工業(yè)污泥與煤矸石LCFB混燒特性數(shù)值模擬及試驗研究

1、工業(yè)污泥與煤矸石LCFB混燒特性數(shù)值模擬及試驗研究不同行業(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（ 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

2、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

3、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)剂媳取?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-

4、CR-LCFB鍋爐及其燃燒系統(tǒng) , 首次在優(yōu)化后的10t/hLCFB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。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、

5、灰分高 , 燃燒特性較差 , 燃燒低、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 23mm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

6、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)

7、 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%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 ; 燃料比 7:3 的燃燒區(qū)域的溫度較高且均勻性好 , 混燒強度大于 8:2 和 CR,且爐膛出口 O2濃度最低。配風(fēng)比 8:2 時密相區(qū)燃燒溫度較高且二