不同细度煤粉燃烧特性及粉煤灰酸浸处理中硫酸铝铵循环利用试验研究

论文摘要

火力发电在我国的发电结构中占有主导地位,而燃煤火力发电在火力发电中占有绝对的比例,特别是煤粉燃烧火力发电。在能源日益紧张的今天,节能降耗要求越来越迫切。了解煤粉颗粒的燃烧特性特别是煤粉细度对燃烧特性的影响,不管是对于常规煤粉燃烧,还是对于开发新的燃烧技术和降低污染物NOx排放的炉内燃烧技术来说,具有重要的研究和现实意义。本文针对煤粉细度对煤粉燃烧特性的影响机理,进行了一系列探索性的研究。本文首先从煤粉燃烧效果的角度出发,通过研究不同粒径尺寸飞灰的可燃物特征,讨论了粒径尺寸对煤粉燃烧的作用规律。研究发现煤粉炉飞灰可燃物与粒径之间并不完全符合以前所获取的飞灰可燃物随飞灰细度减小单纯下降的线性关系认识,在一定条件下,存在拐点,典型的变化趋势为:随着粒径尺寸的减小,飞灰可燃物先减小后增加。特别是对于20μm以下的飞灰,其可燃物有升高趋势。应用热重分析法对不同颗粒直径煤粉样品的燃烧特性进行了研究,在分析煤粉主要着火与燃尽特征的基础上,进一步开展了煤粉热解和焦炭燃烧受颗粒直径影响的热重实验。根据煤粉热重试验结果,利用着火温度、燃尽温度、着火稳定性指标、可燃性指标和稳燃判别指数、平均燃烧速度和综合燃烧特性指数等煤粉燃烧特性参量对煤粉燃烧特性进行进行表征。研究结果表明,对于烟煤、贫煤和无烟煤,随着颗粒直径的减小,各项燃烧性能基本呈现增强的趋势。对于超细煤粉,特别是直径小于20μm的煤粉来说,颗粒直径的变化对煤粉燃烧特性的影响不大。无烟煤的着火和燃尽特性特别是燃尽特性受煤粉颗粒直径的影响较烟煤和贫煤更为明显。随着煤粉颗粒直径的减小,挥发份析出的速度加快,烟煤挥发份大量析出的时间更为集中。焦炭燃烧热重试验结果表明,焦炭燃烧受煤粉尺寸的影响更为显著。利用图像处理和分形理论,对颗粒直径对煤粉的形状特征和分形特征的影响展开了研究。研究的结果初步表明,颗粒尺度对煤粉的形状特征和分形特征的影响不明显。工业分析和元素分析的结果表明,不同细度煤粉的工业分析和元素分析结果差别不大,变化幅度一般不超过10%。表观活化能的测试结果表明,在低温段,随着颗粒直径的增加,煤粉的表观活化能逐渐增加,亦即细煤粉的燃烧性能优于粗煤粉。在高温段,贫煤和无烟煤随煤粉粒径增加,表观活化能升高;烟煤随煤粉粒径增大,表观活化能反而降低。煤种对表观活化能的影响更明显。本文借助大型CFD软件Fluent对不同细度煤粉在炉内燃烧过程进行了数值模拟研究。计算结果显示,随着煤粉颗粒直径的的增加,煤粉在炉内停留时间延长。停留时间变化的幅度可达30%以上。不同高度喷入的不同细度煤粉在炉内停留时间变化趋势并不完全一致。较细的煤粉在炉内在炉内较短的时间即达到比较高的燃尽度,而后焦炭燃尽率变化缓慢,而粗煤粉的燃尽率变化相对缓和。采用CBK模型模拟焦炭燃烧,煤粉随粒径增大,焦炭燃尽率升高。但超细煤粉特别是粒径10μm以下煤粉随粒径减小,焦炭燃尽率反而有升高的趋势。本文对酸浸处理粉煤灰工艺副产品进行了试验研究。提出了分步处理逐级利用的技术方案,即利用流化干燥技术脱除结晶水,然后对剩余物质氨解、硫解,回收硫酸氨和硫酸,返回酸浸工艺循环,最终剩余物氧化铝作为冶金原料。分步处理逐级利用大大降低了系统的能耗,提高了硫酸氨和硫酸的回收利用率。并对技术方案进行了试验研究,试验结果硫酸回收率达到90%以上,硫酸铵回收率达到70%以上。每吨硫酸铝氨热解后可回收得到0.2156吨硫酸、0.093吨硫酸铵和0.097吨的三氧化二铝。本文对宽粒径范围的煤粉燃烧特性进行了系统研究,为新燃烧技术和炉内污染物控制技术的开发提供了大量的基础数据,可以为技术开发和工程应用提供参考和指导。硫酸铝铵的循环利用工艺对粉煤灰酸浸提钒提铝等技术降低硫酸和硫酸氨耗量具有重要意义,并可有效防止新污染物的产生。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 细度对煤粉燃烧特性的影响
• 1.2.1.1 煤粉制备、分离与粒径测量
• 1.2.1.2 粒径尺寸对煤粉燃烧过程的影响
• 1.2.1.3 粒径尺寸对煤粉燃烧污染物的影响
• 1.2.1.4 特殊燃烧过程中的粒径尺寸特征研究
• 1.2.2 硫酸铝铵的利用
• 1.2.2.1 粉煤灰处理过程中的硫酸铝铵生成
• 1.2.2.2 硫酸铝铵热解
• 1.3 研究内容和研究目标
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 研究目标
• 2 电站锅炉飞灰粒径与飞灰可燃物的非线性特性研究
• 2.1 概述
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 研究方法与粒径范围的确定
• 2.2 初步规律的探索
• 2.2.1 飞灰振动筛分试验
• 2.2.1.1 样品采集与实验方法
