（动力工程及工程热物理专业论文）有机废气流化床焚烧处理试验研究.pdf

摘要 大气环境是人们赖以生存的基础，其质量的好坏直接影响着人类的健康。 v o c s 是大气的一个主要的污染源，随着工业的发展，其对大气环境造成破坏越 来越大，人们密切的关注对其处理的情况，我国已经出台对甲苯、二甲苯限排的 标准。基于此，本文提出以流化床焚烧的技术处置v o c s ，并对该技术展开实验 研究，同时运用基于基元反应机理的化学动力学方法计算，得到了一些具有现实 指导意义的研究结果和结论。 选用空心氧化铝小球作为床料，大大降低了流化风速，有利于增加停留时间、 减小炉膛尺寸，减小排烟热量损失。 本文分别在鼓泡床上和循环流化床上进行了焚烧乙烯和甲苯的实验。通过对 温度，停留时间，浓度等因素的分析，得到了一些可供日后实际应用参考的结论。 用鼓泡床焚烧乙烯时，空气流量为3 0m j 1 下，炉膛温度分别为6 0 0 和7 0 0 时乙烯的转化率在9 5 以上，7 0 0 工况最佳；炉温越高，乙烯转化率越高。特 别是高乙烯浓度时，升高温度对乙烯的转化率促进作用明显；高乙烯浓度下，小 风速时乙烯燃烧效果相对差些，c o 含量较高，提高风速后好转，所以当废气浓 度升高时，适当提高风速有利于充分燃烧。延长停留时间促进乙烯转化，但随着 时间的增加，对转化率的影响逐渐变小，当时间足够大时，影响微乎其微。在高 浓度下停留时间对转化率的影响更为明显，所以浓度较高时，须保证较长的停留 时间。以循环流化床焚烧甲苯时，5 0 m 3 1 1 1 ，8 5 0 工况下，甲苯的分解率在9 4 以上。转化率的主要决定因素是温度，局部达到9 7 0 c 1 0 0 0 可以达到较好的效 果；低温阶段焚烧效果很差，温度过低时会产生黑烟，炉温7 5 0 为临界温度， 炉温大于该温度的情况下焚烧效果较好；8 5 0 下，在0 6 3 s 到0 7 5 s 的范围内， 停留时间越长，转化率越高。流化床比固定床更有助于甲苯的分解，床料强化了 炉内扰动和换热条件，有利于甲苯燃烧：c o 的浓度来大致判断v o c 焚烧的情 况。无论是采用鼓泡床还是循环流化床，烟气中的n o x 含量都很低。 采用e d a g a u te ta l 提出的反应机理，以c h e m k i n 4 0 内置c l o s e d h o m o g e n e o u s b a t c h r e a c t o r 作为反应器模型，计算了甲苯高温氧化的反应，通过 对不同初始条件的改变，得到了一系列的结论，甲苯在氧化反应初期生成多种中 间体，之后再由中间体氧化生成c t h ，所以c 0 2 的生成相对于甲苯的分解有一 个滞后的时间；反应温度愈高，甲苯达到较低的浓度所需的反应时间愈短，在 9 5 0 k - 1 0 6 0 k 区间，每升高2 0 k ，甲苯达到稳定的时间缩短一半，1 0 8 0 1 2 4 0 k 区 间，温度升高4 0 k 才达到相同的效果；随着停留时间的增加，甲苯达到较低浓 度所需的温度降低；在低温阶段，温度的提高对转化率较明显，而在高温阶段， 增加停留时间效果较明显；在停留时间不足大时，分解率整体上是随着浓度的增 大而减小的，只是在很小的浓度范围内，分解率随着浓度增大而增大。随着停留 时间的增大，浓度对分解率的影响越来越小。在停留时间不足够大时，转化率在 浓度较低时随着浓度的增大而增大，在浓度达到一定值以后迅速减小，并且，停 留时间越短，减小幅度越大。随着停留时间的增大，浓度对转化率的影响越来越 小。 三废 关键词：环境工程学，有机废气，流化床，甲苯，动力学模拟，大气污染， a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ti st h ef o u n d a t i o nt h a ti 培a u a t yw i l lh a v ead i r e c t i m p a c to nh u m a nh e a l t h v o c sa r em a i e rs o u r c e so fp o h u f i o no fa t m o s p h e r ea n di t s i m p a c to nt h ea t m o s p h e r eh a sb e e nw o r s ea n dw o r s ew i t ht h ei n d n s t r i a ld e v e l o p m e n l p e o p l ea p a y i n gi n o l 屯a t t e n t i o nt oi t o u rc o u n t r ya l s oh a si n t r o d u c e de m i s s i o nl i m i t s t a n d a r d st ot o l u e n ea n dx y l e n e f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e dd i s p o s a lo f v o c s 嘶t hf l u i d i z e db e di n c i n e r a t i o nt e c h n o l o g y t h et e c h n i c a ls t u d yi n c l u d e s e x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o nb a s eo nm e c h a n i s m so fc h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i c s i n a d d i t i o n a tl a s t 。