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《浙江大学》 2009年
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秸秆类生物质流态化燃烧特性研究

秦建光  
【摘要】:生物质能转化利用可以有效缓解当今人类面临的能源与环境问题,生物质直接燃烧是目前有望迅速实现生物质大规模转化利用的技术途径之一。我国是农业大国,拥有丰富的秸秆类生物质资源,开发秸秆类生物质燃烧技术是必然的要求。然而,秸秆含有比其它生物质更高的活泼元素-K、Cl、S,活泼元素在燃烧中易引发结渣、团聚、沉积和高温腐蚀等碱金属问题,碱金属问题是目前制约秸秆直燃技术工业化应用的关键问题之一。考虑到流态化燃烧技术固有的技术优势在秸秆直接燃烧中具有潜在的价值,本文对秸秆的流态化燃烧方案和相关规律进行了探索,对制约秸秆流态化燃烧技术发展的碱金属相关特性进行了多方位的研究,主要包括生物质灰的低融特性、熔融结渣判别与缓解措施、床料团聚规律以及活泼元素在燃烧中的转化迁徙规律等。 首先,本文对生物质的灰特性进行了研究。通过研究发现,在表征生物质灰特性的灰成分分析中,应该采用低于600℃的低温成灰以减少活泼元素的挥发损失,同时在表示碱金属相关组成时采用碱金属的氯化物(ACl)与氧化物(A20)共同表示会更加合理,可以大大减少分析偏差。针对不同程度结渣灰在定量描述和横向对比时存在的困难,通过一步成灰法和灰强度测试,建立了灰烧熔强度指数(SII)的计算方法,并以此为基础,按照常见秸秆的临界结渣温度(TSmf)对秸秆进行了燃烧风险级别划分。还通过向稻草和麦草木素中分别添加不同类型的添加剂,研究了添加剂对缓解生物质灰结渣的效果与机理。 其次,通过在小型鼓泡流化床(BFB)试验台上调整燃烧温度、床料粒径、床料种类、流化数以及给料方式等研究了各参数对床料团聚时间的影响规律。通过显微镜观察团聚颗粒发现,秸秆灰的黏性熔融是导致床料团聚的直接原因,团聚发生时间受燃烧温度影响最大。通过对运行参数进行优化组合,如采用低温燃烧、小床料粒径高流化数运行,可以有效缓解床料团聚的发生。通过研究床料团聚特性,借鉴硅酸盐的烧结机理,根据能量守恒定律、颗粒表面自由能最低原理和黏性流动传质机理,建立了将流态化运行参数与颗粒黏结能量变化规律相耦合的团聚时间计算模型。通过对BFB试验台团聚试验工况的验证计算,发现该计算模型具有较好的理论指导价值。通过模型计算结果发现,在低温段(750℃以下)床料粒径、给料量、燃料品种等对团聚时间影响比较明显,但在高温段(850℃以上)其它运行参数的调整对团聚发生时间影响很小,几乎失效。 然后,为了进一步了解流态化燃烧中引发碱金属问题的活泼元素的性质,通过稻秸秆的固定床燃烧实验,研究了不同温度和停留时间下稻秸中钾的转化迁徙规律,发现在700~800℃之间有效钾的转化损失份额大幅度上升。通过20kWth循环流化床(CFB)燃烧试验台进行了21h的稻草低温燃烧实验,对CFB系统中活泼元素在的分布进行了测试和平衡计算,发现低温流态化燃烧中床层内的物料以及钾元素经过一定时间的积累后可以达到动态平衡,生物质灰绝大部分以飞灰形式存在,且飞灰中90%以上的钾保持了水溶性状态;同时,通过对比燃料、飞灰和烟气中有机硫和无机硫的比例,发现在秸秆流态化燃烧过程具有一定的脱硫效果。在此基础上,通过中试规模CFB试验台对稻草进行了低温和高温燃烧实验,验证了团聚规律实验以及活泼元素实验中得出的相关结论。 最后,针对秸秆直燃示范工程项目的运行情况进行了简要介绍,通过运行中后检查发现,该示范工程项目的CFB锅炉能够适用于多种生物质燃料的高效燃烧,也没有出现床料团聚问题的困扰;通过运行后检查发现,锅炉高温受热面和尾部受热面的沉积和腐蚀也比较轻,并不影响正常运行。该示范工程的成功运行进一步验证了前期流态化燃烧试验中的结论,也充分说明低温流态化燃烧技术为秸秆的大规模转化利用开辟了一条新的途径。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TK6

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