（工程热物理专业论文）离心式旋转煤粉浓缩器在超细煤粉再燃技术中的应用.pdf

摘要 随着社会的发展，能源在现实生活中扮演着越来越重要的角色。在我国现有的能源结构 中，煤炭一直占据着主导地位。随着煤炭消耗量的不断增加，燃煤所造成的环境污染问题日 益突出，其中n o x 的排放严重地影响着环境、气候和人类的健康，成为一个迫切需要解决 的问题。在诸多脱氨技术中，燃料再燃是一种很有效的方法。本文针对再燃燃料的来源、再 燃系统的布置方式等关键问题，提出了超细煤粉再燃降低n o x 排放的技术，并对此进行了 一系列探索性的研究。 本文首先对n o x 的生成和控制原理进行了理论探讨，对目前流行的脱氮技术进行了横 向的比较；然后对超细煤粉的物理、燃烧特性进行了分析，为超细煤粉再燃降低n o x 排放 的试验研究奠定理论基础。 超细煤粉的获得是实施超细煤粉再燃技术的关键。本文提出了对三次风中的超细煤粉进 行浓缩实施再燃技术的方案，其中煤粉浓缩器的设计是整个方案实施的关键。论文采用较大 的篇幅对离心式旋转煤粉浓缩器的设计过程进行了详细的论述，同时对煤粉浓缩器的浓缩效 果进行了详细的试验。从中可以看出，采用离心式旋转煤粉浓缩器实施超细煤粉再燃，在满 足了再燃技术所需的再燃燃料量的需求的同时，有效地弱化了三次风对锅炉机组运行的影 响，从而达到了一举两得的效果。 在满足再燃技术要求的同时，采用有效的结构方式设计能够保证整个系统实施的经济 性。在采用煤粉浓缩器获得了足够的再燃燃料的基础上，经过浓缩的煤粉气流直接吹入炉膛 的再燃区，在实现再燃脱氮的同时力争做到原有机组的改动幅度最小，从而使整个实施方案 具有较强的实用性。 由于试验设备运行参数的限制，一些参数较高时的试验工况不能直接获得。论文采用了 数值模拟的方法获得了相关的试验数据，从而保证了整个试验的连续性，使整个方案更加完 整。 关键词：超细粉，再燃，三次风，n o x ，旋转分离，数值模拟 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to f t h ew o d d ，e n e r g ys o u i g c sp l a ya l li m p o 尬t p a r ti nt h ep r o c e s s t o d a y t h ec o n s u m eo fc o a li sd o m i n a n ti nt h ew a s t a g eo ft h ee n e r g y w i t ht h e w a s t a g eo ft h ec o a l i n c r e a s i n g ，t h ee n v i r o n m e n ti sp o l l u t e dm o r ea n dm o r es e r i o u s l y d u r i n gt h ec o n s eo ft h ec o a l b u r n i n g , e m i s s i o no fn o xi sa ni n c r e a s i n 誊t h r e a tt oe n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h ，a n di su r g e n t t ob er e s o l v e d a m o n ga l lk i n d so fm e t h o d st oc o n t r o ln o xe m i s s i o n ，f u e l r e b u m i n gi sv e r y e f f i c i e n t i nt h i sp a p e r , w ee x p a t i a t et h et h e o r yo ft h ef o r m a t i o na n dc o n t r o lo fn o xa tf i r s t ，a n dt h e n c o m p a r ed i f f e r e n tk i n d so fc o n t r o lm e t h o d s ，b a s e do nt h ea n a l y s i n go fp h y s i c a la n dc h e m i c a t c h a r a c t e ro f m i c r o n i z