• 2.2.1.2 结果与分析
• 2.2.1.3 小结
• 2.2.2 静电除尘器不同电场下飞灰的粒度及飞灰含碳量测量
• 2.3 灰可燃物非线性特征研究
• 2.3.1 单一粒径尺寸表征的讨论
• 2.3.2 微细颗粒样品的分离
• 2.3.3 实验设计
• 2.3.4 实验结果及规律
• 2.4 机理探究
• 2.5 本章小结
• 3 基于热重分析的煤粉粒径对煤粉燃烧特性影响研究
• 3.1 概述
• 3.1.1 研究思路
• 3.1.2 研究方法
• 3.2 不同颗粒直径的煤粉燃烧特性
• 3.2.1 样品与方法
• 3.2.2 热重曲线特征
• 3.2.3 着火温度与燃尽温度与颗粒直径的相互关系
• 3.2.4 着火与燃尽的综合特征
• Cl、可燃性指标^C_b和稳燃判别指数G'>3.2.4.1 着火稳定性指标^Cl、可燃性指标^C_b和稳燃判别指数G
• 3.2.4.2 煤粉的平均燃烧速度
• 3.2.4.3 煤粉的综合燃烧特性指数S
• 3.3 颗粒直径对热解和焦炭燃烧的影响
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 实验条件与方法
• 3.3.3 颗粒直径对煤粉热解的影响
• 3.3.4 颗粒直径对焦炭燃烧的作用规律
• 3.4 本章小结
• 4 不同粒径煤粉颗粒的物理化学特征研究
• 4.1 前言
• 4.2 颗粒直径与煤粉的表观微细特性
• 4.2.1 实验方法和分析手段
• 4.2.2 不同颗粒直径煤粉微观特性的定性讨论
• 4.2.3 不同颗粒直径煤粉微观特性的定量分析
• 4.2.3.1 基于Image-Pro Plus软件的图形分析
• 4.2.3.2 基于分形理论的煤粉表面形貌研究
• 4.3 颗粒直径变化对工业分析和元素分析的影响
• 4.3.1 样品与实验方法
• 4.3.2 实验结果讨论
• 4.3.2.1 不同颗粒直径煤粉的工业分析
• 4.3.2.2 不同颗粒直径煤粉的元素分析
• 4.4 颗粒直径与煤的活性
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 反应动力学数学建模
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 5 不同粒度煤粉炉内燃烧的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 数值模拟的对象、网格划分及数值模拟方法
• 5.2.1 研究对象
• 5.2.2 锅炉模型内部的网格划分
• 5.2.3 建模与算法
• 5.2.3.1 气相湍流流动湍流模型
• 5.2.3.2 煤粉颗粒扩散及两相流模型
• 5.2.3.3 煤的热解及挥发分析出模型
• 5.2.3.4 气相湍流燃烧模型
• 5.2.3.5 焦炭的燃烧模型
• 5.2.3.6 煤粉燃烧时炉内传热的模型
• 5.3 数值试验结果与讨论
• 5.3.1 总体特征
• 5.3.2 不同粒径煤粉炉内特性模拟结果
• 5.3.2.1 不同粒径煤粉颗粒至炉膛出口处的停留时间
• 5.3.2.2 不同粒径煤粉颗粒炉膛出口处的焦炭燃尽率变化
• 5.3.2.3 不同粒径煤粉颗粒沿炉膛高度颗粒温度变化
• 5.3.2.4 不同粒径煤粉颗粒沿炉膛高度焦炭燃尽率变化
• 5.4 本章小结
• 6 粉煤灰酸浸处理中硫酸铝铵的循环综合利用研究
• 6.1 引言
• 6.2 粉煤灰中铝元素的物理富集试验
• 6.2.1 不同粒径粉煤灰中铝元素分布试验
• 6.2.2 重选方法对粉煤灰中铝元素分布的影响
• 6.2.3 不同静电场下粉煤灰中的铝元素分布
• 6.3 硫酸铝铵循环利用工艺设计
• 6.4 硫酸铝铵热解
• 6.4.1 硫酸铝铵热解的差热分析
• 6.4.2 硫酸铝铵结晶水析出研究
• 6.4.2.1 硫酸铝铵结晶水析出的静态加热研究
• 6.4.2.2 硫酸铝铵结晶水析出的流化加热研究
• 6.4.3 硫酸铝铵氨解研究
• 6.4.3.1 硫酸铝铵氨解的静态加热研究
• 6.4.3.2 硫酸铝铵氨解气体产物的回收研究
• 6.4.4 硫酸铝铵硫解研究
• 6.4.4.1 硫酸铝铵氨解的静态加热研究
• 6.4.4.2 硫酸铝铵硫解气体产物的回收研究
• 6.4.5 硫酸铝铵热解过程中固体产物的相关测试
• 6.4.5.1 对硫酸铝铵热解中间过程固体产物的XRD测试
• 6.4.5.2 对硫酸铝铵热解最终固体产物的成分分析
• 6.4.5.3 硫酸铝铵热解产物氧化铝的形貌特征
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文创新点
• 7.3 今后的工作展望
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表的论文