水泥窑共处置危险有机物的实验和数值模拟

摘要

近年来，工业的快速发展和居民生活方式的不断改变，产生了越来越多的危险废物。利用工业窑炉，尤其是水泥窑进行危险废物的共处理，是非常有效的污染处理和资源再利用方法。因此，对工业窑炉中共处置危险有机物的工程技术、环境风险与管理技术进行研究有着重要的意义。 本文首先根据美国环境署公布的危险有机物稳定性等级，选取典型的两种危险有机物苯和氯乙烯，在高温炉中进行热解动力学实验，分析发现，不同等级的有机物其动力学特性不同，其中苯热解的的活化能E=122.98KJ/mol，指前因子A=1085.14s-1，其动力学方程:α=1-exp（-1085.14exp（-15034.8/T）t）。氯乙烯热解活化能E=35KJ/mol，指前因子A=7.724s-1，动力学方程:α=1-exp（-7.72exp（-4288/T）t）。通过对选取有机物的热解动力学实验，可以为有机物在水泥窑中的分解效果提供理论基础。 其次，利用数值模拟软件Fluent，对目前广泛应用的新型干法水泥生产技术中的回转窑建立模型，对回转窑内的燃烧进行数值模拟。建立了四通道燃烧器水泥回转窑数学模型，对其煤粉燃烧的温度场、速度场和O2、CO2、CO等气体组分的浓度场进行了模拟，窑内温度达到2000K以上，温度场和主要组分浓度场与工业生产工况接近。分析了窑内基本参数，同时为其进行危险有机物共处置过程的影响和效果提供对比参考。 最后，对水泥窑内添加有机物进行共处置的过程进行了数值模拟。分析了不同有机物投加方式和不同的投加量对燃烧过程的影响。分别在燃烧器的内、外风道投加有机物苯进行共处置，在煤苯添加质量比为100∶1时，发现窑内火焰位置和高温区较未添加提前了2～3m，温度场最高温度升高而出口温度降低。O2、CO2、CO气体的组分分布也随之变化，外风道添加工况综合效果优于内风道添加。通过改变外风道不同的投加量结果发现，当煤苯添加质量比例达到10∶1时，燃烧过程已产生非常大的改变;添加比在小于20∶1时，窑内的各个参数变化处在可以控制的范围内，苯处理效果可视为完全分解，符合工程技术要求。通过模拟的得到的各个参数结果，可以为实际的共处置工程应用提供参考。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 危险有机物共处置研究背景和意义

1．1．1 危险有机物的分类及危害

1．1．2 危险有机废物高温窑炉共处置的意义

1．2 国内外高温工业窑炉共处置危险废物应用及研究现状

1．2．1 国外共处置危险废物应用现状

1．2．2 国内共处置危险废物应用现状

1．2．3 高温工业窑炉共处置危险废物技术和研究进展

1．3 危险有机物高温降解特性研究进展

1．4 水泥窑危险有机物共处置数值模拟

1．4．1 水泥窑共处置技术应用现状

1．4．2 水泥窑的数值模拟研究现状

1．5 本文的主要工作内容

第2章 危险有机物高温降解特性实验

2．1 实验流程

2．1．1 实验设备与仪器

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验装置

2．2 实验步骤

2．3 实验结果讨论与分析

2．3．1 动力学相关理论

2．3．2 苯的热解动力学分析

2．3．2 氯乙烯热解动力学分析

2．4 本章小结

第3章 水泥回转窑煤粉燃烧的数学模型

3．1 气相湍流模型

3．2 气固两相流模型

3．3 气相湍流燃烧模型

3．4 煤粉燃烧模型

3．5 辐射换热模型

第4章 水泥回转窑内燃烧数值模拟

4．1 水泥回转窑与燃烧器简介

4．2 回转窑模拟模型的建立

4．3 边界条件设置

4．4 回转窑数值模拟结果分析

4．4．1 燃烧速度场分析

4．4．2 燃烧温度场分布

4．4．3 燃烧组分场分析

4．5 本章小结

第5章 回转窑有机物共处置数值模拟

5．1 概述

5．2 投加方式对共处置过程的影响

5．2．1 模拟工况设置

5．2．2 计算结果分析

5．3 投加量对燃烧温度场的影响

5．3．1 不同投加量的模拟工况设置

5．3．2 不同投加量模拟结果分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