工業(yè)污泥與煤矸石LCFB混燒特性數(shù)值模擬及試驗研究.pdf

1、不同行業(yè)產(chǎn)生不同的工業(yè)污泥(IS)，都含有大量的病原菌和重金屬等有毒有害物質(zhì)；煤矸石(CR)已成為目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一，具有低熱值和難燃燒等特點；它們的堆放嚴(yán)重浪費資源、污染環(huán)境和破壞生態(tài)。對IS和CR進行無害化和資源化及高效燃燒能源化利用，可節(jié)約資源、改善環(huán)境。采用流化床燃燒技術(shù)處理工業(yè)污泥與煤矸石(IS-CR)以解決環(huán)境和能源的問題成為國內(nèi)外研究的熱點。IS-CR的揮發(fā)份較高、在密相區(qū)下部的燃燒強度大，低倍率循環(huán)流化床

2、(LCFB)鍋爐的密相區(qū)吸熱量大、流化速度較低，采用LCFB混燒IS-CR可提高混燒的穩(wěn)定性和混燒效率，減小二次污染。然而，目前國內(nèi)外對IS和CR的熱解特性和在LCFB內(nèi)氣固多相流動及混燒特性還很少進行系統(tǒng)的研究，這阻礙了LCFB混燒IS-CR技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。因此，結(jié)合IS-CR的熱解和燃燒動力學(xué)及流動特性，進行LCFB內(nèi)氣固多相流動與混燒特性數(shù)值計算及試驗研究，探索和弄清它們在爐內(nèi)氣固流動和混燒特性，為研究開發(fā)IS-CR-LCFB潔凈

3、燃燒和推進混燒技術(shù)的學(xué)術(shù)研究、創(chuàng)新應(yīng)用等奠定理論基礎(chǔ)，為實現(xiàn)IS-CR的高效混燒，達(dá)到資源綜合利用促進節(jié)能與環(huán)保，具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和廣闊應(yīng)用前景。
　　 文中在深入分析IS和CR處理和利用技術(shù)現(xiàn)狀及CFB燃燒研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱重法首次較系統(tǒng)地探索了不同種類IS單一和混合物、及CR的熱解和燃燒動力學(xué)特性與機理，弄清了它們的動力學(xué)參數(shù)；同時，結(jié)合10t/h LCFB鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒特點，基于IS-CR氣固多相流的運動特征，建立了

4、爐內(nèi)氣固多相流動數(shù)學(xué)模型，研究弄清了IS-CR的冷態(tài)流動特性；同時建立了IS-CR的湍流多相燃燒整體數(shù)學(xué)模型，首次研究了改變?nèi)剂媳?、燃料特性和配風(fēng)比時對IS-CR在LCFB內(nèi)混燒特性的影響，并獲得了IS-CR高效穩(wěn)定混燒的效率和最佳工況；并依據(jù)流動和混燒數(shù)值模擬得到的特性優(yōu)化設(shè)計了IS-CR-LCFB鍋爐及其燃燒系統(tǒng)，首次在優(yōu)化后的10t/h LCFB鍋爐上進行了IS-CR冷態(tài)流動及混燒工業(yè)試驗，試驗與計算結(jié)果吻合較好。
　　

5、熱解與燃燒動力學(xué)特性研究表明：不同種類、熱解溫度、升溫速率和壓力下對IS和CR熱解過程、著火、揮發(fā)份析出和燃盡特性、綜合燃燒及燃燒放熱性能有重要影響；IS混合物的熱解和燃燒保持了單一試樣的特性，可用各單一組分特性疊加表示。升溫速率、壓力等變化主要影響IS和CR的失重率和熱解初析溫度及析出特性；IS揮發(fā)份高，易燃燒，著火和燃盡溫度相對較低，燃燒性能好。CR熱解初期活化能比較高，第二階段有所降低；CR揮發(fā)份低、灰分高，燃燒特性較差，燃燒低、

6、高溫段反應(yīng)級數(shù)約為1．5和2．0。CR中摻混少量IS后，著火和燃盡特性得到改善，綜合燃燒特性提高，有利于IS-CR高效混燒。
　　 冷態(tài)流動特性研究表明：IS和CR的粒徑控制在2～3mm范圍內(nèi)時，顆粒分布均勻有利于冷態(tài)點火和變負(fù)荷調(diào)整及優(yōu)化燃燒；配風(fēng)比8：2時，IS-CR各固相的顆粒分布均勻和穩(wěn)定性好，沿床高連續(xù)性好；隨燃料比中IS的增加各固相濃度分布存在一定差異，燃料比7：3時顆粒流化和濃度分布較佳；錐形、圓形和方形密相區(qū)產(chǎn)生

7、較強的環(huán)核流動，并形成顆粒濃度較高的環(huán)形回流區(qū)，矩形密相區(qū)能使流化風(fēng)速分段逐漸下降，保證了各截面上各固相顆粒的均勻流化，沿床高連續(xù)和穩(wěn)定性好；結(jié)果表明在矩形密相區(qū)中燃料比7：3和配風(fēng)比8：2時，IS-CR顆粒濃度分布和流動特性最佳。
　　 在矩形密相區(qū)鍋爐中的混燒計算結(jié)果表明：燃料比7：3時IS-CR的混燒強度較高，沿床高溫度分布、顆粒濃度和O2濃度波動較小且分布較均勻。IS的特性對IS-CR混燒特性改善有較大影響，IS揮發(fā)份特

8、性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)越大，IS-CR的混燒強度越大，溫度較高且波動較大，混燒效果好。隨一次風(fēng)量增大，密相區(qū)下部的燃燒溫度增加且波動加大，密相區(qū)下部的顆粒濃度減少而上部相應(yīng)增加，密相區(qū)O2濃度大幅快速下降且均勻性差，二次風(fēng)補燃效果減弱，出口溫度降低，出口O2濃度增加；配風(fēng)比8：2時沿床高溫度、顆粒濃度和O2濃度分布均勻，混燒穩(wěn)定性好。首次研究得到在矩形密相區(qū)中燃料比7：3和配風(fēng)比8：2時IS-CR能高效穩(wěn)定混燒，混燒效率最高，可達(dá)97

9、％以上，是最佳混燒工況。
　　 根據(jù)理論計算結(jié)果，文中從鍋爐選型、爐膛結(jié)構(gòu)、布風(fēng)板及風(fēng)帽、慣性分離及返料和送風(fēng)及配風(fēng)等系統(tǒng)，進行了10t/h LCFB鍋爐及其系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計并確定了運行參數(shù)。在優(yōu)化鍋爐上的工業(yè)試驗結(jié)果表明：料層阻力隨料層厚度增加而增加，阻力大小與IS-CR燃料比有關(guān)。隨燃料比中IS增加，顆粒濃度分布的均勻和連續(xù)性變好，但IS較大時密相區(qū)下部和上部的不均勻性增大。燃燒主要集中在密相區(qū)下部，絕熱段較弱，稀相區(qū)微弱；燃料