an u m b e ro fi m p o r t a n tf i n d i n g sa n dc o n c l u s i 0 1 1 8a r ea c h i e v e d s m a l lh o l l o wb a l l so fa l u m i n u mo x i d e 瓣u s e da sb e d sm a t e r i a l sw h i c hr e d u c e s t h ef l o wr a t eo fw i n ds i g n i f i c a n d y i th a sg o o de f f e c t so ni n c r e a s i n gt h er e s i d e n c et i m e ， r e d u c i n gc h a m b e rs i z ea n dr c d u c i n gf l u eg a sh c a t1 0 s s t h ee x p e r i m e n t so fi n c i n e r a t i n ge t h y l e n ea n dt o u e n eh a v eb e e nd o n es e p a r a t e l y o nb u b b l i n gf l u i d i z e db e da n dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d s e v e r a lc o n c l u s i o n sh a v e b e e na c o o m p l i s h e dt h r o u g hs m d y i n go nt h ec o n c e r n e df a c t o rs u c ha st e m p e r a t u r e r e s i d e n c et i m ea n dp o u t a n tc o n c e n t r a t i o n w h e nb u r n i n ge t h y l e n eo nb u b b l i n g f l u i d i z e db e d , c o n v e r s i o nr a t e sa t eo v e r9 5 u n d e r6 0 0 a n d7 0 0 a sc h a m b e r t e m p e r a t u r ea n dt h ea i rf l o wr a t ei s3 0m 3 h 7 0 0 i sb e t t e r ；, 田呛h i g h e rf u r n a c e t e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e re t h y l e n ec o n v e r s i o nr a t e si sa c h i e v e d t e m p e r a t u r ep l a y sa m o r ei m p o r t a n tr o l eo nc o n v e r s i o nr a t eu n d e rh i 曲c o n c e n t r a t i o n ；1 1 l ec o m b u s t i o n c o n d i t i o ni sw o r s ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc 0i sh i g hu n d e rs m a l lf l o wr a t e b u ti t b e c o m e sb e r e rw i t ht h ei n c r e a s eo fw i n ds d c e d l o n gr e s i d e n c et i m eb e n e f i t st h e c o n v e r s i o no fe t h y l e n e h o w e v e r , t h ei m p a c ti sw e a k e rw h e nt h et i m ei n c r e a s e sa n d c a nb ei g n o r e dw h e nt i m er e a c h e ss o m ev a l u e i no r d e rt og e th i g hc o n v e r s i o nr a t e ， l o n g e rr e s i d e n c et i m ei sn e c e s s a r yb e c a u s ei t so b v i o u se f f e c tu n d e rh i g hp o l l u t a n t c o n c e n f f a t i o n s w h e n i n c i n e r a 6 n g t o l u e n ei n c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d ，t h e d e c o m p o s i t i o nr a t eo ft o l u e n ei so v e r9 4 u n d e