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《山东大学》 2007年
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生物质混煤燃烧及污染物排放特性研究

张海清  
【摘要】: 能源是人类生存和发展的重要物质基础,是人类从事各种经济活动的原动力。随着人类社会经济的发展,能源的消耗量急剧增长。然而,目前世界各国正面临着能源短缺的巨大挑战。同时,由燃煤排放的污染物对环境产生的污染严重影响着国家的资源安全和社会经济持续发展,威胁着人类的生存。面对这种严峻的形势,人类迫切要求寻找新的能源,以逐步减少和替代化石能源的使用。在众多的可再生能源中,具有广泛使用价值的是生物质能。生物质与煤共燃是利用生物质简单方便经济有效的方法之一,但其利用方面还面临着许多困难。 本文应用热分析方法研究了生物质和煤各自的燃烧特性以及混合后的燃烧特性,试验研究了生物质种类、升温速率以及混合比例等参数对样品燃烧特性的影响,进而得到了各样品燃烧的动力学特性;应用静态燃烧试验系统对生物质和煤分别燃烧以及混合燃烧后的污染物排放特性进行了研究,试验分析了炉温、混合比例等对污染物排放特性的影响。 首先,本文利用TGA/SDTA851综合热分析仪(瑞士Mettler-Toledo公司)研究了试验参数对燃烧特性的影响。试验煤种为取自山东里彦电厂的烟煤,生物质样品包括:玉米秆、稻秆、麦秆、花生壳、棉秆和杨木屑,为便于对比,另外选用了木质素、造纸废液颗粒和纤维素等生物质制品进行比较试验。研究发现,煤的着火温度和燃尽温度分别为429.0℃和626℃,而各生物质样品的着火温度分别为266.0℃、271.7℃、267.3℃、286.8℃、274.0℃、306.5℃、372.6℃、317.2℃和338.9℃,它们的燃尽温度分别为480℃、492.5℃、443℃、443℃、384℃、420℃、1014℃、487℃和447℃;除木质素外,生物质和煤相比具有较低的着火温度、燃尽温度和较大的燃烧特性指数,放热峰出现的时间比煤的早。生物质混煤的着火温度均比煤的低,挥发分析出、燃烧趋于均匀,焦炭燃烧温度提前。随升温速率的升高(30~100℃/min),各混煤的挥发分和焦炭的最大燃烧速率、燃尽温度及燃烧特性指数均增加,放热峰及其对应的温度先增加后略微减小。随混煤中生物质比例的增加(5%~30%),着火温度下降,挥发分燃烧速率增大,焦炭燃烧速率及放热峰值减小,且对应温度也有所降低,混煤的燃尽温度降低,挥发分燃烧特性指数增大,焦炭燃烧特性指数减小。在挥发分析出燃烧阶段,生物质的活化能和频率因子都很大,使其具有很大的燃烧速率;随着生物质比例的增加,混煤的活化能和频率因子增加,燃烧速率变大;随着升温速率的升高,活化能和频率因子降低,其综合效果使燃烧速率增大。在焦炭燃烧阶段,煤的活化能和频率因子均较小,其燃烧速率小于生物质挥发分的燃烧速率:混煤的活化能和频率因子比煤单独燃烧时的低,其燃烧速率比煤本身的小;随混合比例的增加,混煤的活化能和频率因子均下降,燃烧速率也变小;随着升温速率的升高,活化能和频率因子均降低,而燃烧速率增大。 其次,在静态燃烧试验系统上进行了生物质混煤燃烧时的污染物排放试验,考察了温度及混合比例对混煤燃烧时硫、氮析出特性的影响。研究表明,与煤相比,生物质的含硫量很少,甚至不含硫;SO_2析出时间较早,析出峰小;SO_2和NO的转化率远远低于煤。煤单独燃烧时的SO_2转化率为76.19%,而麦秆和棉秆的SO_2转化率分别只有22.90%和36.63%,玉米秆和杨木屑两种生物质没有明显的硫析出。加入生物质后,混煤SO_2的转化率比煤单独燃烧时降低,但加入比例的影响规律性不强。煤单独燃烧时NO转化率为51.54%,混煤NO的转化率降低。当往煤中添加5%~30%的生物质时,麦秆混煤、玉米秆混煤、棉秆混煤和杨木屑混煤的NO转变率与煤的相比分别降低了5.09%~17.25%,3.77%~14.30%,4.34%~11.89%,3.47%~15.24%。随着炉温的升高,SO_2开始释放时间提前,析出峰值降低,但排放总量增加。从850℃到950℃,玉米秆混煤SO_2转化率分别为65.13%、65.83%和74.66%,麦秆混煤分别为68.76%、69.58%和72.99%,棉秆混煤分别为63.87%、67.78%和75.58%,杨木屑混煤分别为67.55%、73.07%和81.11%。随着炉温的升高,NO的转化率略有增加。 最后,应用BP神经网络模型对不同生物质混煤燃烧过程中SO_2和NO的释放特性进行了预测。通过分析、计算建立了两个BP网络模型分别预测SO_2和NO的转化率。SO_2的BP神经网络预测模型选用了trainbfg训练函数,隐含层节点数为7,而预测NO的网络选用函数trainlm,隐含层节点数为4。用28组样本数据进行训练,用4组测试数据对网络的有效性进行检验。网络模拟表明,训练过的神经网络模型对检验样本集的预测是足够准确的,满足试验误差要求的范围。也就是说,本次试验建立的BP神经网络可以用来预测SO_2和NO的转化率。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TK16