e dc o a l ，w cd ot h er e s e a r c ho f m i c r o p u l v e r i z e dc o a lr e b u m i n g t e c h n o l o g y i nt h ea p p l i c a t i o no f r e b u r n i n g ，m i c r o - p u l v e r i z e dc o a l sc o l l e c t i o ni st h ek e y i nt h i sp a p e r , w e b r i n gf o r w a r dap r o j e c tt oc o l l e c tm i c r o - p u l v e r i z e dc o a li nt h et e r t i a r ya i r , t h r o u g hw h o s e a p p l i c a t i o nw ec a ng a i nt h er e b u m i n gf u e la n dd i m i n i s ht h ei n f l u e n c eo ft h et e r t i a r ya i ro np o w e r p l a n to p e r a t i o na tt h es a m et i m e am a j o r i t yo f t h i sp a p e re x p a t i a t et h ed e s i g na n de x a m i n a t i o no f t h er o t a r y - c l a s s i f i e r , w h i c hi su s e dt oc o n d e n s et h et e r t i a r ya i r a st h el i m i to ft h ee q u i p m e n t ，w ec a r lo n l yg e tp a r to ft h ee x p e r i m e n t a ld a t e b yd i n to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w em a k et h ed a t ei n t e g r a la n d b r i n gf o r w a r dt h ew h o l ep r o j e c ti nd e t a i l t h ew o r ko ft h i sp a p e ri s p a r to ft h e8 6 3p r o j e c t m o r er e s e a r c hi st ob ec a r r i e do u ti nt h e f l l t l t i r e k e yw o r d s ：m i c r o p u l v e r i z e d ，c o a lr e b u m i n g ，t e r t i a r y a l r , n o x ，r o t a r y - c l a s s i f yt e c hn o l o g y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：墨蟊 签字日期：讪。r 年3 月q 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翼玩 签字日期：。r 年3 月9 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：矽 和 i 签字日期：伽。r 年j 月9 同 电话 邮编 第一章、绪论 1 1 能源和污染情况概述 1 1 1 我国的能源结构 随着人类社会的发展，能源在社会进步的过程中扮演着越来越重要的角色。近代社会所 有根本性的变革，从工业革命到今天的信息革命，其基础皆是能源。+ 正如有人对能源行业重 要性的的解释：“如果没有了能源，电脑又能干什么? ” 长期以来，煤炭在我国能源结构中一直占有主导地位。近年来，随着石油、天然气消费 量的不断增加和水利资源的开发利用，煤炭在能源生产总量和能源消费总量中的比例已从 5 0 6 0 年代的9 0 n 下降到了7 0 左右( 表1 ，1 ) ，但煤炭的生产和消费在我国能源结构中的 主导地位均没有改变，而且其生产和消费的总量增加了近2 倍多。