發(fā)布時(shí)間：2020-10-14 20:02

　　 化石能源日益枯竭，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。我國(guó)每年生產(chǎn)煤炭的80%左右直接用于燃燒，NOx排放量巨大。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富。生物質(zhì)能是一種理想的可再生替代能源，氣化技術(shù)是生物質(zhì)能利用技術(shù)中較有前景的一種方式。焦油是氣化過(guò)程的副產(chǎn)物，也是氣化技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，但焦油有還原NO的作用。利用焦油這一特性，本文采用氣化再燃技術(shù)，將生物質(zhì)氣化后產(chǎn)生的含焦油生物質(zhì)氣作為再燃燃料，減少燃煤鍋爐NOx排放。此技術(shù)能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能資源化、合理化應(yīng)用。本文對(duì)焦油及含焦油生物質(zhì)氣還原NO的實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究，為含焦油生物質(zhì)氣再燃技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。 本文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，首先對(duì)典型焦油模型化合物、以及真實(shí)的含焦油生物質(zhì)氣還原NO進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到不同條件下NO還原效果的影響因素和變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，建立焦油模型化合物還原NO的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理；最后，建立簡(jiǎn)化的含焦油生物質(zhì)氣還原NO的機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)對(duì)含焦油生物質(zhì)氣再燃過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。主要工作如下： 分別在管式流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)以及微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)苯、苯酚兩種反應(yīng)活性差別較大的典型焦油模型化合物還原NO的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。主要針對(duì)溫度、氧量（當(dāng)量比）對(duì)NO還原效果的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出焦油還原NO的宏觀規(guī)律：焦油在高溫環(huán)境中同時(shí)發(fā)生互相競(jìng)爭(zhēng)的裂解以及聚合兩種過(guò)程，焦油裂解形成小分子烴類和非烴類氣體產(chǎn)物，聚合形成碳黑前驅(qū)物或者碳黑。雖然碳黑有還原NO的作用，但相對(duì)小分子物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其還原NO的效果較差，因此使焦油充分裂解的條件即可取得較好的還原效果。 搭建上吸式小型批量式生物質(zhì)氣化爐，結(jié)合已有的管式流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，組成小型批量式生物質(zhì)氣化再燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行實(shí)際氣化爐產(chǎn)生的含焦油生物質(zhì)氣再燃的實(shí)驗(yàn)，NO為配氣。針對(duì)含焦油生物質(zhì)氣的量、氧量、溫度、當(dāng)量比等因素對(duì)含焦油生物質(zhì)氣還原NO的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并重點(diǎn)分析焦油對(duì)氣化氣還原NO過(guò)程中的影響。得出以下結(jié)論：含焦油生物質(zhì)氣再燃過(guò)程中，需要有一定氧氣的存在，但氧氣的量要和燃料的量相匹配。氧氣過(guò)少時(shí)如果溫度較高會(huì)因?yàn)槿剂系倪^(guò)富環(huán)境導(dǎo)致自由基減少以及形成碳黑，使還原效率下降；氧氣過(guò)多會(huì)因?yàn)楦谎醐h(huán)境導(dǎo)致燃料燃燒而不再用于還原NO；而氧氣適量時(shí)溫度提高則有利于NO還原。此外，焦油對(duì)生物質(zhì)氣還原NO的影響不容忽視。相比較簡(jiǎn)單烴類，焦油裂解需要更多氧氣的參與，特別是焦油中存在的一些活性較差的組分，需要在氧量較多時(shí)才能夠發(fā)生開(kāi)環(huán)裂解。 為模擬實(shí)際煤粉鍋爐再燃的實(shí)驗(yàn)，在已有20kWe低NOx試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，搭建連續(xù)進(jìn)料的10kWth上吸式生物質(zhì)氣化爐，組成中試規(guī)模的生物質(zhì)氣化再燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行中試規(guī)模的含焦油生物質(zhì)氣再燃的實(shí)驗(yàn)。主要考察再燃區(qū)溫度、再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)以及再燃區(qū)輸入熱量對(duì)還原NO的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出含焦油生物質(zhì)氣再燃的最佳運(yùn)行工況是在再燃區(qū)溫度1200℃，再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)0.7，再燃燃料熱量占總熱量15%左右時(shí)，NO最佳還原率達(dá)到84%。此研究對(duì)實(shí)際規(guī)模的氣化再燃技術(shù)的應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。 通過(guò)對(duì)上吸式氣化爐產(chǎn)生的焦油進(jìn)行分析的結(jié)果，采用苯酚（C6H5OH）作為焦油組分的代表物，對(duì)苯酚還原NO的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究。該機(jī)理由苯酚裂解機(jī)理、小分子氣體還原NO機(jī)理兩部分組成。其中小分子氣體還原NO的機(jī)理采用比較成熟的GRI3.0機(jī)理。