远红外功能矿物复合材料对燃油锅炉油耗与排污的影响

河北工业大学硕士学位论文远红外功能矿物复合材料对燃油锅炉油耗与排污的影响姓名：李奋平申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：梁金生;梁广川20070201河北工业大学硕士学位论文i远红外功能矿物复合材料对燃油锅炉油耗与排污的影响摘要本文针对我国石油资源短缺和环境污染问题，研制一种适用于燃油锅炉的远红外功能矿物复合材料，该材料可改善燃油理化性质、提高燃烧效率、降低有害气体的排放；研究了远红外功能陶瓷材料和远红外功能有机/无机复合材料的红外辐射性能、以及它们对燃油锅炉油耗及排污的影响，并分析了远红外功能矿物复合材料影响燃油燃烧的机理。以天然远红外功能矿物材料电气石、稀土元素、粘土为主要原料制备远红外功能陶瓷材料。当电气石、稀土、粘土比例为15:1:4，900℃烧结2h时，陶瓷材料的红外辐射率为0.91，在RBS·VH-1.5型燃油锅炉台架实验机上，使用该远红外功能陶瓷材料后锅炉可节省柴油1.23%，烟气中CO含量降低25.6%，NO含量降低9.2%。制备远红外功能有机/无机复合材料，该材料以天然远红外功能矿物材料电气石、稀土元素、树脂为主要原料，研究了远红外功能有机/无机复合材料的红外辐射性能及对燃油锅炉油耗和排污的影响。研究发现：（1）天然远红外功能矿物材料与树脂复合后，其远红外辐射性能没有减弱，当矿物材料与树脂4:6复合时，其红外辐射率为0.93；（2）用该复合材料在RBS·VH-1.5型燃油锅炉台架实验机上进行节能和污染物排放的测试，效果昀好，节油率达到3.78%，烟气中CO、NO的含量分别降低了15.9%、14.5%。研究了远红外功能矿物复合材料提高燃烧效率、降低有害气体排放的机理。认为远红外功能矿物复合材料辐射的远红外线作用于柴油后，增强了柴油分子的能量，减小了柴油的表面张力、改善了柴油的雾化质量，从而提高了柴油燃烧效率、降低了有害气体排放。关键词：远红外，电气石，稀土，复合材料，柴油，燃烧，锅炉，油耗远红外功能矿物复合材料对燃油锅炉油耗与排污的影响iiEFFECTOFMINERALCOMPOSITEMATERIALSWITHFARINFRAREDRADIATIONONOILCONSUMPTIONANDAIRPOLLUTANTEMISSIONOFOIL-BURNINGBOILERABSTRACTAimedatthepetroleumresourcesshortageandenvironmentalpollution,newtypesofmineralcompositematerialswithfarinfraredradiationweresuccessfullypreparedtobeappliedtooil-burningboiler,whichcouldimprovethephysicochemicalpropertiesoffueloil,enhancethecombustionefficiencyandreducetheairpollutantemission.Thefarinfraredradiationperformanceofthemineralcompositematerialsandtheirinfluenceontheoilconsumptionandairpollutantemissionweresystematicallyinvestigatedinthisthesis,especiallytheinfluencemechanismofmineralcompositematerialsonthecombustionoffueloil.Theceramicmaterialswithfarinfraredradiationwerepreparedusingtourmaline,rareearthandclayasrawmaterials.Whentheproportionofmineralmaterial,rareearthsandclaywas15:1:4,theceramicmaterialsheat-treatedat900℃for2hexhibitedthehighestinfraredradianceof0.91.WhenthismaterialusedinRBS·VH-1.5boiler,theoil-savingratiocouldreach1.23%,andthecontentsofCOandNOintheexhaustgascouldreach25.6%and9.2%,respectively.Theorganic/inorganiccompositematerialswithfarinfraredradiationwerepreparedusingtourmaline,rareearthandresinasrawmaterials.Thefarinfraredradiationperformanceofthecompositematerialsandtheirinfluenceontheoilconsumptionandairpollutantemissionwereinvestigated.Theexperimentresultsshowedthattheas-preparedcompositematerialshadthehighestinfraredradianceof0.93whentheratioofmineralmaterialtoresinwas4:6.Theoil-savingratiooftheboilerusingthiscompositematerialcouldreach3.78%,andthecontents河北工业大学硕士学位论文iiiofCOandNOintheexhaustgaswere15.9%and14.5%,respectively.Theinfluencemechanismofmineralcompositematerialsontheimprovementofcombustionefficiencyandreductionofairpollutantemissionwerestudiedinthisthesis.Itwasbelievedthatthefarinfraredradiatedbythemineralcompositematerialscouldenhancethemolecularenergyandreducethesurfacetensionofdieseloil,thusleadingtotheimprovementofitsatomizationqualityandthereductionofairpollutantemission.KEYWORDS:far-infrared,tourmaline,rareearth,compositematerials,dieseloil,combustion,boiler,oilconsumption原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章文献综述§1-1研究背景1-1-1能源问题能源是人类生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力，也是社会经济发展水平的重要标志。目前，能源、材料、信息被称为现代社会繁荣和发展的三大支柱，已成为人类文明进步的先决条件。能源需求的不断增加，使得能源问题在20世纪70年代以后成为世界面临的五大问题之一。目前，世界性的能源问题主要是能源短缺及供需矛盾所造成的能源危机。世界经济的现代化，得益于化石能源（如石油、天然气、煤炭与核裂变能）的广泛应用，然而，这一经济的资源载体却将在21世纪上半叶迅速的接近枯竭。按石油储量的综合估算，可支配的极限约为1.18×1011～1.51×1011t，将在2050年左右宣告枯竭；天然气储备估计为1.318×1011～1.529×1011m3，以年开采量2.3×109m3计算，将在57～65年内枯竭；煤的储量约为5.6×1011t，以1995年煤炭开采量3.3×109t估算，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6.0×104t，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代。随着化石燃料资源的消耗，易于探明和开采的燃料已逐渐减少，特别是石油和天然气。因此，能源资源的勘探、开采也越来越难，投入资金多，建设周期长，科技含量高，既是今后能源开发的特点，也是世界性的能源问题。1-1-2能源与环境能源的开采、输送、加工、转换、利用和消费的过程都直接或间接地改变着地球上的物质平衡和能量平衡，也必然对生态系统产生各种影响，因此环境问题作为世界五大问题之一与能源问题有着紧密的联系。目前能源的使用成为环境污染的根源之一，主要表现在导致温室效应、酸雨、臭氧层破坏、热污染、放射性污染等。化石燃料的燃烧，带来了全球性的环境问题，主要表现为大气污染和温室效应。燃烧排放出大量CO2、SO2气体和悬浮颗粒物，CO2是主要的温室气体源，温室效应破坏了地球热交换的平衡，使得地球的平均温度不断上升，全球变暖，从而引发一系列恶性循环问题；SO2与颗粒物协同作用后会产生出更大的危害，既能够腐蚀建筑物，又能影响到植物生长甚至危害人体健康，当污染严重时还会造成烟雾事件。远红外功能矿物复合材料对燃油锅炉油耗与排污的影响2由于全球能源问题及与其密切相关的环境问题日益突出，节能已经成为解决当代能源问题的一个公认的重要途径。有科学家把“节能”称为开发“第五大能源”，与煤、石油和天然气、水能、核能四大能源相并列，可见节能的重要意义。1-1-3我国的能源消费状况及对策我国自改革开放以来，随着经济的快速发展，对各种能源的需求与日俱增。根据2005统计年鉴可知，从1989年～1996年，我国能源消费总量增长相对稳定，大致保持在6%的增长水平。近两年出现了“油荒、电荒、煤荒”问题，能源短缺正在成为制约我国经济快速发展的“瓶颈”。而且三大能源中，越来越依赖进口的石油将给我国国民经济带来极大的影响和冲击。2003年我国跃升为世界第二大石油消费国，而自己生产的石油仅能解决石油消费总量的63.5%，36.5%需进口；2004年我国石油消费量的40%需要进口。根据国际能源机构预测，到2010年我国石油消费量的61%需进口，到2020年我国石油消耗量的76.9%需进口[1-4]。2004年6月国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议,讨论并通过《能源中长期发展规划纲要(2004-2020)》(草案)。纲要确定了我国新时期能源发展战略,坚持把节约能源放在首位,实行全面、严格的节约能源制度和措施,显著提高能源利用效率。在党中央、国务院的方针指引下，我国节能工作取得了显著成绩：每万元国民生产总值能耗由1989年的5.52t标准煤下降到2001年的2.65t标准煤，共节约能源9×108t标准煤。这对改善环境，减排温室气体做出了巨大贡献。但与发达国家相比，我国单位产出能耗仍比主要发达国家高出2倍以上：2001年,我国单位