rt h et e n d i t i o i l5 0 一打a n d8 5 0 t e m p e r a t u r ei s 山ek e yf a c t o ro fc o n v e r s i o nr a t ew h i c hw i l lg e tb e t t e rr e s u l t sa m o n g 9 7 0 一1 0 0 0 l o wt c 玎n p e r a m r el e a d ss m o k ew h i c hi n d i c a t e sp o o rc o m b u s t i o n c o n d i t i o n t h ec o m b u s t i o nn l m sb e t t e ra t7 5 0 w h i c hi sac r i t i c a lt e m p e r a t u r e n e l o n g e rr e s i d e n c et i m et h eb e u e rc o m b u s t i o nb e t w e e n0 6 3 s 加7 5 su n d e r8 5 0 f l u i d b e dp e r f o r m sb e t t e rt h a l lf i x e db e df o rt h ec o m b u s t i o no ft o l u e n eb e c a u s eo ft h e d i s t u r b a n c ea n db e t t e rh e a tt r a n s f e rc a u s e db yb e dm a t e r i a l s ；c oc o n c e n t r a t i o n g e n e r a l l ys u g g e s t st h eb u m i n g c o n d i t i o n b o t hu s e db u b b l i n ga n dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e d b e dh a v et h el o wn o xe m i s s i o n s t h em e c h a n i s m sp r o p o s e db yp d a g a u te ta la r eu s e dt oc a l c u l a t eh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o no ft o l u o n ei nh o m o g e n e o u sb a t c hr e a c t o rm o d e le m b e d d e di n c h e m k 玳4 o 。as e r i e so fc o n c l u s i o n sh a v eb e e na c h i e v e do nd i f f e r e n ti n i t i a l c o n d i t i o n s m a n yi n t e r m e d i a t es p e c i e sa r ep r o d u c e di nt h ee a r l yt i m ew h i c hw i l l c o n v e r s et o0 0 2l a t e r s oi ti sad e h yb e t w e e nd e c o m p o s i t i o no ft o l u e n ea n d g e n e r a t i o no fc 0 2 ；皿eh i g h e rr e a c t i o nt e m p e r a t u r e s ，t h es h o n e rr e s i d e n c et i m ei s m r e q u i r e dt oa c h i e v e dg o o dc o n v e r s i o nr a t e t h er e s i d e n c el i m es h o r t e n e dh a l fe v e r y 2 0 kr i s ei n9 5 0 k - 1 0 6 0 kw h i l e4 0 kr i s ei n1 0 8 0 | 0 1 2 4 0 kt or e a c has t e a d ys t a t eo f t h et o l u e n e ：l o w e rt e m p e r a t u r ei sr e q u i r e dt oa c h i e v eag o o dc o n v e r s i o nr a t ew h e n r e s i d e n c et i m ei n c r e a s e s t e m p e r a t u 把i st h em a i nf a c t o ri nl o wt e m p e r a t u r er a n g e w h i l et h er e s i d e n c et i m ei sm o r ei m p o i t a n ti nh i g h 哪a t u r er a n g e st ot h e c o m b u s t i o n ；山ed e c o m p o s i t i o nr a t em a i n l yr e d u c e sw i t hr i s