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工业污泥与煤矸石LCFB混烧特性数值模拟及试验研究

王裕明

  不同行业产生不同的工业污泥(IS),都含有大量的病原菌和重金属等有毒有害物质;煤矸石(CR)已成为目前排放量最大的工业固体废弃物之一,具有低热值和难燃烧等特点;它们的堆放严重浪费资源、污染环境和破坏生态。对IS和CR进行无害化和资源化及高效燃烧能源化利用,可节约资源、改善环境。采用流化床燃烧技术处理工业污泥与煤矸石(IS-CR)以解决环境和能源的问题成为国内外研究的热点。IS-CR的挥发份较高、在密相区下部的燃烧强度大,低倍率循环流化床(LCFB)锅炉的密相区吸热量大、流化速度较低,采用LCFB混烧IS-CR可提高混烧的稳定性和混烧效率,减小二次污染。然而,目前国内外对IS和CR的热解特性和在LCFB内气固多相流动及混烧特性还很少进行系统的研究,这阻碍了LCFB混烧IS-CR技术的开发应用。因此,结合IS-CR的热解和燃烧动力学及流动特性,进行LCFB内气固多相流动与混烧特性数值计算及试验研究,探索和弄清它们在炉内气固流动和混烧特性,为研究开发IS-CR-LCFB洁净燃烧和推进混烧技术的学术研究、创新应用等奠定理论基础,为实现IS-CR的高效混烧,达到资源综合利用促进节能与环保,具有十分重要的学术意义和广阔应用前景。 文中在深入分析IS和CR处理和利用技术现状及CFB燃烧研究基础上,应用热重法首次较系统地探索了不同种类IS单一和混合物、及CR的热解和燃烧动力学特性与机理,弄清了它们的动力学参数;同时,结合10t/h LCFB锅炉结构和燃烧特点,基于IS-CR气固多相流的运动特征,建立了炉内气固多相流动数学模型,研究弄清了IS-CR的冷态流动特性;同时建立了IS-CR的湍流多相燃烧整体数学模型,首次研究了改变燃料比、燃料特性和配风比时对IS-CR在LCFB内混烧特性的影响,并获得了IS-CR高效稳定混烧的效率和最佳工况;并依据流动和混烧数值模拟得到的特性优化设计了IS-CR-LCFB锅炉及其燃烧系统,首次在优化后的10t/h LCFB锅炉上进行了IS-CR冷态流动及混烧工业试验,试验与计算结果吻合较好。 热解与燃烧动力学特性研究表明:不同种类、热解温度、升温速率和压力下对IS和CR热解过程、着火、挥发份析出和燃尽特性、综合燃烧及燃烧放热性能有重要影响;IS混合物的热解和燃烧保持了单一试样的特性,可用各单一组分特性叠加表示。升温速率、压力等变化主要影响IS和CR的失重率和热解初析温度及析出特性;IS挥发份高,易燃烧,着火和燃尽温度相对较低,燃烧性能好。CR热解初期活化能比较高,第二阶段有所降低;CR挥发份低、灰分高,燃烧特性较差,燃烧低、高温段反应级数约为1.5和2.0。CR中掺混少量IS后,着火和燃尽特性得到改善,综合燃烧特性提高,有利于IS-CR高效混烧。 冷态流动特性研究表明:IS和CR的粒径控制在2~3mm范围内时,颗粒分布均匀有利于冷态点火和变负荷调整及优化燃烧;配风比8:2时,IS-CR各固相的颗粒分布均匀和稳定性好,沿床高连续性好;随燃料比中IS的增加各固相浓度分布存在一定差异,燃料比7:3时颗粒流化和浓度分布较佳;锥形、圆形和方形密相区产生较强的环核流动,并形成颗粒浓度较高的环形回流区,矩形密相区能使流化风速分段逐渐下降,保证了各截面上各固相颗粒的均匀流化,沿床高连续和稳定性好;结果表明在矩形密相区中燃料比7:3和配风比8:2时,IS-CR颗粒浓度分布和流动特性最佳。 在矩形密相区锅炉中的混烧计算结果表明:燃料比7:3时IS-CR的混烧强度较高,沿床高温度分布、颗粒浓度和O_2浓度波动较小且分布较均匀。IS的特性对IS-CR混烧特性改善有较大影响,IS挥发份特性指数和综合燃烧特性指数越大,IS-CR的混烧强度越大,温度较高且波动较大,混烧效果好。随一次风量增大,密相区下部的燃烧温度增加且波动加大,密相区下部的颗粒浓度减少而上部相应增加,密相区O_2浓度大幅快速下降且均匀性差,二次风补燃效果减弱,出口温度降低,出口O_2浓度增加;配风比8:2时沿床高温度、颗粒浓度和O_2浓度分布均匀,混烧稳定性好。首次研究得到在矩形密相区中燃料比7:3和配风比8:2时IS-CR能高效稳定混烧,混烧效率最高,可达97%以上,是最佳混烧工况。 根据理论计算结果,文中从锅炉选型、炉膛结构、布风板及风帽、惯性分离及返料和送风及配风等系统,进行了10t/h LCFB锅炉及其系统优化设计并确定了运行参数。在优化锅炉上的工业试验结果表明:料层阻力随料层厚度增加而增加,阻力大小与IS-CR燃料比有关。随燃料比中IS增加,颗粒浓度分布的均匀和连续性变好,但IS较大时密相区下部和上部的不均匀性增大。燃烧主要集中在密相区下部,绝热段较弱,稀相区微弱;燃料比7:3的燃烧区域的温度较高且均匀性好,混烧强度大于8:2和CR,且炉膛出口O_2浓度最低。配风比8:2时密相区燃烧温度较高且二次风穿透和补燃作用强,炉膛出口温度最高、O_2浓度最低。配风比8:2和燃料比7:3时IS-CR的混烧效果最佳。试验与计算结果差异小、吻合较好,表明数值计算中所建的数学模型和计算方法是正确合理的、数值分析结果是正确的。……   
[关键词]:工业污泥与煤矸石;热解与燃烧动力学;气固多相流动;混烧特性;数值计算及试验
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:重庆大学2010年
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