单就电力行业而言，水文 环境的保护以及拆除水坝所涉及的未来成本难以估计，从一定程度上限制了水电行业的发 展；而石油在未来将更多的涉及到能源的战略储备，其成本呈不断攀升趋势，难以大规模应 用；天然气储量分布不均，运输和使用的安全性尚需加强。综合各个方面专家对我国能源的 欧j c | j 预测，到本世纪中叶，煤炭在我国能源消费结构中仍将占有6 0 以上的比例【| 】。而在煤 炭的消费结构中，我国用于电厂锅炉、工业锅炉、窑炉和采暖等的比例很高，约占4 7 4 8 ，大量煤炭是直接燃烧使用的，这使得燃煤造成的环境污染问题日益突出。 能源生产占能源生产总量，能源消费 占能源消耗总量 年份 总n m t原煤原油天然气水电总量m t原煤原油天然气水，u 1 9 6 02 9 63 79 562505143 0 18 89 39 04 1104 515 4 1 9 7 03 0 99 08 161 41123 12 9 29 18 08 91 4 6 7o9 235 3 1 9 8 06 3 73 56 942 383 ，03 86 0 27 57 2 1 52 07 631 039 9 1 9 8 58 5 5 4 6 7 28 2 0 9 2 o4 3 7 6 6 8 27 5 8 11 7 1 02 2 4 48 5 19 9 0 1 0 3 92 27 4 21 902o4 89 8 7 0 37 6 2 01 6 6 021 05 1 0 t 9 9 51 2 9 0 3 47 53 1 661g 621 3 1 1 7 67 4 6 01 7 5 01b 061 0 1 9 9 61 3 2 6 1 67 5 21 7o2 058 1 3 8 8 1 17 4 7 01 8 o o 18 0 5 5 0 1 9 9 91 1 0 00 06 8 22 093178 1 2 2 0 0 06 71 02 3 42 8 0 67 0 表1 1 中国一次能源产量、消费量及构成1 2 。1 3 1 1 2 污染现状和相关排放标准 在排放到大气的污染物中，约9 9 的氮氧化物、9 9 的一氧化碳、9 1 的二氧化硫、 7 8 的二氧化碳、6 0 的粉尘和4 3 的碳化氢是由化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃 烧产生的污染物又占大多数。据统计，我国每年排出的粉尘量约为2 8 1 07 ，而由燃煤摊 放的粉尘约为2 2 x1 0 7 f ，占总量的7 8 6 1 4 1 ；1 9 9 7 年我国s 0 2 排放量为2 。3 4 6 ( 1 0 7 f 。其中 燃煤排放的量占了8 5 鸭n o x 的排放总量已由1 9 8 0 年的4 7 6 1 0 6 f 快速发展到1 9 9 6 年 的1 2 1 0 7 t r q ，燃煤排放n o x 占了总量的7 0 以上。大量的污染物排放使得环境日益恶化， 严重影响了人类的健康与生存。表1 - 2 是1 9 9 4 年我国8 6 个大中城市的大气污染监测结果， 其中s 0 2 超标城市就有4 6 个，占5 3 ；总悬浮颗粒物( t s p ) 超标的有4 5 个，占5 3 ； n o x 超标的有3 0 个，占3 5 。 表1 - 2 我国城市大气污染监测结果( 1 9 9 4 年) 1 6 1 甲期，人们对燃烧产生的污染物的注意力集中在一般性的公害和二氧化硫造成的酸雨 上，随着时间的推移、认识的深入，现在人们不仅关心酸雨对作物、森林、地下水和建筑物 的危害，而且更加注意污染气体对人类健康的影响，对臭氧层的破坏阻及所造成的温室效应 对全球气候的影响。其中，n o x 的危害正受到人们越来越多的关注。n o 。是氮氧化物的总 称，包括一氧化氮( n o ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 和氧化亚氮( n z o ) 。n o i 与s 0 2 一样，也是造 成酸雨的原冈之一；由s 0 2 形成的硫酸和n o 。形成的硝酸是酸雨的主要成分，约占9 0 ”1 。 燃烧过程中摊放出来的n o 。约9 5 是n o ，余下的5 为n 0 2 。n o 进入大气后逐渐与大气 中的氧或臭氧结合生成i , 0 2 。n 0 2 参与光化学烟雾的形成，具有致癌作用。