 半焦孔隙的分形特性

3.5 半焦中的大孔分布及演化

3.5.1 压汞实验孔隙结构参数计算方法

3.5.2 半焦大孔的分布与演化

3.6 半焦化学成份分析

3.6.1 红外光谱图解析

3.6.2 半焦制备条件对其脂肪烃(或烷烃)的影响

3.6.3 热解温度对其含氧集团的影响

3.7 本章小结

4 低挥发份燃料半焦的着火燃烧机理及动力学特性分析

4.1 前言

4.2 常压热重实验

4.2.1 实验内容和步骤

4.2.2 热失重曲线特性

4.2.3 不同煤种气化反应活性比较研究

4.2.4 着火特性

4.3 TGA燃烧特性判别参数

4.3.1 TGA曲线特性参数

4.3.2 燃烧产物释放特性指数

4.3.3 燃烧稳定性指数

4.3.4 燃尽特性指数

4.3.5 综合燃烧特性指数

4.4 半焦的物化特性对其燃烧性能的影响

4.5 压力对半焦着火燃烧特性的影响

4.5.1 实验方法及样品

4.5.2 压力对热失重曲线的影响

4.5.3 压力对着火特性的影响

4.5.4 压力对燃烧产物释放特性的影响

4.5.5 压力对燃烧稳定性的影响

4.5.6 压力对燃尽特性的影响

4.5.7 压力对综合燃烧特性指数S的影响

4.6 动力学分析

4.6.1 Coats-Redfern法

4.6.2 分布活化能模型(DAEM)法

4.6.3 动力学补偿效应分析

4.7 本章小结

5 多联产半焦的CFB燃烧及污染物排放特性研究

5.1 前言

5.2 试验材料

5.3 试验设备及仪器

5.4 试验工况及说明

5.5 试验结果

5.5.1 温度特性

5.5.2 烟气成分分析

5.6 各因素对烟气排放特性的影响

5.6.1 煤种

5.6.2 焦煤比

5.6.3 燃烧温度

5.6.4 半焦种类

5.6.5 过量空气系数

5.6.6 二次风率/分级燃烧

5.6.7 流化风速

5.7 本章小结

6 CFB飞灰再燃特性研究

6.1 前言

6.2 试验说明

6.2.1 试验材料

6.2.2 试验系统

6.3 水活化对飞灰微观结构的影响

6.4 试验结果及讨论

6.4.2 温度对脱硫效率和飞灰含碳量的影响

6.4.3 活化方式对脱硫效率和飞灰含碳量的影响

6.4.4 循环倍率对脱硫效率和飞灰含碳量的影响

6.4.5 流化风速对脱硫效率和飞灰含碳量的影响

6.5 本章小结

7 考虑飞灰回燃的CFB半焦燃烧数学模型

7.1 CFB燃烧数学模型概述

7.1.1 国外

7.1.2 国内

7.2 考虑飞灰再燃的CFB半焦燃烧总体数学模型

7.2.1 流体动力特性模型

7.2.2 炉内半焦(燃料)燃烧模型

7.2.3 污染物(SO2、NO、N2O)生成与脱除模型

7.2.4 炉内传热数学模型

7.2.5 分离器模型

7.2.6 系统质量平衡方程

7.2.7 系统能量平衡方程

7.2.8 模型计算步骤与条件

7.3 模型计算结果与试验值的比较

7.3.1 灰煤比对飞灰含碳量的影响

7.3.2 燃烧温唐对飞灰含碳量的影响

7.3.3 炉内表观烟气流速(风量)对飞灰含碳量的影响

7.4 模型预测与分析

7.4.1 飞灰回燃对炉内温度分布的影响

7.4.2 飞灰回燃对炉内表观烟气流速的影响

7.4.3 飞灰回燃对空隙率的影响

7.4.4 飞灰回燃对炉内含碳量分布的影响

7.4.5 飞灰回燃对炉内氧量分布的影响

7.4.6 飞灰回燃对NO分布的影响

7.4.7 飞灰回燃对N2O分布的影响

7.4.8 飞灰回燃对SO2分布的影响

7.5 本章小结

8 含钒石煤流化床燃烧特性

8.1 前言

8.2 试验设备和方法

8.2.1 料团特性

8.2.2 试验设备和方法

8.2.3 试验结果及讨论

8.2.4 各因素对焙烧成球率的影响

8.2.5 渣、灰含钒量分析

8.2.6 钒的物料平衡

8.3 本章小结

9 全文总结与展望

9.1 本文主要工作总结与结论

9.1.1 典型低挥发份劣质燃料--多联产半焦的循环流化床燃烧特性

9.1.2 循环流化床飞灰回燃特性研究

9.1.3 流化床含钒石煤燃烧特性研究

9.1.4 考虑飞灰回燃的循环流化床劣质燃料燃烧模型

9.2 主要创新点

9.3 不足与展望

参考文献

作者简历