废轮胎胶粉再燃脱硝性能的研究

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煤粉燃烧过程中生成的氮氧化物(NOx)是电站锅炉排放的主要污染物之一,严重威胁着大气环境和人类健康。为了解决电站锅炉排放的NOx对环境的污染问题,许多控制NOx的技术应运而生,其中再燃脱硝是一种很有效的方法。常规的再燃燃料为天然气和低阶煤粉。天然气的价格昂贵,煤粉也是化石能源,且效率难以突破,主要原因是煤中赋存于杂环结构中的N以char-N的形式存在,在燃烬段重新生成NOx导致总效率不能提高。寻找一种高效的能够取代天然气和煤粉的替代再燃燃料具有学术意义和工程应用价值。随着我国经济的迅速发展,我国每年生产和消费的轮胎快速增加。同时,废轮胎作为一种难以处理的固体废弃物,也正在以很高的速度增加,带来环境污染问题和资源浪费问题。废轮胎为不熔或难熔性高分子弹性材料,具有很强的抗热、抗生物、抗机械性,并难以降解,废旧轮胎的处理已经成为一个全球性的环境问题。废轮胎的主要成分橡胶和碳都是宝贵的资源,而且废轮胎具有非常高的热值,挥发份含量高达60%以上,含N、S相对很低,理论上是一种非常好的再燃燃料。为此本文选用废旧轮胎胶粉作为研究对象,研究其作为再燃燃料的再燃脱硝性能。首先通过热重实验,通过TG/DTG,DSC与质谱仪联用等方法研究了废轮胎胶粉、煤粉在氮气气氛下的热解特性和挥发份释放特性。结果发现废轮胎胶粉的最大失重率可达64.3%,其热解行为比神华煤粉的热解行为更加容易进行、热解挥发份析出特性更好、热解温度更低、热解温度范围更小。同时废轮胎胶粉热解时释放出来的气体以对NOx具有较强还原性CmHn和H2为主,CmHn先释放出来,H2后释放出来,因此废轮胎胶粉是一种非常好的再燃燃料。本文同时对废轮胎胶粉进行了热解动力学的研究,用模型计算了有关热解动力学参数,分析了热解过程中试样的反应机理。随后在小型热态炉中对废轮胎胶粉进行了再燃实验。对再燃燃料化学计量比SR2、初始NO浓度、停留时间和炉膛温度等因素对废胶粉再燃脱硝性能的影响进行了研究。再燃实验结果发现:1).废轮胎胶粉在一定条件下脱硝效率高达95%左右,与同条件下天然气的再燃脱硝效率一样好,因此废轮胎胶粉完全可以取代天然气作为大型电厂燃煤锅炉的再燃燃料。2).废轮胎胶粉再燃的最佳再燃区化学计量比SR2在0.8~0.9,废胶粉在炉内达到最佳脱硝效率时的停留时间要比一般的煤粉所需的停留时间短,在0.30s时达到最佳脱硝效率,最佳再燃温度为1150℃。3).废轮胎胶粉2段再燃脱销实验表明,随着三次风的加入,炉膛出口NO浓度升高,但仍然能够在一定条件下达到85.0%左右的脱硝效率。最后采用计算流体力学软件FLUENT分别模拟废旧轮胎胶粉和煤粉小型多功能热态炉中的燃烧过程,研究了化学计量比、炉膛温度、燃料粒径和燃料量等对NO排放规律的影响。实验结果发现:1).废轮胎胶粉比神华煤粉更加容易燃烧,两种燃料的NO在小型热态实验炉中的析出特性,出现一个先增加后减少的趋势。2).随着温度的增加,神华煤粉的NO生成量缓慢升高,而废轮胎胶粉的NO生成量降低;随着化学计量比的增加,废轮胎胶粉和神华煤粉的NO生成量增加;废轮胎胶粉的细度对NO生成量影响较大,细度越细,NO生成量越少。研究结果发现,基于废轮胎胶粉的燃料纯再燃条件下具有和天然气一样优良的再燃脱硝效果,和某种物质混合燃烧时,在2段燃烧条件下,最终的NO脱除率可高达85.0%,接近于相同条件下天然气的2段再燃燃烧结果,而远远高于相同条件下低阶煤粉的再燃燃烧结果。它表明,本文研究的废轮胎胶粉可以取代天然气和煤粉,是一种优良的替代再燃燃料。本文的研究结果对于高品位利用废轮胎具有重要的工程指导价值。
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