在刚光作刖f 艿 在一定条件下，n 0 2 和氧或臭氧生成n 2 0 。n 2 0 则会和c 0 2 一样，引起温室效应；并会破 坏臭氧层，导致较多的紫外线辐射到地球表面，对人类造成灾难性的影响。控制n o x 排放 的问题已是刻不容缓。 随着人们对n o x 的危害的认识逐步加深，酸雨、全球气候变化及臭氧层破坏问题日荔 引起各国政府的关注，如何控制n o x 排放的各种技术逐渐推出。工业发达国家正在制定越 4 来越严格的n o x 排放标准，促使工业部门去开发、寻找并利用新技术，以适应新的更严格 的污染物排放标准，从而有力地推动了技术的进步。 但由于排放标准的制定是一个复杂的过程，而且在n o x 的排放构成中，蚓定式排放源 ( 如发电厂、工业燃烧装置等) 起着主要的作用，所以绝大多数国家的立法只限丁二控制同定 式排放源。表1 3 为欧盟2 0 0 1 年新的排放标准。当然，由于各国的情况不同，制定的标准 和政策也不一样。表1 4 比较了几个国家的燃煤电站锅炉的n o x 排放标准。 在我国，国家环保局于1 9 9 6 年3 月7 日发布了火电厂大气污染排放标准 ( g b l 3 2 2 3 - 9 6 ) ，明确规定，对从1 9 9 7 年1 月1 日起初步设计通过的新、扩、改建火电厂 3 0 0 m w 及以上机组，无论燃用何种煤料，固态排渣煤粉炉n o x 排放浓度不得超过6 5 0 m g m 。， 液态排渣煤粉炉不得超过1 0 0 0 m g m 3 吼 表1 - 3 欧盟2 0 0 1 年n o x 排放标准9 1 表1 - 4 燃煤电站锅炉n o x 排放标准比较啊 g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 标准发布至今已有6 年多的历史，现仍在实施中。它对中国大气环境的 污染控制起到了一定的作用；但这个标准总体宽松，如该标准虽然对1 9 9 7 年以后的部分新 建锅炉制定了n o x 排放浓度标准，不过排放限值6 5 0m g m 3 与国外平均值4 0 0 5 0 0 m g m 3 相比还有一段距离。2 0 0 4 年7 月我国已经开始着手实行新的排放标准和相应的管理办法， 以更好地实现对环境的保护 1 0 】。 5 浙4 大掌女掌论文 1 2n o x 的生成和控制原理 1 2 1n o x 生成原理 燃烧过程中所产生的n o x 一般是指n o 和n 0 2 。大量试验结果表明，燃烧装置矧傲n o x 中n o 一般约占9 5 ，而n 0 2 仅占5 。n o x 按其生成起源和生成途径分类，可用图1 1 表示。 r 热力型n o x n 0 x 1 快速型n 0 x 。燃料型n 。x _ 薰萎黧：o x 斟l - i 燃烧过程中生成的n o x 的类型 研究表明，当燃料中的氮含量超过0 i 时，所生成的n o 在烟气中的浓度将会超过 1 3 0 p p m ；在通常的煤粉炉的燃烧情况下，约7 5 9 0 的n o x 是燃料型n o x 。冈此，研 究燃料型n o x 的生成原理，对n o x 排放的控制具有重要意义。 燃料型n o x 的生成机理非常复杂，其中包括一系列化学反应，其反应机理还未完全掌 握。总结起来，大致有以下的规律： ( 一) 在一般的燃烧条件下，燃料中的氮有机化合物首先被热分解成h c n 、n h 3 和c n 等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，称之为挥发分n 。挥发分n 析出后仍残留 在焦炭中的氨化合物，称为焦炭n 。 ( 二二) m i l l e r 等人认为，燃料型n o 是由气相燃料中氮化合物人量地从h c n 年lj n h 3 开 始转化，其被氧化的主要途径为： h c n 被氧化的主要反应途径 2 2 j 主要的反应方程式为 n 2 、乡l 7 - - n l _ n 删，+ 0 2 南 6 浙z 太掌# t t 仑女 h c n 十o n c o + h n c o + h + n h + c o n h + h _ n 七h 、 a t + n o 斗n ，+ 0 n 七o hon o 七i t n + o ，斗n o + o n o + n _ j v 2 + o n h 3 被氧化的主要反应途径 燃料，挥发分n + n h 3 0 e ，0 ，e 根据这反应途径，n h 3 可能作为n o 的生成源，也可能成为n o 的还原剂。