在分析大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出苯酚在再燃條件下的裂解路徑，重點(diǎn)針對(duì)苯酚自身熱裂解的起始反應(yīng)、苯酚裂解過(guò)程中重要的自由基反應(yīng)及其反應(yīng)參數(shù)的選取進(jìn)行分析，構(gòu)建苯酚裂解機(jī)理。 通過(guò)苯酚還原NO的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了苯酚還原NO的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。詳細(xì)機(jī)理經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，針對(duì)詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行分析，分別包含以下幾個(gè)方面：首先對(duì)苯酚裂解分析，主要分析溫度和氧量的影響；其次，對(duì)苯酚還原NO過(guò)程中反應(yīng)路徑分析，揭示不同條件下苯酚裂解反應(yīng)路徑有何不同，同時(shí)找到對(duì)還原NO起主要作用的自由基；再次，通過(guò)計(jì)算瞬態(tài)反應(yīng)過(guò)程中苯酚裂解、自由基的生成以及NO被還原的過(guò)程，得到不同自由基的生成規(guī)律，通過(guò)分析這些自由基與NO的反應(yīng)活性的差別，指出其作用不同的原因。 采用敏感性分析的方法對(duì)含焦油生物質(zhì)氣還原NO的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到了簡(jiǎn)化機(jī)理。采用簡(jiǎn)化機(jī)理對(duì)20kWe低NOx試驗(yàn)臺(tái)的含焦油生物質(zhì)氣再燃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，并針對(duì)再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)、再燃區(qū)溫度等影響因素進(jìn)行分析。通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了簡(jiǎn)化機(jī)理的正確性，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)生物質(zhì)氣主要組分波動(dòng)、停留時(shí)間等對(duì)再燃效果的影響。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：TK6
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 課題的研究背景及意義
    1.2 再燃技術(shù)簡(jiǎn)介
    1.3 生物質(zhì)再燃研究綜述
        1.3.1 生物質(zhì)直接再燃實(shí)驗(yàn)研究
        1.3.2 生物質(zhì)氣再燃實(shí)驗(yàn)研究
        1.3.3 再燃詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理研究
        1.3.4 生物質(zhì)再燃數(shù)值模擬研究
            1.3.4.1 詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理
            1.3.4.2 簡(jiǎn)化的反應(yīng)機(jī)理
            1.3.4.3 總包反應(yīng)機(jī)理
        1.3.5 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.4 焦油研究綜述
        1.4.1 焦油的定義
        1.4.2 焦油的形成
        1.4.3 焦油熱裂解研究
        1.4.4 焦油還原 NO 研究
    1.5 總結(jié)
    1.6 本文研究?jī)?nèi)容和方法
    參考文獻(xiàn)
第二章 焦油還原NO 的實(shí)驗(yàn)研究
    2.1 前言
    2.2 苯還原 NO 的實(shí)驗(yàn)研究
        2.2.1 管式流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)
        2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟
        2.2.3 實(shí)驗(yàn)條件
        2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
            2.2.4.1 當(dāng)量比的影響
            2.2.4.2 溫度的影響
            2.2.4.3 停留時(shí)間的影響
    2.3 苯酚還原 NO 的實(shí)驗(yàn)研究
        2.3.1 微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)臺(tái)
        2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟
        2.3.3 實(shí)驗(yàn)條件
        2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
            2.3.4.1 當(dāng)量比的影響
            2.3.4.2 溫度的影響
            2.3.4.3 苯酚初始濃度的影響
    2.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章 含焦油生物質(zhì)氣再燃實(shí)驗(yàn)研究
    3.1 前言
    3.2 基于小型批量式生物質(zhì)氣化的再燃實(shí)驗(yàn)研究
        3.2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹
        3.2.2 實(shí)驗(yàn)原料
        3.2.3 實(shí)驗(yàn)條件
        3.2.4 焦油取樣及分析方法
            3.2.4.1 焦油取樣方法
            3.2.4.2 焦油分析方法
        3.2.5 氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
            3.2.5.1 氣化爐產(chǎn)氣隨時(shí)間的變化
            3.2.5.2 焦油組分分析
        3.2.6 再燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
            3.2.6.1 氧量的影響
            3.2.6.2 溫度的影響
            3.2.6.3 當(dāng)量比的影響
            3.2.6.4 與其他燃料的比較