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【引证文献】
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4 田原宇;梁鹏;盖希坤;乔英云;;自混合下行循环流化床生物质快速热解制燃料油[A];2009全国可再生能源—生物质能利用技术研讨会论文集[C];2009年
5 黄海珍;于秀敏;陈海波;王国华;苏俊林;;煤与生物质混合燃烧特性实验研究[A];2006年石油和化工行业节能技术研讨会会议论文集[C];2006年
6 黄雅曦;王小典;高金鑫;王哲滨;;一种寒地地区新型农村生物质利用方式——牛粪生物质固体燃料的研究与利用[A];第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2007年
7 王玉琪;;生物质炉具:市场前景看好,更需政府支持[A];2009第三届中国民用炉具研讨会暨产品展示会、2009生物质成型燃料加工设备及技术交流会会刊[C];2009年
8 孙凤莲;王雅鹏;;可持续发展理论对生物质能源开发利用的影响研究[A];技术创新与现代农业发展[C];2009年
9 王革华;;生物质能在能源系统和农村经济中的作用及发展战略[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
10 王述洋;李东升;;生物质能的开发利用与我国西部的大开发和可持续发展[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 王占奇;生物质能开发利用工程将在我区启动[N];锡林郭勒日报;2006年
2 记者王小胜、常云亮;印尼采用我市农民王有权发明的新技术开发生物质能[N];唐山劳动日报;2010年
3 中科院广州能源研究所生物质能中心主任 李海滨;生物质能发展要洗好切入点[N];中国化工报;2007年
4 姚润丰;农业生物质能产业发展规划出台[N];中国证券报;2007年
5 本报记者 陈磊;肖明松:为生物质能奔走呼号[N];科技日报;2007年
6 本报记者 陈瑜;发展可再生能源,不要轻视了生物质能[N];科技日报;2009年
7 记者 顾定槐;生物质能和炼制油技术成热点[N];中国化工报;2005年
8 雷奔;生物质能前景诱人[N];中国矿业报;2002年
9 孟祥宾;济锅打造生物质能“锅炉航母”[N];中国工业报;2007年
10 本报记者  孙雷;财税规划:支持生物质能发展“路线图”[N];21世纪经济报道;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王志红;神华不粘煤和胜利褐煤与生物质共液化反应研究[D];中国矿业大学(北京);2009年
2 黄浩;湿生物质定向气化制取高浓度氢气的实验研究及理论分析[D];上海交通大学;2010年
3 解海卫;城市生活垃圾与生物质混烧发电及烟气净化的研究[D];天津大学;2007年
4 尚琳琳;生物质流化床燃烧粘结特性及控制研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2012年
5 刘倩;基于组分的生物质热裂解机理研究[D];浙江大学;2009年
6 罗钰翔;中国主要生物质废物环境影响与污染治理策略研究[D];清华大学;2010年
7 孟凡彬;生物质合成气的组分调控技术及深度净化[D];沈阳农业大学;2012年
8 王刚;生物质与聚乳酸塑料共热解特性研究[D];大连理工大学;2009年
9 闫文刚;生物质常温开模致密成型研究[D];北京林业大学;2011年
10 刘军利;木质纤维类生物质定向热解行为研究[D];中国林业科学研究院;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张海清;生物质混煤燃烧及污染物排放特性研究[D];山东大学;2007年
2 杜欣;生物质能与煤共燃对污染物排放影响的数值模拟[D];华北电力大学(河北);2007年
3 刘俊伟;生物质能资源化利用系统的初始条件及生物周期评价的研究[D];北京化工大学;2010年
4 牛振华;HPB-V型生物质成型机的改进与试验分析[D];河南农业大学;2010年
5 孙博;生物质在流化床中燃烧特性研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
6 朱孔远;生物质与煤共热解实验研究[D];河南理工大学;2010年
7 贺鹏;热解温度对生物质焦油裂解率影响的实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 段宇;生物质料物理压缩成型参数优化研究[D];华北电力大学(河北);2010年
9 何继龙;生物质块状燃料成型机的研究设计[D];南京林业大学;2010年
10 刘威;生物质能开发利用设计与环境效应的研究[D];东北师范大学;2002年
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