按照这两 种途径的反应方程式为： ( 1 ) n i - i 被氧化生成n o ： n h 3 + o h n h 2 + h 1 0 n h 3 + 0 斗2 + o h n h 3 + h 斗n h 2 + h 2 n h 2 一步氧化成n h ： n h ，+ o h 呻n h + h ，0 n h 2 + 0 - - + n h + o h n h 、+ hjn h + h 、 c n h 进一步氧化成n o ： n h 七o 、一n o + o h n h + o + n o + h n h + o h 叶n o + h ， ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) ( 11 3 ) ( 11 4 ) ( 11 5 ) ( 1 1 6 ) 7 1 2 3 4 ，) 6 7 i i( 南 ， m 虬 罗忒 咀 ( 2 ) n h 、还原n o n h 4 - n o 斗2 十o h n h 24 - n o n 24 - o h n i l4 - l - i 斗n + h 2 h4 - o h 专n 4 - h 2 0 n h + o 冉n + o h n + n o o n 2 七o 1 2 2n o x 的控制原理 根据热力型n o 的生成机理，有以下4 点原理： 降低氧浓度； 降低温度： 缩短在热力型n o 大量生成的高温区域的停留时间： 在偏离口= 1 的条件下进行燃烧。 与热力型n o x 相比，快速型n o x 的特点是生成速度快，温度依赖性低；由丁快速型 n o x 是由c h ，自自基和n 2 分子反应生成h c n ，h c n 又经其后的数个基元反应氧化而成。 因此对于快速型n o x 的抑制可从两个方面实现 1 9 j ：抑制c h 。自由基和n 2 分子的反应及h c n 的数个基元反应。 煤氮在燃烧过程中经过n h 3 、h c n 等含氯中间生成物，最终约有5 3 0 的燃料氮 转化为n o x 。图1 2 表示了煤燃烧过程中燃料型n o x 的生成一还原过程。 阿蠹两丽 焦炭n 一 图1 - 2 燃料型n o x 的生成一还原过程 如幽所示，此过程大致可分为：燃料氮的挥发过程；挥发分氮的氧化过程；由挥 8 m m 抛 浙t 掌m 掌* 文 发分氮生成的n o x 的还原过程。即由燃料氮转化为含氮中间生成物后，由含氮的中间生成 物转化为n o x 的氧化反应和生成的n o x 被含氮的中间生成物还原，转化为n ：的还原反应 形成竞争。 以下为还原或破坏n o x 的可能途径： ( 1 ) 在还原性气氛中n o 通过烃( c h i ) 或碳还原( 途径1 ) 当n o 在还原性气氛中遇到烃( c h i ) 时，会根据r 面的反应生成h c n ： n o + c h _ h c n 七o t l2 3 、 n o 七c h 、峙h c n + o h l 12 4 、 n o + c h 3 斗h c n + 日2 0 ( 1 2 5 ) 然后h c n 与o ，o h 和h 会反应生成中间产物n c o 和c n 等。在还原性气氛中，n c o 会按照下面的反应生成n h ： n c 0 + h 专n h + c o ti ? 2 6 n i t4 - 日2 斗n h 24 - h( 12 7 ) 删2 + n h 2 斗n h 3 + n h ( 1 2 8 ) 这时生成的n h ，在还原性气氛中如遇到n o ，则会将其还原成n 2 分子。 而在燃煤火焰中当n o 遇到碳时，则有可能将其还原成n 2 和c o 、c 0 2 气体。 ( 2 ) 在还原性气氛中，n o x 与氨类( n h 。) 和氮原子( n ) 反应生成氮分子( n 2 ) ( 途径2 ) 。 ( 3 ) 通过与n c o 和n h 的反应减少n o ( 途径3 ) ： n c 0 + n o 呻n ，o + c o ( 1 2 9 ) 删+ n o n o + h ( 1 3 0 ) 1 2 3n 0 x 的排放控制技术 为了控制燃烧装置排放的n o x 对生态环境的危害，国外从5 0 年代起就开始了燃烧过程 中n o x 生成机理和控制方法的研究。到7 0 年代末和8 0 年代，低n o x 燃烧技术的研究和开 发达到高潮，涌现了一大批降低n o x 排放的实用技术。 