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油污泥的流化床焚烧处理方法及其燃烧机理

作　者: 刘建国
导　师: 姜秀民
学　校: 上海交通大学
专　业: 热能工程
关键词: 油污泥焚烧处理流化床燃烧机理排放特性数值模拟
分类号: X741
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

含油污泥是石油开采和加工过程中的“伴生品”,是一种危险废弃物,产生在石油生产的各个环节(原油的开采、运输、原油的精加工)。在我国每年有近百万吨的油污泥产量,而到目前为止还没有成熟完善的油污泥处理方法。由于工业生产所带来的环境问题越来越受到社会的关注,对油污泥进行无害化处理已是一个迫在眉睫的问题,科学、有效地解决含油污泥处理难题对石油行业的可持续发展具有重要意义。焚烧工艺被世界各国认为是污泥处理中的最佳实用技术之一,它以处理速度快,减量化程度高,能源再利用等突出特点而著称。针对目前国内油污泥的处理现状和污泥处理的发展趋势,文本提出了油污泥流化床焚烧处理方法,油污泥经过焚烧处理后,污泥中的有机质被高温分解并燃烧,同时残渣体积小,热能可以利用。油污泥在流化床内燃烧是一个崭新的课题,关于油污泥在流化床内燃烧的研究鲜见报道。其中油污泥在流化床内的燃烧特性及机理是实现油污泥流化床焚烧处理和稳定运行的关键,本文针对此关键问题较为系统地展开了实验、理论和应用研究工作。油污泥的理化特性是油污泥流化床焚烧的基础,本文第二章对油污泥的化学成分、热化学特性、升温过程中的挥发分析出及组分等进行了实验研究,在实验中采用了多种实验方法,主要包括:利用萃取方法分析了油污泥的有机组分;应用色谱质谱联用仪(GC/MS)确定了有机组分的化学成分;利用热重分析分析了油污泥在程序升温过程中的热解、燃烧特性;利用带有火焰离子检测器的油气评价系统分析了程序升温过程中的烃类物质的挥发释放特性;应用固定床反应器研究了一定升温速率下热解挥发分组分随温度的析出规律。从油污泥的特性分析入手,基于其工业分析、元素分析、成分分析及热重分析等基础数据,根据不同升温速率下热解的烃析出曲线采用等转化率法求解了热解过程中烃析出活化能随反应程度的变化规律,并讨论了其变化机理。在油污泥流化床处理系统中,石英砂作为惰性床料其在床内的破碎和磨损规律对流化床的稳定运行有重要影响。本文第三章在热态实验台上进行了石英砂破碎、磨损规律的实验研究。在破碎实验中考虑了颗粒尺寸(2.5~6mm)和床温(650~950℃)对破碎的影响。研究结果发现破碎随着床温的升高和颗粒尺寸的增大而加剧,对于较小颗粒在床温较低的情况下,破碎主要发生在颗粒表面,破碎的主要动力是温度梯度引起的在颗粒表面产生的压应力,其特征为产生大量的细小颗粒,而平均粒径不发生明显变化。对于较大颗粒在床温较高的情况下,颗粒会由于颗粒中心处的拉应力超过颗粒的抗拉极限而发生热破碎,其特征是母颗粒会分裂成几个大小相当的子颗粒,使平均粒径明显减小。采用正交实验的设计方法在热态实验台上进行了石英砂床料的磨损实验,通过对不同运行参数(颗粒平均直径、床温、流化数、床料高度)对石英砂床料磨损影响的级差分析,得到不同运行参数对石英砂床料磨损影响程度的主次关系依次是流化数、平均粒径、床温、料层高度。基于灰色预测理论推导了GM(1, 5)灰色模型,预测了石英砂在流化床内的磨损,实验结果验证了GM(1, 5)模型的准确性,其平均预测误差仅为0.508%。本文第四章在小型热态流化床上进行了单颗粒油污泥球的热解和燃烧实验以及油污泥的连续燃烧实验。实验中考虑了油污泥球径的变化对热解过程中挥发分组分和热解时间的影响;分析了燃烧过程中油污泥球径、床温、流化风速和水分含量对燃尽时间、烟气组分和浓度的影响。在单颗粒油污泥球燃烧实验结果的基础上,研究了油污泥连续燃烧过程中表观流化风速和床温对燃烧的影响,分析了炉膛高度方向上的烟气成分的变化规律;最后讨论了油污泥在流化床内燃烧的成灰特性,并在小型实验台上进行了油污泥灰的扬析实验,得到了扬析速率常数Ki*与相关因素的实验关联式。结合油污泥流化焚烧工艺专利,在深入研究分析油污泥流化床燃烧特点的基础上,在本文的第五章确定了油污泥洁净焚烧装置的结构设计参数,优化设计了一套完整的洁净焚烧装置。在本文第6章对所设计的20t/h油污泥循环流化床燃烧锅炉进行了系统的性能测试。研究了油污泥-水煤浆混烧的燃烧特性、气体污染物排放特性、灰渣特性。通过分析沿床高的温度分布总结了油污泥-水煤浆混烧比对燃烧的影响,分析表明,采用水煤浆作为伴烧燃料可以非常灵活地调节密相区的运行温度。应用油污泥-水煤浆流化燃烧综合数学模型,对油污泥-水煤浆流化床炉内床高方向上的温度分布及烟气组分分布进行了数值模拟,通过对模型模拟结果和实测结果的比较,表明该模型可以描述油污泥-水煤浆流化燃烧过程的主要特征。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-26
  1.1 前言  11
  1.2 油污泥的处理方法及现状  11-13
    1.2.1 油污泥的处理方法  11-13
    1.2.2 我国油污泥的处理现状  13
  1.3 油污泥的流化床焚烧处理  13-14
    1.3.1 流化床燃烧技术的应用  13
    1.3.2 油污泥的流化床焚烧处理方法  13-14
  1.4 流化床内燃烧过程的研究状况  14-19
    1.4.1 燃料在流化床内破碎和混合的研究  14
    1.4.2 流化床内的挥发分的析出和燃烧  14-16
    1.4.3 燃料在流化床内的燃烧模型  16-17
    1.4.4 流化床内灰颗粒的夹带和扬析特性研究  17-18
    1.4.5 流化床内燃烧的污染物排放与控制  18-19
  1.5 流化床焚烧技术的应用研究  19
  1.6 课题研究内容  19
