油頁巖半焦流化床燃燒特性及其氮氧化物轉(zhuǎn)化的研究.pdf

1、油頁巖是一種富含油母質(zhì)的沉積物,是非常重要的替代能源之一。隨著當(dāng)今世界能源需求的不斷增長,尋找有效和經(jīng)濟的利用油頁巖的方法具有十分重要的意義。遺憾的是,油頁巖工業(yè)中仍然存在著一些嚴重的問題,其中之一便是油頁巖半焦的處理。
　　為了有效利用油頁巖半焦并且解決油頁巖工業(yè)中存在的一些其他問題,一些學(xué)者提出了“油頁巖綜合利用技術(shù)”,其中的關(guān)鍵技術(shù)就是將油頁巖半焦作為燃料投入循環(huán)流化床焚燒來發(fā)電和供熱,這樣既最大程度地利用了半焦中殘余的化學(xué)

2、能又避免了對環(huán)境造成嚴重的污染。
　　但是,油頁巖半焦流化床燃燒的工業(yè)應(yīng)用中依然存在著一些技術(shù)難題需要去克服,比較突出的是由于油頁巖半焦高灰分、低熱值的特點使其在流化床中著火和燃燒性能較低,燃盡很困難。而另外一個問題則是由于流化床技術(shù)低溫燃燒特性及油頁巖半焦本身燃料特性兩方面原因造成燃燒過程中排放的溫室氣體氧化亞氮(N2O)的濃度較高。
　　本文研究的就是這兩個技術(shù)難題,嘗試著反映其實質(zhì),尋找提高油頁巖半焦燃燒效率和降低其N

3、2O排放的方法。首先研究了油頁巖半焦的一些基礎(chǔ)燃料特性,然后在熱態(tài)流化床實驗臺上對半焦進行燃燒實驗掌握了不同工況下的燃燒特性和爐膛中氮氧化物的生成、轉(zhuǎn)化和排放特性,隨后根據(jù)實驗結(jié)果建立半焦流化床燃燒的數(shù)學(xué)模型并對燃燒過程及氮氧化物的轉(zhuǎn)化過程進行數(shù)值模擬,通過實驗和模擬結(jié)果的分析對比提出若干降低半焦流化床燃燒過程中氮氧化物特別是N2O排放的技術(shù)措施,最后在實際生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐上進行油頁巖半焦的工業(yè)實驗來驗證通過流化床技術(shù)處理油頁巖半焦

4、的可行性。
　　對于油頁巖半焦基礎(chǔ)特性的研究中,主要針對的是半焦熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中礦物質(zhì)對有機物燃燒的催化作用和燃燒過程中由礦物質(zhì)生成的灰分對于氧氣的傳質(zhì)阻力特性。研究結(jié)果表明半焦中無機礦物質(zhì)能夠催化有機物的氧化反應(yīng),從而加快有機物的燃燒速率;氧氣沿著平行于灰分層層理面的傳質(zhì)能力比垂直于層理面時強一個數(shù)量級,因此在研究油頁巖半焦流化床燃燒時完全可以忽略后者而認為氧氣在灰層中的傳質(zhì)完全是通過平行于層理面的方向進行的。而研究過程中計算得

5、到的半焦燃燒動力學(xué)參數(shù)和灰分層有效擴散系數(shù)則可以用于后文的數(shù)值模擬工作。
　　油頁巖半焦流化床燃燒特性研究中,通過小型、大型熱態(tài)流化床實驗臺考察了顆粒粒徑、鈣硫比、循環(huán)倍率和礦物質(zhì)等四個燃料因素和床溫、過量空氣系數(shù)和二次風(fēng)工況這三個運行參數(shù)對于半焦燃燒特性和污染物排放的影響,分析了兩個實驗臺上燃燒的異同點,初步了解了燃燒過程中氮氧化物的生成和轉(zhuǎn)化規(guī)律。
　　油頁巖半焦流化床燃燒數(shù)值模擬部分,首先進行了半焦熱解實驗,通過對熱解

6、殘渣、冷凝的液相和不凝的氣相進行分析測試,建立了半焦熱解產(chǎn)物模型。然后,根據(jù)小型、大型流化床的實驗結(jié)果建立了油頁巖半焦流化床燃燒的反應(yīng)器模型、多相流模型、動力學(xué)模型、破碎模型等并結(jié)合熱解產(chǎn)物模型對半焦流化床燃燒進行了數(shù)值模擬,通過與實驗結(jié)果進行對比分析總結(jié)出了對氮氧化物轉(zhuǎn)化起重要作用的反應(yīng),掌握其基本轉(zhuǎn)化機理,并提出了一些可行的減排措施。
　　油頁巖半焦流化床燃燒工業(yè)示范實驗部分,在實際運行的工業(yè)循環(huán)流化床鍋爐上進行了兩個工況下的