i n go ft o l u e n e c o n c e n t r a t i o nw h e nt h er e s i d e n c et i m ei sn o tl o n ge n o u g h j u s ti nt h ev e r yb e g i n n i n g t h eo p p o s i t es i t u a t i o na p p e a r s 1 1 他e f f e c tb e c o i n e su n o b v i o u si nl o n gr e s i d e n c et i m e ； w h e nt h er e s i d e n c et i m ei sn o t1 0 n ge n o u g h , t h ec o n v e r s i o nr a t ei n c r e a s e sw i t ht h e r i s i n go ft o l u e n ec o n c e n t r a t i o na tf l r s ta n dr e d u c e si m m e d i a t e l ya ts o m ev a l u e t h e e f f e c ti sw e a ki nl o n gr e s i d e n c et i m e k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g , v o c s ，f l u i d i z e db e d ，t o l u e n e ，c h e m i c a l k i n e t i c s ，a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n ，w a s t e 浙征大学硕士学位论文 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，也不包含为获得滥望基竺或其他教育机 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：亥1 南谚签字日期：2 羼g 月if 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、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。本人授权逝鎏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：次岛砍刍 导师签名： 签字日期：2 0 。年月1j 日 签字日期： 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自从1 9 7 2 年斯德哥尔摩人类环境会议以来，人们对于环境的问题愈来愈关 心了，环境与环境保护已成为当代科学研究的一个重要课题。 随着工业的迅猛发展和城市化进程的加快，世界的空气质量普遍受到了严 重威胁。整个大气污染物质体系中，除了烟尘、粉尘、雾、总悬浮颗粒( t s p ) 等颗粒性污染物外，气态污染物占重要部分，占全世界每年排人大气的污染物 质的7 5 以上，其中数量较多的依次为c o 、s 0 2 、n o x 和碳氢化合物。气态 污染物分为无机污染物和有机污染物，其中有机污染物占多数，在美国国家环 境保护署( e p a ) 所列的有毒气体排放物清单( t r i ) 中的2 5 种气体中，1 8 种是有 机物。有机废气中大多含有低浓度的苯、甲苯、苯乙烯、多环芳烃等挥发性有 机化合物( r o c s ) 恶臭物质。这些带有异味( 臭或香) 的气态污染物会严重干扰居 民的日常生活，恶化人们的生存环境，而且还会对人体健康和生态环境造成危 害【1 2 】。如在我国的福建省就有过由含甲苯废气污染造成制鞋工人中毒致死的严 重污染事件的报道。可见，治理有机废气特别是v o c s 恶臭物质的治理是大气 污染控制中极为重要的一部分。 1 2 v o c s 及其来源 挥发性有机化合物v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 是多种有机物的总 称。欧盟定义：在2 9 3 t s o k ( 2 0 ) 下蒸汽压力超过o o l k p a 的有机物。根据沸 点不同可分为v o c s ，w o c s ( w - yv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) ，s v o c s ( s e m i - v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) ，常见的v o c s 可分成几类，如表格1 1 所示： 表格1 1 工业生产中排放的v o c s 恶臭污染物质种类脚 烷烃烯烃类芳烃类及醇类醋类醛和酮胺和酰酸和酸乙二酵 类其衍生物类 胺 酐 衍生物 乙烷乙烯苯甲醇 丙烯酸甲 甲醛 苯胺 乙酸甲基溶 酯 纤剂 丙烷 丙烯甲苯 乙醇 邻苯二甲乙醛二甲基丙酸乙基溶 酸二丁酯甲酰胺纤剂 丁烷丁烯二甲苯异戊二醋酸乙烯丙醛丁酸丁基溶 醇纤剂 一3 一 第一章绪论 戊烷丁二烯 乙苯 丁醇丁醛己二酸甲氧基 丙醇 己烷异戊二异丙苯戊醇甲基丙邻苯二 烯 酮甲酸酐 环己环戊烯苯乙烯 乙基丙 烷 酮 表格1 2v o c s 恶臭物质的主要来源3 1 v o c s 恶臭物质主要来源 硫醇类 制浆造纸、炼油制气、制药、合成树脂和橡胶、合成纤维 