控制n o x 排放的技术措施按作用位置可分为两大类：第一类称为炉内脱氢，其特征是 通过各种技术手段，控制燃烧过程来降低n o x 的排放。这类措施主要有：低n o x 燃烧器“1 、 9 低氧燃烧【6 7 ，1 1 1 空气分级”，”1 ”、燃料再燃”。7 ，“1 ”、烟气再循环k 。，”2 0 1 及炉膛喷射脱氮【6 2 1 等；另类是所谓的尾部脱氮，又称为烟气净化技术 6 - 7 , 2 2 - 2 4 1 ，其特征是把尾部烟气中已经生 成的n o x 还原，从而降低n o x 的排放量。属于这类措施的有选择性催化还原法( s c r ) 以 及非催化还原法( s n c r ) 技术。 在两大类技术中，s c r 、s n c r 法能大幅度地把n o x 排放量降低到2 0 0m g m 3 以卟，但 存在设备昂贵、运行费用高的问题；而炉内脱氨措施与尾部脱氨相比它具有应用_ r 泛、简 单、经济而且比较有效等优点，而且对于即使因为排放标准的原因采用烟气脱氮的机组来说， 炉内脱氯的实施，也可以降低烟气脱氮的成本。因此，根据我国还是个发展中国家、经济 实力还不是很雄厚等国情，在今后相当| 受的一段时期内，我国更适合发展具有投资少、效果 也比较显著的炉内脱氮技术。 表1 - 5 是对现有的炉内脱氮技术的比较。 技术名称效果 一 优点缺点 根据掠来运行条投资最少 低氧燃烧导致飞灰含碳量增加 件，最多降低2 0 有运行经验 降低投入运行 投资低 】5 3 0 易于锅炉改装 有引起炉内腐蚀和结渣的口 能 的燃烧器数目 并导致飞灰含碱量增加 有运行经验 空气分级燃烧投资低 并小是对所有炉膛都适用 嚣多3 0 有可能引起炉内腐蚀和结渣 ( o f a ) 有运行经验 并降低燃烧效率 与空气分级燃烧合 适用于新的和改装的锅炉结构比常规燃烧器复杂 低n o 。燃烧器中等投资有可能引起炉膛结渣和腐蚀 用时可达6 0 有运行经验 并降低燃烧效率 l 烟气再循环能改善混台和燃烧增加再循环风机 最多2 0 ( f g r ) 中等投资使用不广泛 适用于新的和改造现有锅炉可能需要第二种燃料 l 燃料分级燃烧 达到5 0 可减少已形成的n o ，可能导致飞灰含碳量增力 ( 再燃) 中等投资运行经验较少 表1 - 5 煤粉炉的低n o 。燃烧技术比较i “ 从表中可以看出，燃料再燃( 即燃料分级燃烧) 是最有效的降低n o 。的炉内脱氮措施， 它可以使n o 、降低达到5 0 ，远远超过其它低n o 。燃烧技术，它是低n o 。技术中正在发展 的很有前途的一种方法。 1 0 1 2 4 再燃燃料的选取 国内外的学者对燃料再燃进行了大量的研究。早期的研究主要集中在对天然气的再燃上 面，后来发现煤粉也有很好的再燃表现。发展到现在，出现了很多新的再燃方法，如高级再 燃、超细粉再燃等。这些新的技术可以改善脱氮效果或者降低飞灰未燃损失。其中超细煤粉 再燃日益成为研究热点，它不受地域限制，综合成本较低，具有广阔的应用前景。 1 3 本文研究目的及内容 在目前的超细煤粉再燃研究中，煤粉大多采用磨制的方法取得，需要增加相应的辅助设 备，对制粉和送粉系统改动较大，这正是大多数电厂不愿看到的。本文配合国家9 7 3 项目 2 5 1 ( 煤粉炉内同时脱硫脱氨) 、国家教委优秀博士论文基金项目t 2 6 1 ( 有机氨释放、迁移机理和 可调节煤粉再燃降低n o x 排放研究) 和国家8 6 3 项目【2 7 】( 利用三次风再燃降低n o x 排放的 研究) ，采用旋转式超细煤粉浓缩器对三次风进行浓缩，一从一定程度上解决了超细煤粉的来 源问题：同时对送粉系统和燃烧器进行了局部调整，为超细粉再燃技术的工业应用提供了理 论模型。 本文的主要内容包括： i 、对超细煤粉的物理、燃烧特性进行试验研究，通过煤粉细度的测定、微观结构的观 察、孔隙结构的分析等试验，研究煤粉粒径变化后煤粉特性的变化趋势： 2 、对分离浓缩设备的原理进行分析，列举设计过程中的各种因素对分离效果的影响， 从而提出比较理想的试验台搭建方案。 3 、建立可以对三次风进行浓缩的旋转式超细煤粉浓缩器试验台，进行超细煤粉浓缩的 试验研究，考察试验过程中的各种因素对分离效率的影响，总结煤粉细度、旋转强 度、阻力等因素对超细煤粉浓缩效率的影响趋势，得出最佳的分离上况。 4 、针对本文中的试验数据和试验设备，建立数学模型，进行超细粉浓缩试验的数值模 拟，研究各因素对浓缩效果的影响；同时对各种试验误差进行修正。 