能源紧缺、环境污染是整个人类社会面临的两个重大问题。工业固体废弃物是指人类在工业生产活动中产生的固态、半固态废弃物质。随着一次能源愈加紧张以及国家“节能减排”政策的推动,高灰分低热值工业固体废弃物的高效、低污染利用势在必行。一方面不仅可以作为常规能源的补充,同时对其它工业固体废弃物的利用提供相关经验,另一方面也避免了固体废弃物自然堆砌对生态环境的巨大破坏,具有十分重要的经济意义、政治意义和战略意义。为此,本文选取了两种最具代表性的高灰分低热值工业固体废弃物(CFB锅炉飞灰和新干馏工艺下产生的油页岩半焦),分别代表了高灰分低热值细颗粒工业固体废弃物和高灰分低热值粗颗粒工业固体废弃物,利用发展迅速、最具应用前景的循环流化床燃烧技术来研究其燃烧特性、污染物排放特性以及降低污染物排放的方法,并对高灰分低热值工业固体废弃物燃烧的总体数学模型进行了初步探讨。本文的主要研究内容及创新点是:①以两种最具代表性的高灰分低热值工业固体废弃物(CFB锅炉飞灰和新干馏工艺下产生的油页岩半焦)为例,选取重庆本地烟煤作为对比燃料,通过热重分析法研究了各试样的着火、燃尽、挥发分析出等特性,并在此基础上对其进行了动力学分析,求取了相应的动力学参数。为后文燃烧高灰分低热值工业固体废弃物的流化床实验装置的设计、启动、运行提供了数据支持和理论支撑。②首次对CFB锅炉脱硫飞灰和非脱硫飞灰在不同回燃条件下对CFB锅炉燃烧和排放特性的影响进行了系统的实验对比研究和对比分析,着重研究了不同飞灰回燃比对炉内的温度分布、燃烧效率、污染物(CO、SO2、NOX)排放、脱硫效率以及粉尘排放的影响。实验结果表明,飞灰回燃能显著缩小炉膛上下部温差,使炉内温度分布均一化。飞灰回燃能在一定程度上提高CFB锅炉的燃烧效率,但粉尘排放浓度显著增加。两种不同类型飞灰回燃的差异主要体现在SO2和NOX的排放浓度上,脱硫飞灰由于含有一定量的残余石灰石,能显著降低SO2的排放,提高炉内的脱硫效率,但NOX的排放却有一定的增加。③针对CFB锅炉飞灰回燃存在脱碳效率(即单一飞灰的燃烧效率)较低的问题,作者提出了一种CFB锅炉飞灰流化床纯燃装置的专利技术,并在自行设计搭建的小型流化床燃烧实验台上进行了5种不同含碳量飞灰的纯燃实验,并首次得到了脱碳效率(即燃烧效率)、炉膛截面热负荷等关键参数与飞灰初始含碳量的关系。在此基础上,计算得到了飞灰在该流化床燃烧装置上不添加外在热源情况下连续稳定燃烧时的临界飞灰含碳量值和炉膛截面热负荷的值。为飞灰流化床纯燃装置专利技术的设计以及运行提供了实验依据和数据支撑。④受制于炉膛较低的运行风速,CFB锅炉飞灰纯燃时存在炉膛截面热负荷偏低,难于对外进行热输出的问题。针对以上问题,作者提出了一种采用富氧燃烧技术强化飞灰燃烧的新方法,并首次探索了流化床富氧燃烧条件下飞灰中焦碳颗粒的燃烧特性,获得了飞灰流化床富氧燃烧技术推广应用的诸多关键参数,如燃烧截面热负荷、炉内温度分布等。实验结果表明,富氧燃烧能强化飞灰中残碳颗粒的燃尽效果以及提高整个流化床燃烧装置的燃烧效率。若初始氧气浓度为100%,那么流化床富氧燃烧装置的炉膛截面热负荷可以达到2.3MW/m2,这与常规的燃煤CFB锅炉相当(3~5MW/m2)。⑤首次在流化床燃烧装置上进行了纯燃热值低于2500k J/kg的燃料(新干馏工艺下产生的油页岩半焦),研究表明半焦无法在循环床内维持连续稳定的燃烧工况,在分析探究了引起循环床熄火的原因以及解决方法的基础上,对半焦进行了鼓泡床燃烧实验,实验结果表明只要能保证流化风速、流化风温度、烟气含氧量、半焦热值、入炉半焦温度以及半焦燃尽率在合适的范围内,新干馏工艺下的油页岩半焦能在没有其他辅助热源的情况下,凭借自身的燃烧使鼓泡床达到某一稳定工况,并且炉膛出口氧量能维持在一个较好的水平。在此基础上,着重研究了影响半焦鼓泡床燃烧稳定性和燃烧效率的主要因素,从而获得了半焦在鼓泡床连续稳定运行的参数范围,为其它高灰分低热值工业固体废弃物的流化床燃烧提供了实验依据和相关经验。同时,也为半焦流化床燃烧装置专利技术的工业应用提供了理论支持。⑥结合流化床流动模型、焦炭反应模型、传热模型等,建立了高灰分低热值工业固体废弃物燃烧的总体数学模型,并利用该模型对实验工况进行了模拟,分析显示计算结果与实验结果基本吻合。为研发专门燃烧高灰分低热值工业固体废弃物的CFB燃烧装置提供了理论依据。