油頁(yè)巖及其半焦流化床燃燒N2O生成機(jī)理研究.pdf

1、在世界范圍內(nèi)能源需求不斷增長(zhǎng)的今天，油頁(yè)巖是一種非常重要的替代能源，其本身及所含頁(yè)巖油都具有潛在的利用價(jià)值，尋求儲(chǔ)量巨大的油頁(yè)巖有效開發(fā)與經(jīng)濟(jì)利用的途徑，進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化規(guī)律及工程應(yīng)用研究，對(duì)于緩解能源供需矛盾，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。作為一種燃料油頁(yè)巖的揮發(fā)分含量高，固定碳含量低，其熱解、燃燒特性與常規(guī)煤種有很大差別，燃燒以揮發(fā)分為主，如樺甸油頁(yè)巖揮發(fā)分的放熱量為固定碳的2.57倍，有必要對(duì)油頁(yè)巖這種燃料的特殊性開展深入研究。另

2、外，對(duì)油頁(yè)巖煉油廢棄物，也即油頁(yè)巖半焦的資源化利用，也是油頁(yè)巖利用的重要研究?jī)?nèi)容。油頁(yè)巖及其半焦應(yīng)用于流化床燃燒實(shí)踐中，氧化亞氮排放濃度高于一般煤粉爐，N2O是一種破壞臭氧層的溫室氣體，是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大溫室氣體。隨著當(dāng)前環(huán)保要求的日益提高，如何有效控制N2O的排放是流化床燃燒急需解決的重要問題。
　　 本文基于以上對(duì)油頁(yè)巖有效開發(fā)利用的實(shí)際問題分析，根據(jù)油頁(yè)巖熱轉(zhuǎn)化的進(jìn)程，研究了油頁(yè)巖熱解、燃燒反應(yīng)機(jī)理，為深入剖

3、析油頁(yè)巖在流化床燃燒中N2O的生成機(jī)理，通過油頁(yè)巖及其半焦在基礎(chǔ)流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)及半工業(yè)流化床實(shí)驗(yàn)裝置中的燃燒過程監(jiān)測(cè)，得到終產(chǎn)物排放特性，所得連續(xù)燃燒下的運(yùn)行參數(shù)用于進(jìn)一步模擬N2O的生成，分析模擬結(jié)果以得到生成N2O的關(guān)鍵組分和反應(yīng)步驟。
　　 油頁(yè)巖熱解過程的研究中，分析了油頁(yè)巖的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)一步研究了油頁(yè)巖熱解條件下轉(zhuǎn)化為不凝氣、頁(yè)巖油和頁(yè)巖焦的過程，并對(duì)油頁(yè)巖中含有的官能團(tuán)如何轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析。通過改進(jìn)的熱天平實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用氣

4、相色譜方法測(cè)量油頁(yè)巖熱解反應(yīng)時(shí)不凝氣的濃度。元素總量平衡模型，首先基于C、H、O、N、S各元素總量平衡方程，再通過建立頁(yè)巖油族組成模型，得出油頁(yè)巖熱解產(chǎn)物中十種主要的氣相組分含量，并與色譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者吻合較好。
　　 油頁(yè)巖燃燒反應(yīng)過程的研究中，建立了不凝氣中可燃成分進(jìn)行燃燒時(shí)的基元反應(yīng)機(jī)理，建立含氮物HCN和NH3的基元反應(yīng)機(jī)理，對(duì)含氮中間產(chǎn)物分類并分析其轉(zhuǎn)化路徑，并得到了燃燒過程中各組分的轉(zhuǎn)化路徑圖。在此基礎(chǔ)上利用

5、含氮前驅(qū)物HCN和NH3的基元反應(yīng)機(jī)理，重點(diǎn)研究了柱塞流反應(yīng)器中HCN：NH3在五種不同比例下的N2O排放特性，結(jié)果反映出在HCN：NH3比例高時(shí)，N2O生成濃度明顯增高，HCN有趨向于生成N2O的特征。
　　 油頁(yè)巖流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的燃燒特性研究中，利用小型流化床進(jìn)行了油頁(yè)巖及其半焦的燃燒特性實(shí)驗(yàn)，小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究結(jié)果為設(shè)計(jì)半工業(yè)化流化床提供了指導(dǎo)作用。在小型流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行了顆粒直徑、鈣硫比、床料高度、床溫、過量空氣系數(shù)、二

6、次風(fēng)率和循環(huán)倍率這七個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)N2O排放的影響規(guī)律，并采用油頁(yè)巖摻混半焦比例分別為10％、20％、30％、50％、75％及100％的燃料，進(jìn)行燃燒特性試驗(yàn)，得到了各因素對(duì)流化床污染物排放的影響規(guī)律，并采用灰色關(guān)聯(lián)方法對(duì)七個(gè)因素對(duì)N2O排放濃度的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)床溫和過量空氣系數(shù)的影響相對(duì)顯著。
　　 為驗(yàn)證小型流化床實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并為工業(yè)化流化床鍋爐實(shí)踐運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并搭建了大型流化床實(shí)驗(yàn)裝置，采用XDC800控制系統(tǒng)

7、，對(duì)油頁(yè)巖與油頁(yè)巖半焦摻混比例分別為25％、50％、75％和100％的混合燃料進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)運(yùn)行過程中給風(fēng)量、壓力以及爐膛高度方向上溫度分布的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，采用氧化鋯氧量分析儀以及GASMET便攜式紅外分析儀對(duì)燃燒過程中的氣體排放濃度進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，綜合以上數(shù)據(jù)得到了大型流化床中油頁(yè)巖及其半焦的污染物排放特性。在無(wú)輔助熱源的條件下，油頁(yè)巖及其摻混不同比例下的520℃干餾制得的半焦，所得各燃料自身燃燒生成的熱量都能夠使流化床溫

8、逐漸升高到某一平衡溫度，反映出燃料的燃燒特性良好。
　　 結(jié)合油頁(yè)巖元素總量模型和燃燒反應(yīng)機(jī)理模型，建立油頁(yè)巖流化床燃燒分區(qū)模型，并結(jié)合熱態(tài)流化床實(shí)驗(yàn)中各工況相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好，所得結(jié)果顯示，N2O在密相區(qū)的生成份額遠(yuǎn)高于稀相區(qū)。對(duì)流化床密相區(qū)和稀相區(qū)N2O的生成規(guī)律進(jìn)行分別研究，對(duì)N2O的主要生成反應(yīng)在密相區(qū)和稀相區(qū)的重要性進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)N2O生成的機(jī)理結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得到了N2O生成的主要路徑圖，以及