参考文献 】李德敬，李金峰，我国能源工业的形势及战略调整重点一兼论煤炭在我国未来能源格局 中的基础性作用，煤炭经济研究，p p 8 - 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坝u n 为真空或其他物质的原子。因此， 表面原子所显示的性质和内部原子完全不同。物质的内部原子因为有周围原子的吸引或排 1 3 斥，总是保持在平衡状态。但是，表面原子却只有由内部原子向内吸 i 的状态。这就意味着 表面原子和内部原子相比处于较高的能量状态，这一多余的能量分配给单位面积的量称为表 面能。颗粒的尺寸越小，表面能的比例就越大。比表面能( 单位体积的表面能) 的显著增大， 会使颗粒表面成为极活泼的表面，使颗粒呈现出完全不同于块状物体的特性。 聚集特性吸附是相互接触的物体之间产生的界面现象之一，其中靠范德华力的作用产 生吸附的现象叫物理吸附，靠化学键而键合的吸附的现象称为化学吸附。对丁超细颗粒而言， 由于其特殊的表面状态和表面能，导致颗粒具有很高的活性和极强的吸附能力。 颗粒的聚集过程包括碰撞过程和粘聚过程。，全过程表示如下： 4 卜墨l b 卜墨q c 其中a 代表分离体，b 代表碰撞过渡态，c 代表聚合体，k l 为碰撞率常数，k 2 为粘聚常数。 若k ： k 。，则过程由a 到b 支配，它主要由粒子或集团的布朗扩散运动所支配。反之， 若k 1 ， k 2 ，过程由b 到c 支配。这两种聚集机制与粒子或集团之间的短程相互作用有关。 若存在排斥势，则粒子或集团之间需要经过多次碰撞才能聚集；若存在吸引势则可以很快的 产生聚集。颗粒的超细化强化了吸引势，使颗粒在一般状态下极容易团聚，影响了超细化所 希望得到的效果。 2 1 2 超细煤粉的物理和化学特性 在一殷状态下，煤的着火和燃尽特一陛比较差，而作为再燃燃料的煤粉在炉膛停留时间相 对较短，燃烧初期燃烧温度低，又处于欠氧条件，不完全燃烧损失较大。煤的反应性较差， 还使煤粉作为再燃燃料时不易形成还原，还原率较低。这些已经成为制约煤粉再燃技术发展 的瓶颈。 煤粉的超细化充分解决了这一问题。随着煤粉颗粒粒径减小，超细颗粒特殊的表面效应 和体积效应决定了其具有特殊的化学性质。由于超细颗粒表面原子数与其总原子数之比随着 颗粒变小而急剧增大，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子大相径庭。从而使其具有很 大的化学活性，晶体场的微粒化伴随这种活性表面原子增多，其表面能大大增加。超细微粒 因为其表面原子周围缺少相邻原子会存在许多悬空键，具有不饱和性质，这些因素将导致超 细颗粒的特殊反应活性。就煤而言，煤种一定时，煤粉的超细化提高了煤粉的反应活性。将 作为再燃燃料的煤粉进行超细化处理，其物理结构变化极大。通过试验观察，具体表现在以 下几点1 7 】： 1 4 浙z 掌硬掌惶- l l 、 随着煤粉粒径的减小，在结构上不同形态的组分的分离效果有显著增加：原来封闭 在大颗粒中的不同成分由于颗粒被分割，很多成为了新的表面，使得它们参与反应 的过程变得比原来容易； 2 、各煤种的粒径分布规律基本上不受细度变化的影响。 3 、煤粉孔隙的总个数随平均粒径的减小而增加，而且主要是小孔的数量显著增加。 4 、在平均粒径减小时，煤种的孔容积变大，孔隙的比表面积也变大； 5 、随着煤粉粒径的减少，孔隙的容积和比表面积增大，有利于燃烧和减小燃尽时间。 但增大的程度依赖具体的煤种。 总之，经过超细化的煤粉表面积显著增加，可以提供更大的燃烧反应面积；随着煤粉颗 粒粒径的减小，平均孔径减小，孔容积增加，燃烧过程中的燃烧物质输运能力增加，从一定 程度上也增加了燃烧反应面积。在煤粉平均粒径减小后，颗粒中组分的析出由于其到达颗粒 表面的行程缩短而变得容易，煤中气相成分的析出加快，改善了煤粉颗粒的着火和燃烧特性。 超细煤粉较常规粒度煤粉着火提前，也更易燃尽，减少了不完全燃烧损失；超细煤粉反应活 性的增加使其在燃烧初期较常规粒度的煤粉更易形成还原气氛，延长了烟气在还原区的停留 时间：超细煤粉煤焦比表面积的增加，也增强了n o x 的还原能力，从而强化了再燃脱氮的 效果。 2 1 3 超细煤粉的现有制备技术 到目前为止，人们已经发展了多种方法制备各类超细颗粒。根据不同的要求或不同的颗 粒范围，可以选择各种不同的物理方法、化学方法以及其他综合性的方法。