    3.3 基于連續(xù)進(jìn)料生物質(zhì)氣化的再燃實(shí)驗(yàn)研究
        3.3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹
            3.3.1.1 20kWe 多功能低 NOx 實(shí)驗(yàn)臺(tái)
            3.3.1.2 10kWth上吸式生物質(zhì)氣化爐
            3.3.1.3 生物質(zhì)氣化再燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)
        3.3.2 實(shí)驗(yàn)原料
        3.3.3 實(shí)驗(yàn)條件
        3.3.4 氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
            3.3.4.1 氣化爐溫度及產(chǎn)氣隨空氣量的變化
            3.3.4.2 焦油組分分析
        3.3.5 再燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
            3.3.5.1 原始工況和再燃工況比較
            3.3.5.2 過(guò)量空氣系數(shù)的影響
            3.3.5.3 溫度的影響
            3.3.5.4 含焦油氣再燃實(shí)驗(yàn)對(duì)比
    3.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第四章 苯酚還原NO 詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的構(gòu)建
    4.1 前言
    4.2 機(jī)理建立思路
    4.3 苯酚裂解路徑
    4.4 苯酚裂解詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理
        4.4.1 苯酚自身熱裂解的起始反應(yīng)
        4.4.2 苯酚與自由基的反應(yīng)
        4.4.3 反應(yīng)參數(shù)的選取
        4.4.4 重要中間產(chǎn)物的反應(yīng)
            4.4.4.1 苯氧基的反應(yīng)
            4.4.4.2 反應(yīng)參數(shù)的選取
            4.4.4.3 環(huán)戊二烯、環(huán)戊二烯基的反應(yīng)
            4.4.4.4 其他中間產(chǎn)物的反應(yīng)
    4.5 還原 NO 的機(jī)理
    4.6 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章 苯酚還原NO 機(jī)理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析
    5.1 前言
    5.2 Chemkin 簡(jiǎn)介
    5.3 計(jì)算方法
        5.3.1 模型的選擇
        5.3.2 邊界條件
        5.3.3 求解方法
        5.3.4 反應(yīng)速率分析方法
    5.4 驗(yàn)證結(jié)果及分析
        5.4.1 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比-隨當(dāng)量比的變化
        5.4.2 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比-隨溫度的變化
        5.4.3 計(jì)算與結(jié)果對(duì)比-隨苯酚濃度的變化
    5.5 苯酚還原 NO 的機(jī)理分析
        5.5.1 苯酚裂解分析
        5.5.2 苯酚還原 NO 反應(yīng)路徑分析
            5.5.2.1 富燃料條件下的反應(yīng)路徑分析
            5.5.2.2 富氧條件下的反應(yīng)路徑分析
        5.5.3 苯酚還原 NO 過(guò)程分析
    5.6 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章 含焦油生物質(zhì)氣再燃的數(shù)值模擬
    6.1 前言
    6.2 反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化
        6.2.1 敏感性分析方法介紹
        6.2.2 敏感性分析
            6.2.2.1 NO 的敏感性分析
            6.2.2.2 C2H2的敏感性分析
            6.2.2.3 C6H5OH的敏感性分析
        6.2.3 骨架機(jī)理
    6.3 數(shù)值模擬
        6.3.1 湍流-化學(xué)反應(yīng)模型的選擇
        6.3.2 輻射模型的選擇
        6.3.3 模擬條件和方法
        6.3.4 模擬結(jié)果及分析
            6.3.4.1 再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的影響
            6.3.4.2 再燃區(qū)溫度的影響
            6.3.4.3 模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
            6.3.4.4 預(yù)測(cè)氣化氣組分的影響
            6.3.4.5 預(yù)測(cè)停留時(shí)間的影響
    6.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第七章 全文總結(jié)、創(chuàng)新點(diǎn)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 進(jìn)一步工作展望
符號(hào)說(shuō)明
附錄 1
附錄 2
致謝
作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文

【參考文獻(xiàn)】

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3 郭偉;;中國(guó)城市垃圾:肥沃的能源產(chǎn)地[J];節(jié)能與環(huán)保;2011年06期

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5 張楚瑩;王書(shū)肖;邢佳;趙瑜;郝吉明;;中國(guó)能源相關(guān)的氮氧化物排放現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào);2008年12期

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本文編號(hào)：2841119