油頁巖及其半焦流化床燃燒N2O生成機理研究.pdf

1、在世界范圍內(nèi)能源需求不斷增長的今天，油頁巖是一種非常重要的替代能源，其本身及所含頁巖油都具有潛在的利用價值，尋求儲量巨大的油頁巖有效開發(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，對于緩解能源供需矛盾，推動社會的發(fā)展，具有重大的現(xiàn)實意義。作為一種燃料油頁巖的揮發(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，如樺甸油頁巖揮發(fā)分的放熱量為固定碳的2.57倍，有必要對油頁巖這種燃料的特殊性開展深入研究。另

2、外，對油頁巖煉油廢棄物，也即油頁巖半焦的資源化利用，也是油頁巖利用的重要研究內(nèi)容。油頁巖及其半焦應(yīng)用于流化床燃燒實踐中，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。
　　 本文基于以上對油頁巖有效開發(fā)利用的實際問題分析，根據(jù)油頁巖熱轉(zhuǎn)化的進(jìn)程，研究了油頁巖熱解、燃燒反應(yīng)機理，為深入剖

3、析油頁巖在流化床燃燒中N2O的生成機理，通過油頁巖及其半焦在基礎(chǔ)流化床實驗臺及半工業(yè)流化床實驗裝置中的燃燒過程監(jiān)測，得到終產(chǎn)物排放特性，所得連續(xù)燃燒下的運行參數(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。
　　 油頁巖熱解過程的研究中，分析了油頁巖的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)一步研究了油頁巖熱解條件下轉(zhuǎn)化為不凝氣、頁巖油和頁巖焦的過程，并對油頁巖中含有的官能團(tuán)如何轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析。通過改進(jìn)的熱天平實驗臺，采用氣

4、相色譜方法測量油頁巖熱解反應(yīng)時不凝氣的濃度。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，再通過建立頁巖油族組成模型，得出油頁巖熱解產(chǎn)物中十種主要的氣相組分含量，并與色譜實驗結(jié)果進(jìn)行對比，二者吻合較好。
　　 油頁巖燃燒反應(yīng)過程的研究中，建立了不凝氣中可燃成分進(jìn)行燃燒時的基元反應(yīng)機理，建立含氮物HCN和NH3的基元反應(yīng)機理，對含氮中間產(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)機理，重點研究了柱塞流反應(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，N2O生成濃度明顯增高，HCN有趨向于生成N2O的特征。
　　 油頁巖流化床實驗臺中的燃燒特性研究中，利用小型流化床進(jìn)行了油頁巖及其半焦的燃燒特性實驗，小型實驗臺研究結(jié)果為設(shè)計半工業(yè)化流化床提供了指導(dǎo)作用。在小型流化床實驗臺上，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)倍率這七個運行參數(shù)對N2O排放的影響規(guī)律，并采用油頁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，得到了各因素對流化床污染物排放的影響規(guī)律，并采用灰色關(guān)聯(lián)方法對七個因素對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)的影響相對顯著。
　　 為驗證小型流化床實驗結(jié)果，并為工業(yè)化流化床鍋爐實踐運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計并搭建了大型流化床實驗裝置，采用XDC800控制系統(tǒng)

7、，對油頁巖與油頁巖半焦摻混比例分別為25％、50％、75％和100％的混合燃料進(jìn)行了燃燒實驗，對運行過程中給風(fēng)量、壓力以及爐膛高度方向上溫度分布的變化情況進(jìn)行實時記錄，采用氧化鋯氧量分析儀以及GASMET便攜式紅外分析儀對燃燒過程中的氣體排放濃度進(jìn)行了在線監(jiān)測，綜合以上數(shù)據(jù)得到了大型流化床中油頁巖及其半焦的污染物排放特性。在無輔助熱源的條件下，油頁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)合油頁巖元素總量模型和燃燒反應(yīng)機理模型，建立油頁巖流化床燃燒分區(qū)模型，并結(jié)合熱態(tài)流化床實驗中各工況相對應(yīng)的運行參數(shù)，計算值和實驗值吻合較好，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)行了對比。對N2O生成的機理結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得到了N2O生成的主要路徑圖，以及