物理方法制各超 细颗粒主要涉及到蒸发、熔融、凝固、形变、粒径变化等物理变化过程。物理方法制各超细 颗粒通常分为粉碎法和构筑法两大类。前者是以大块的崮体为原料，将块状物质粉碎、细化， 从而得到不同粒径范围的超细颗粒；构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超细颗 粒。化学方法制备超细颗粒通常包含着基本的化学反应，在化学反应的过程中物质之间的原 子必然进行组排，这种过程决定物质的存在形态。即这种反应有如下特征：( 1 ) 固体之间的 最小反应单元取决于固体物质颗粒的大小；( 2 ) 反应在接触部位所限定的区间那进行；( 3 ) 生成相对反应的继续进行有重要影响。综合方法制备超细颗粒通常在制各过程中耍伴随一些 还学反应，同时又涉及到颗粒的物态变化过程，甚至在制备过程中要施加一定的物理手段来 保证化学反应的顺利进行。显然，制备超细颗粒的综合方法涉及到物理理论、方法和手段， 1 5 浙 掌$ 位论i 也涉及到化学反应基本过程。 对于煤粉的超细化而言，机械粉碎法是目前广泛采用的方法 ”。这里粉碎是指固体物料 颗粒尺寸由人变小过程的总称它包括“破碎”和“粉磨”。前者是由大块料变成小料块的 过程，后者是由小料块变成粉体的过程。同体物料颗粒的粉碎过程，实际上就是在粉碎力的 作用f 固体料块或颗粒发生变形进而破裂的过程。当粉碎力足够大时，力的作用义很迅猛， 物料块或颗粒之间瞬间产生的应力，大大超过了物料的机械强度，因而物料发生了破碎。 粉碎极限是超细颗粒粉碎过程中面i 临的一个重要问题。在超细粉碎中，随着颗粒粒径的 减小，被粉碎物料的结晶均匀性增加，颗粒强度增大，断裂能提高，粉碎所需要的机械能也 大大增加。因而粒径越细，粉碎的难度就越大。粉碎到一定程度后，尽管继续施加机械应力， 粉体物料的粒度不再继续减小或减小的速度相当缓慢，这就是物料的粉碎极限。冈此，在粉 碎的过程中耍综合考虑粒径和粉碎设备的经济性问题。 目前，超细煤粉的制备主要采取下面几种技术p 】： 1 、球磨球磨机是目前广泛采用的超细煤粉磨碎设备。利用钢球和煤粉之间的相互研 磨和冲击使得煤粉颗粒粉碎。经过几百小时的球磨，可阻使粒径小于1 u m 的颗粒达 一 到2 0 ，采用涡轮式粉碎的高运旋转球磨机，也可以比较方便的进行连续生产，其 临界粒径为3 b t m 。 、 2 、震动球磨这是以球或捧为介质，介质在粉碎室内振动，冲击煤粉使其粉碎，可以 获得粒径小1 = 2 m 的颗粒达9 0 ，甚至可以获得粒径为o 5 m 的超微颗粒。行星 磨是7 0 年代兴起和应用的超细粉碎方法，物料和介质之间在公转和自转两种方式中 相互摩擦、冲击，使物料被粉碎，粒径可达几微米。 3 、振动磨利用研磨介质可以在一定振幅振动的简体内对物料进行冲击、摩擦、剪切 等作用而是物料扮碎。与球磨机不同，振动磨是通过介质与物料一起振动将物料进 行粉碎的。按振动方式不同，振动磨可以分为惯性式和偏旋式；按简体数目又可以 分为单筒式和多筒式；按操作方法又可以分为间歇式和连续式。选择适当的介质， 振动磨可以崩于各种硬度物料的超细粉碎，响应产品的平均粒度可以达到1 u m 以r 。 4 、搅拌磨由一个静止的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。根据其结构和研磨方式可以 分为间歇式、循环式和连续式三种类型。在搅拌磨中，一般使用球型研磨介质，其 平均直径小于6 m m 。用于超微粉碎时，一般小于3 r a m 。 5 、胶体磨胶体磨是利用一对固体磨子和高速旋转磨体的相对运动所产生的强大的剪 切、摩擦、冲击等作用力来粉碎或分散物料颗粒的。物料通过两个磨体的微小间隙。 被有效地磨碎、分化、微粒化，经过处理的产品平均粒径可以达到1 u m 。 1 6 6 、超微气流粉碎气流磨是一种较成熟的超微粉碎技术。它是利用高速气流( 3 0 0 5 0 0 m s ) 或热蒸汽( 3 0 0 4 5 0 0 c ) 的能量使颗粒相互产生冲击、碰撞、摩擦而被较 快粉碎。在粉碎室内，颗粒之间碰撞频率远高于颗粒与器壁之间的碰撞。8 0 年代德 国a l p i n e 公司开发的流化床逆向气流磨可以磨碎较高硬度的物料颗粒，产品粒度达 到1 5 “m 。降低入磨物料粒度后，可以得到平均粒度1 p , m 以下的产品。除了产品 粒度微细以外，气流粉碎的产品还具有粒度分布窄、颗粒表面光