水泥工业劣质煤活化燃烧及机理研究

论文摘要

2007年,我国水泥产量达到13.5亿吨,耗煤2.5亿吨,优质资源日益减少,而大量的劣质煤没有得到很好的应用。在新型干法水泥生产工艺中,预分解窑占水泥熟料生产总能耗的60%-80%。因此,寻找适合分解炉生产的煤粉助燃催化剂并分析其作用机理对于水泥生产中劣质煤利用具有重要的现实意义。本论文依托十一五国家支撑计划——高性能水泥绿色制造工艺和装备（项目编号:2006BAF02A24）。通过热重试验筛选出4种有效的煤粉助燃催化剂,确定了这4种助燃催化剂的合理添加比例。采用固定碳在空气气氛条件下的热分析试验（TGA）模拟助燃催化剂对煤粉中固定碳在分解炉风口条件下燃烧过程的影响,结合未燃煤粉的X-射线衍射（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）检测结果,提出了助燃催化剂对煤粉挥发分挥发过程和固定碳燃烧过程的助燃催化作用机理。并利用FLUENT计算软件对分解炉内流场、煤粉燃烧特性进行了数值模拟,提出了分解炉用高灰分煤粉催化燃烧理论及技术。主要工作及成果如下:1.以着火温度、着火和燃尽指数为评价指标分析了高灰分煤粉燃烧特性,针对高灰分煤的燃烧特点,建立基于新型干法水泥生产工艺的高灰分煤催化燃烧理论和技术体系,采用热重分析法研究分析了含氧化合物和工业副产物对高灰分煤燃烧特性的影响规律;探讨了催化燃烧对煤粉燃烧动力学的影响,分析了煤粉着火和活化能间的关系;并结合燃烧动力学对其进行了机理分析。2.利用热重分析法研究了固定碳燃烧特性,分析了催化剂对固定碳的影响规律。通过分析认为,助燃催化剂Fe2O3、PbO、CaO和铅锌尾矿均能促进固定碳发生氧化燃烧,表现在添加助燃催化剂后固定碳中的残留挥发分燃烧温度和固定碳着火温度均要比原煤固定碳的相应温度降低,发生燃烧反应的温度区间变窄。3.利用FTIR、XRD和SEM测试技术对未燃煤粉的微细观结构、物相组成等方面进行了研究,分析了催化剂在煤粉燃烧中的作用机理。分析认为,助燃催化剂可以促进煤粉的脱碳裂解,使大分子芳香烃网络断裂,变成小分子官能团,其中包括羟基,煤粉中的挥发性物质随着助燃催化剂的加入而有较大程度的释放,从而改善煤粉在分解炉喷吹条件下的燃烧过程;添加催化剂后煤炭粒燃烧加重,主要残炭类型—球形煤胞变得疏松;助燃催化剂可以使高灰分煤峰包显著降低,燃烧性大大提高。4.结合3750t/d水泥熟料生产线中分解炉内煤粉燃烧过程进行了数值模拟;在此基础上,采用有限速率/涡耗散模型模拟研究了喷旋分解炉的三维流动、煤粉催化燃烧,分析了热态状况下分解炉内气流速度场、温度场、颗粒浓度场及气相组份场等。本文研究成果将为劣质煤粉在预分解系统中的高效资源化利用提供一定的理论基础和技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.2.1 劣质煤活化燃烧技术
• 1.2.2 国内外预分解系统的发展
• 1.2.3 存在的主要问题
• 1.3 研究目的、研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 原材料与试验方法
• 2.1 原材料
• 2.1.1 试验用煤粉的采集及制备
• 2.1.2 试验用煤粉助燃催化剂的选择
• 2.2 煤粉燃烧试验
• 2.2.1 热重分析试验装置
• 2.2.2 热重分析法
• 2.3 傅立叶红外（FTIR）分析
• 2.4 X射线衍射（XRD）分析
• 2.5 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.6 煤样的干馏
• 2.7 固定碳热重-差热分析
• 第3章 水泥工业高灰分煤催化燃烧特性及机理
• 3.1 高灰分烟煤的燃烧特性及其催化燃烧
• 3.1.1 高灰分烟煤的催化燃烧分析
• 3.1.2 高灰分烟煤的催化燃烧特性
• 3.1.3 催化剂对高灰分烟煤燃烧动力学参数的影响
• 3.2 高灰分无烟煤的燃烧特性及其催化燃烧
• 3.2.1 高灰分无烟煤的催化燃烧分析
• 3.2.2 高灰分无烟煤的催化燃烧特性
• 3.2.3 催化剂对高灰分无烟煤燃烧动力学参数的影响
• 3.3 复合催化剂对高灰分煤燃烧的催化作用
• 3.3.1 复合催化剂对高灰分煤着火与燃尽特性的影响
• 3.3.2 复合催化剂对高灰分煤燃烧动力学参数的影响
• 3.4 催化燃烧机理探讨
• 3.5 本章小结
• 第4章 助燃催化剂对固定碳燃烧催化作用机理
• 4.1 助燃催化剂对煤粉固定碳燃烧放热过程的影响
• 4.2 助燃催化剂对煤粉固定碳燃烧失重的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 助燃催化剂对未燃煤粉微观结构的影响
• 5.1 助燃催化剂对未燃煤粉官能团变化的影响
• 5.2 助燃催化剂对未燃煤粉的微晶结构特征的影响
• 5.2.1 助燃催化剂对未燃煤粉XRD图谱的影响
• 5.2.2 未燃煤粉的SEM分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 预分解系统内煤粉燃烧的数值模拟
• 6.1 模拟对象
• 6.2 数值模拟基础与方法
• 6.2.1 基本假设
• 6.2.2 数学模型
• 6.2.3 控制方程
• 6.2.4 边界条件
• 6.2.5 计算方法
• 6.3 数值模拟结果与分析
• 6.3.1 流场
• 6.3.2 温度场
• 6.3.3 气体组分场
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录一 攻读硕士期间发表文章及申报专利
• 附录二 硕士期间参加科研项目
• 附录三 硕士期间获奖情况
• 致谢