硫醚类牛皮纸厂、炼油、农药、垃圾处理、生活下水道等 胺类水产加工、畜产加工、皮革、油脂化工、饲科、骨胶生产 吲哚类粪便、生活污水处理、炼焦、屠宰、肉类腐烂 硝基化合物燃料、炸药、油漆等 醛类 炼油、石化、医药、铸造，内燃机排气、垃圾处理 烃类炼油，炼焦，石油化工，电石，化肥，内燃机废气，油漆，溶剂，油 墨、印刷等 醇类 石化、林产化工、铸造、制药、合成材料和洗涤剂 酚类 钢铁、焦化、燃料、制药、合成材料及香料 酮类溶剂、涂料、油脂、石化、炼油、合成材料 醚类 溶剂、医药、合成纤维与橡胶、炸药、胶卷 酯类 合成纤维、合成树脂、涂科、粘合剂 脂肪酸 石化、油脂、皮革、酿造、制药、制皂、合成洗涤莉、食物腐败 有机卤素衍生物 合成树脂、合成橡胶、溶剂、灭火器材、制冷剂 v o c s 来源广泛，是石油、化工、印刷、制革、喷漆和半导体等行业排放 的最常见的污染物。在室内装饰过程中使用的油漆、涂料和粘胶剂等产生v o c s 也相当严重，是室内环境污染的主要来源。部分交通工具排放的尾气中亦有 v o c s 成分。 1 3 v o c s 控制技术意义和现状 1 3 1v o c s 的危害+ 1 0 】 多数v o c s 具有毒性，恶臭气味，环境中含量达到一定浓度时，短时间内 可使人感到头痛、恶心、呕吐，严重时会抽搐、昏迷，并可能造成记忆力减退， 伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，部份v o c s 已被列为致癌物，特别是 苯、甲苯及甲醛对人体健康会造成很大的伤害，表1 3 列出了部分常见有机污 染物对人体健康的影响。m o l h a v e h ! 以总挥发性有机化合物来考察多种v o c s 对人体健康的影响研究结果表明在v o c s 的总质量浓度小于0 1 2 删珈3 时， 浙江大学硕士学位论文 不会对人体健康造成危害；在0 1 2 3m e d m 3 范围内会产生刺激等不适应症状； 在3 2 5m g m 3 范围内会产生头痛及其它症状；而大于2 5r a g m 3 时对人体的 毒性效应明显。j o n e s 研究表明，虽然室内空气中2 2 种v o c s 的单一质量浓度 都低于限制质量浓度，但总质量浓度为0 1 0 2 5r a g m 3 时，仍会使人造成疲倦、 瞌睡与头痛的感觉；当v o c s 的总质量浓度达到o 1 1 8 8m g m 3 时会出现昏眩和 昏睡，而浓度超过3 5 r a g m 3 则会造成昏迷、抽筋等症状。说明多种v o c s 混合 存在并相互作用于人体，其危害程度大大增加。 此外，大气中的氮氧化物( n o x ) 和v o c s 达到一定浓度后，在阳光照射下 经过一系列复杂的光化学反应可能生成光化学烟雾，会引发更大的环境问题。 部分v o c s 对臭氧层具有破坏作用，如氯氟烃( c f c s ) 和含氢氯氟烃( h c f c s ) 。 多数v o c s 易燃易爆，是企业安全生产的隐患【1 2 j 。 表格1 3 部分常见有机污染物对人体健康的影响”1 污染物形态、色，进入人体对人体的危害和症状 嗅觉方式 甲醇无色、有刺 吸入 轻度中毒时。头痛、头晕、无力、睡觉障碍等。短时吸 激臭气体入高浓度，出现昏迷、痉挛、瞳孔散大等。长期接触可 引起视力减退、甚至失明 蓉 无色、挥发吸入蒸气高浓度时可引起急性中毒。轻度中毒有头痛、头昏、全 性、有芳香身无力、恶心，呕吐等。严重时昏迷以致失去知觉，停 味液体止呼吸慢性中毒出现头痛、失眠、手指麻木，以及血 液系统的一些病变 酚白色，特臭吸入蒸有腐蚀性，皮肤接触可引起皮疹。吸入后引起头晕、头 固体气，皮肤痛、失眠、恶心、呕吐、食欲不振等，严重者可致肝肾 接触损害。 丙酮无色，有臭吸入蒸气易与水、醇混溶。对皮肤，眼和上呼吸道有刺激，吸入 味液体后可引起头痛，头晕等神经衰弱症状 硝基苯液体吸入蒸 毒性较大，能影响神经系统，引起疲乏头晕呕吐、 气。皮肤呼吸和体温变化，还能影响到血液、肝和脾如大面积 接触接触液体，可立即致死 三氯乙 无色液体吸入蒸气中毒症状为头痛，头晕、嗜睡、疲倦、胃周围神经炎。 烯 高浓度时引起急性中毒，恶心、呕吐、心肌和肝损害。 光气气体 吸入 咽喉有干燥或灼烧感，麻木，胸部疼痛，呕吐，支气管 炎和可能呼吸困难。能引起严重的或致死的肺部损害。 苯并【a 】 固体吸入，皮强致癌物质，可致皮肤癌、肺癌、胃癌。 芘肤接触 二硫化无色、有恶吸入蒸慢性中毒引起神经衰弱，末梢神经感觉障碍，对心血管 碳臭液体气，皮肤系统也有一定影响。对皮肤、粘膜有明显的刺激作用。 接触高浓度时引起急性中毒，头痛，头晕重者出现昏迷、 痉挛性震颤。 第一章绪论 甲醛无色、强烈吸入刺激皮肤、粘膜，引起皮肤干燥、干裂、皮炎及过敏性 刺激臭气 ： 湿疹，眼部灼热感、泪流，结膜炎，咽喉炎，支气管炎 体 l 等。 氯乙烯带乙醚香吸入，皮常见的中毒症状是麻醉中毒。近来认为它可引起。氯乙 味、无色气肤接触烯病”，表现症状为末梢血管痉挛，皮肤硬化，指骨、 体手骨脱碳，肝、脾肿大等。还认为它有致癌性。 乙腈 无色液体吸入蒸气轻度中毒有恶心、呕吐、无力、胸闷、尿频、神态模糊 等症状。严重中毒有胸痛，呕吐( 带有大量血液) ，痉 挛，昏迷，呼吸不规则，以致死亡。 四氯化 无色液体吸入蒸气可引起头晕，头痛，倦怠，嗜睡，严重时可引起恶心、 碳 呕吐、肚痛、腹泻，出现继发性肝肾损害。 甲苯无色透明吸入，食对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。 液体，有类入，皮肤急性中毒时眼结膜