層燃爐煤燃燒碳黑形成機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究與排放控制方法.pdf

1、煤燃燒排放的碳黑顆粒對(duì)環(huán)境的污染和人類(lèi)健康的影響越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，空氣中的碳黑顆粒與人類(lèi)的急性和慢性疾病有很大關(guān)系，對(duì)人類(lèi)生活有很大危害。到目前為止，多數(shù)研究工作集中在簡(jiǎn)單烴、液體燃料和煤粉燃燒生成碳黑的研究，層燃條件下煤燃燒生成碳黑的研究卻鮮有報(bào)道。我國(guó)煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó)；我國(guó)有五十多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)鍋爐，蒸發(fā)量一百二十多萬(wàn)噸，其中燃煤的工業(yè)鍋爐占85％，以層燃方式為主；效率較低、污染物排放高。研究層燃爐煤燃燒的碳黑形成

2、機(jī)理，對(duì)減少污染物排放和提高燃燒效率有重要意義。 在層燃爐煤燃燒過(guò)程中，煤的揮發(fā)分與空氣的流動(dòng)方向平行，二者的混合程度有限，會(huì)出現(xiàn)爐膛內(nèi)由于局部缺氧而導(dǎo)致的揮發(fā)分熱解過(guò)程：本文在設(shè)計(jì)的可移動(dòng)式-固定床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，研究煤的揮發(fā)分在熱解過(guò)程中碳黑的形成機(jī)理；研究溫度、氣體停留時(shí)間和煤種對(duì)碳黑形成的影響；采用玻璃纖維膜收集碳黑氣溶膠試樣，采用二氯甲烷溶液分離焦油和碳黑；分別采用傅立葉紅外光譜儀(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電感

3、耦合等離子光譜儀(ICP-AES)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)測(cè)試碳黑氣溶膠官能團(tuán)含量、微觀(guān)尺寸結(jié)構(gòu)、灰分的含量和熱解氣成分。研究結(jié)果顯示：碳黑的生成量與熱解氣中的芳香烴含量存在必然聯(lián)系，熱解氣中的部分芳香烴是脂肪烴濃縮、環(huán)化的結(jié)果；隨著溫度的升高，碳黑生成量增多，焦油生成量減少；熱解氣中飽和脂肪烴濃度降低，芳香烴濃度升高，部分飽和脂肪烴經(jīng)歷了濃縮和環(huán)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成芳香烴；碳黑氣溶膠中-O-H、-N-H鍵含量升高，-C≡C、-C≡

4、N含量降低，苯環(huán)(C=C)含量增加；碳黑氣溶膠的平均顆粒直徑增大，聚合過(guò)程較明顯。隨著氣體停留時(shí)間的延長(zhǎng)，碳黑生成量增多，焦油生成量減少：熱解氣中飽和脂肪烴濃度降低，芳香烴濃度升高；碳黑氣溶膠中-O-H、-N-H鍵含量升高，-C≡C、-C≡N含量升高，苯環(huán)(C=C)含量先升高后降低；碳黑氣溶膠的顆粒直徑增大，聚合過(guò)程明顯。在相同條件下，揮發(fā)分較高的煤熱解時(shí)生成更多的碳黑；熱解氣中含有更多的芳香烴；原煤中的C-H鍵的含量普遍大于相應(yīng)煤種熱

5、解生成碳黑氣溶膠中C-H鍵的含量，C≡CC≡N鍵形成能力較強(qiáng)的是含C≡CC≡N鍵較多的大同煤，碳黑氣溶膠芳香(C=C)鍵形成能力較弱的是大同煤，碳黑氣溶膠中的苯來(lái)自于烷烴的環(huán)化和煤揮發(fā)分中的苯，煤種不同，該鍵含量不同，與煤的微觀(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)；煤的揮發(fā)分含量越高，團(tuán)聚越明顯。 針對(duì)層燃爐內(nèi)煤燃燒過(guò)程中局部缺氧導(dǎo)致的揮發(fā)分不完全燃燒，本文在設(shè)計(jì)的可移動(dòng)式-固定床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，研究煤的揮發(fā)分在不完全燃燒過(guò)程中碳黑的形成機(jī)理；采用正交試驗(yàn)法

6、研究溫度、氣體的停留時(shí)間、煤種和氧量對(duì)碳黑生成的影響；實(shí)驗(yàn)方法與煤的揮發(fā)分熱解實(shí)驗(yàn)方法相同，研究結(jié)果顯示：碳黑的生成量是碳黑在有氧的環(huán)境或含氧基存在的條件下生成和被氧化的一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程；隨著氧量的增加，碳黑和焦油的生成量減少；煙氣中的碳含量增大，飽和脂肪烴和芳香烴含量降低；碳黑氣溶膠中氫鍵含量減小，苯環(huán)(C=C鍵)含量減?。惶己跉馊苣z團(tuán)聚越來(lái)越不明顯，結(jié)構(gòu)由致密變得疏松。隨著溫度的升高，碳黑和焦油的生成量先增加后減少；煙氣中飽和脂肪

7、烴濃度降低，芳香烴濃度升高；碳黑氣溶膠中氫鍵含量增大，C≡C、C≡N鍵含量增大，苯環(huán)(C=C鍵)含量減??；碳黑氣溶膠顆粒平均直徑減小。隨著氣體停留時(shí)間的延長(zhǎng)，碳黑的生成量先增加后減少，焦油的生成量減少；煙氣中飽和脂肪烴含量降低，芳香烴含量升高；碳黑氣溶膠苯環(huán)(C=C鍵)含量減?。惶己陬w粒平均直徑增大，聚合趨勢(shì)增大，團(tuán)聚趨勢(shì)較小。揮發(fā)分較高的煤不完全燃燒時(shí)碳黑的生成量較高；煙氣中的芳香烴含量較高；煤種不同，苯環(huán)(C=C鍵)含量不同，與煤的

8、微觀(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)；煤的揮發(fā)分含量越高，團(tuán)聚越明顯。 在層燃爐煤燃燒碳黑形成機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)二次風(fēng)減少碳黑排放的效果進(jìn)行了模擬；采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法確定產(chǎn)生碳黑的揮發(fā)分成分、含量和速度邊界條件，采用氣體燃燒的PDF模型和碳黑二步生成模型進(jìn)行數(shù)值模擬；計(jì)算結(jié)果顯示，二次風(fēng)能夠有效地減少碳黑的排放。在單元體爐上研究不同煤塊粒度、在悶爐啟動(dòng)和冷爐膛點(diǎn)火時(shí)碳黑的生成情況；并且驗(yàn)證了二次風(fēng)減少碳黑排放的作

9、用。通過(guò)在單元體模型爐上的實(shí)驗(yàn)，在悶爐啟動(dòng)比室溫爐膛點(diǎn)火時(shí)的碳黑濃度小，悶爐啟動(dòng)時(shí)溫度高，燃燒更充分；通入二次風(fēng)，有利于爐膛氣體的湍動(dòng)，加強(qiáng)了燃料與氧氣的混合，有利于完全燃燒，減小了碳黑濃度；小顆粒煤塊的揮發(fā)分析出速度快，如果混合不好，更容易形成碳黑；二次風(fēng)降低小顆粒煤燃燒碳黑排放的效果更明顯。 結(jié)合層燃爐煤燃燒碳黑形成機(jī)理的研究結(jié)果和理論分析，提出減少碳黑排放的措施，并在實(shí)際2t/h層燃爐上就部分減少碳黑排放的措施進(jìn)行了實(shí)爐驗(yàn)