  参考文献  19-26
第2章油污泥的基础特性  26-54
  2.1 油污泥的基本燃料特性  26-27
  2.2 油污泥的成分分析  27-37
    2.2.1 有机质抽提及族组分分析  27-36
    2.2.2 油污泥的无机成分分析  36-37
  2.3 油污泥的热解产物分析  37-38
  2.4 油污泥试样的热重分析  38-44
    2.4.1 热解实验  38-40
    2.4.2 燃烧实验  40-41
    2.4.3 热解和燃烧实验对比分析  41-42
    2.4.4 干燥试样的TGA 分析  42-44
  2.5 升温速率对热解生成烃的影响  44-45
  2.6 等转化率法求解热解烃释放的动力学参数  45-51
    2.6.1 非等温实验的等转化率法  46-48
    2.6.2. 非等温等转化率方法的动力学预测  48-49
    2.6.3 非等温热解的等转化率法动力学分析  49
    2.6.4 几种常见非等温热解的等转化率法的对比  49-51
    2.6.5 非等温热解的等转化率法动力学预测  51
  2.7 本章小结  51-52
  参考文献  52-54
第3章石英砂床料的实验研究  54-74
  3.1 流化床内石英砂的热破碎  54-64
    3.1.1 实验目的  54
    3.1.2 石英砂在快速升温下的温度分布和应力分布  54-59
    3.1.3 流化床内石英砂的热破碎  59-64
  3.2 石英砂床料的磨损及其灰色预测模型  64-71
    3.2.1 实验系统与工况  64-66
    3.2.2 实验步骤  66
    3.2.3 结果和讨论  66-68
    3.2.4 石英砂磨损的灰色预测  68-71
  3.3 本章小结  71-72
  参考文献  72-74
第4章油污泥流化床焚烧的实验研究  74-112
  4.1 流化床实验台系统  74-75
  4.2 单颗粒油污泥球在流化床内的热解  75-78
    4.2.1 实验样品及方法  75
    4.2.2 实验步骤  75-76
    4.2.3 实验结果及分析  76-78
  4.3 单颗粒油污泥球在流化床内的燃烧实验  78-86
    4.3.1 实验工况及步骤  78-79
    4.3.2 实验步骤  79
    4.3.3 实验结果及分析  79-86
  4.4 油污泥在流化床内的连续燃烧  86-99
    4.4.1 实验介绍  86-87
    4.4.2 实验步骤  87
    4.4.3 油污泥在流化床内的连续燃烧现象  87-88
    4.4.4 运行参数对燃烧的影响的实验结果及分析  88-91
    4.4.5 流化床高度方向上的挥发分释放和燃烧  91-93
    4.4.6 燃烧过程中污染物的控制  93-96
    4.4.7 油污泥团在流化床内的成灰特性  96-99
  4.5 流化床内油污泥灰颗粒的夹带和扬析特性  99-108
    4.5.1 实验样品和系统实验方法  100-101
    4.5.2 实验程序  101
    4.5.3 油污泥灰颗粒动力特性  101-102
    4.5.4 实验结果及讨论  102-108
  4.6 本章小结  108-109
  参考文献  109-112
第5章油污泥流化床锅炉的应用研究  112-120
  5.1 油污泥的流化床燃烧处理系统  113-119
    5.1.1 油污泥的存储、供给系统  114
    5.1.2 油污泥流化床焚烧系统  114-118
    5.1.3 除尘除灰系统  118-119
  5.2 本章小结  119
  参考文献  119-120
第6章油污泥流化床锅炉的性能试验及模型预测  120-144
  6.1 锅炉测点布置  120
  6.2 冷态测定项目  120-122
  6.3 热态测定项目  122-128
    6.3.1 油污泥燃料特性  122-123
    6.3.2 锅炉的点火启动  123
    6.3.3 燃烧调节特性  123-127
    6.3.4 炉内空间高度上的压力分布  127
    6.3.5 流化床内的烟气成分沿烟气流程的变化  127-128
  6.4 污染物排放  128-130
    6.4.1 SO_2 浓度测定结果分析  128-129
    6.4.2 NOx 浓度的测定结果  129-130
    6.4.3 CO 浓度的测定结果  130
  6.5 锅炉灰颗粒特性及管理  130-134
    6.5.1 一、二级分离器飞灰颗粒特性  131
    6.5.2 锅炉底灰颗粒特性  131-132
    6.5.3 灰含碳量分析  132-133
    6.5.4 混烧灰的重金属元素分析  133-134
  6.6 锅炉热效率计算  134-135
  6.7 油污泥流化床的炉内燃烧过程模拟  135-142
    6.7.1 数学模型概述  135-136
    6.7.2 数学模型的建模思想及结构  136-139
    6.7.3 炉内燃烧过程模拟  139-142
  6.8 本章小结  142-143
  参考文献  143-144
第7章全文总结及工作展望  144-147
  7.1 全文总结  144-145
  7.2 创新点  145-146
  7.3 工作展望  146-147
致谢  147-148
作者攻读博士学位期间发表的论文及科研成果  148-153

油污泥的流化床焚烧处理方法及其燃烧机理

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